Amortiguador

Un amortiguador es un dispositivo mecánico o hidráulico diseñado para absorber y amortiguar los impactos . Lo hace convirtiendo la energía cinética del impacto en otra forma de energía (generalmente calor ), que luego se disipa. La mayoría de los amortiguadores son amortiguadores de impacto (un dispositivo que resiste el movimiento mediante fricción viscosa).

Los amortiguadores neumáticos e hidráulicos se utilizan junto con cojines y resortes. Un amortiguador de automóvil contiene válvulas de retención y orificios accionados por resorte para controlar el flujo de aceite a través de un pistón interno (véase más abajo). ^{[ 1 ]}

Al diseñar o elegir un amortiguador, es importante considerar cómo se disipará la energía. En la mayoría de los amortiguadores, la energía se convierte en calor dentro del fluido viscoso. En los cilindros hidráulicos , el fluido se calienta, mientras que en los cilindros neumáticos , el aire caliente generalmente se expulsa a la atmósfera. En otros tipos de amortiguadores, como los electromagnéticos , la energía disipada se puede almacenar y utilizar posteriormente. En términos generales, los amortiguadores ayudan a amortiguar los impactos en carreteras irregulares y a mantener las ruedas en contacto con el suelo.

Al igual que los carruajes y las locomotoras de ferrocarril, la mayoría de los primeros vehículos a motor utilizaban ballestas . Una de las características de estas ballestas era que la fricción entre las hojas ofrecía cierto grado de amortiguación, y en una revisión de la suspensión de vehículos de 1912, la falta de esta característica en las ballestas helicoidales era la razón por la que era "imposible" utilizarlas como ballestas principales. ^{[ 2 ]} Sin embargo, la cantidad de amortiguación proporcionada por la fricción de las ballestas era limitada y variable según las condiciones de las ballestas, y si estaban mojadas o secas. También funcionaba en ambas direcciones. La suspensión delantera de las motocicletas adoptó horquillas Druid con muelles helicoidales a partir de 1906 aproximadamente, y diseños similares añadieron posteriormente amortiguadores de fricción rotativos de disco de fricción, que amortiguaban en ambas direcciones, pero eran ajustables (por ejemplo, las horquillas Webb de 1924). Estos amortiguadores de fricción de disco también se instalaron en muchos automóviles.

Uno de los problemas de los automóviles era la gran variación en el peso suspendido entre cargas ligeras y cargas completas, especialmente en los muelles traseros. Con cargas pesadas, los muelles podían llegar al tope, y además de instalar topes de goma, se intentó usar muelles principales pesados ​​con muelles auxiliares para suavizar la marcha con cargas ligeras, a los que a menudo se les llamaba "amortiguadores". Al darse cuenta de que la combinación de muelle y vehículo rebotaba con una frecuencia característica, estos muelles auxiliares se diseñaron con un período diferente, pero no resolvieron el problema de que el rebote del muelle tras un bache podía lanzar a los pasajeros fuera de sus asientos. Lo que se necesitaba era una amortiguación que actuara sobre el rebote.

Aunque CL Horock ideó en 1901 un diseño con amortiguación hidráulica, este funcionaba en una sola dirección. No parece que se produjera de inmediato, mientras que los amortiguadores mecánicos, como el Gabriel Snubber, comenzaron a instalarse a finales del siglo XX (al igual que el similar Stromberg Anti-Shox). Estos utilizaban una correa enrollada dentro de un dispositivo que se retraía libremente por la acción de un muelle helicoidal, pero encontraba fricción al extenderse. Los Gabriel Snubber se instalaron en un coche Arrol-Johnston de 11,9 CV que batió el récord de la Clase B de 6 horas en Brooklands a finales de 1912, y la revista Automator señaló que este amortiguador podría tener un gran futuro en las carreras debido a su ligereza y fácil instalación. ^{[ 3 ]}

Los ingenieros franceses Gaston Dumond y Ernest Mathis patentaron dos amortiguadores hidráulicos diferentes con movimiento rectilíneo entre 1906 y 1907, pero no tuvieron éxito comercial. ^{[ 4 ]}

Uno de los primeros amortiguadores hidráulicos en entrar en producción fue el amortiguador Telesco, exhibido en el Salón del Automóvil de Olympia de 1912 y comercializado por Polyrhoe Carburettors Ltd. ^{[ 3 ]} Este contenía un resorte dentro de la unidad telescópica como los "amortiguadores" de resorte puro mencionados anteriormente, pero también aceite y una válvula interna para que el aceite amortiguara en la dirección de rebote. La unidad Telesco se instalaba en el extremo posterior de la ballesta, en lugar del soporte de la ballesta trasera al chasis, de modo que formaba parte del sistema de suspensión, aunque una parte amortiguada hidráulicamente. ^{[ 5 ]} Presumiblemente, esta disposición se eligió por su facilidad de aplicación a los vehículos existentes, pero significaba que la amortiguación hidráulica no se aplicaba a la acción de la ballesta principal, sino solo a la acción del resorte auxiliar en la propia unidad.

Los primeros amortiguadores hidráulicos de producción en serie que actuaban sobre el movimiento principal de la ballesta fueron probablemente aquellos basados ​​en un concepto original de Maurice Houdaille, patentado en 1908 y 1909. Estos utilizaban una palanca que movía paletas amortiguadas hidráulicamente dentro de la unidad. La principal ventaja sobre los amortiguadores de disco de fricción era que resistían movimientos bruscos pero permitían movimientos lentos, mientras que los amortiguadores de fricción rotativos tendían a atascarse y, por lo tanto, ofrecían la misma resistencia independientemente de la velocidad del movimiento. Parece que hubo poco progreso en la comercialización de los amortiguadores de palanca hasta después de la Primera Guerra Mundial , tras la cual se generalizó su uso, por ejemplo, como equipamiento estándar en el Ford Modelo A de 1927 , fabricado por Houde Engineering Corporation de Buffalo, Nueva York.

La mayoría de los amortiguadores para vehículos son de tipo bitubo o monotubo, con algunas variaciones sobre estos diseños.

Monotubo

La principal alternativa de diseño al amortiguador de doble tubo ha sido el amortiguador monotubo, considerado un avance revolucionario cuando apareció en la década de 1950. Como su nombre indica, el amortiguador monotubo, que también es un amortiguador presurizado con gas y se presenta en formato coilover, consta de un solo tubo, el tubo de presión, aunque cuenta con dos pistones. Estos pistones, denominados pistón de trabajo y pistón divisor o flotante, se mueven en relativa sincronía dentro del tubo de presión en respuesta a los cambios en la suavidad de la carretera. Los dos pistones también separan completamente los componentes de fluido y gas del amortiguador. El amortiguador monotubo suele ser mucho más largo que el de doble tubo, lo que dificulta su montaje en turismos diseñados para amortiguadores de doble tubo. Sin embargo, a diferencia de los de doble tubo, el amortiguador monotubo se puede montar en cualquier dirección; no tiene direccionalidad. ^{[ 7 ]} Tampoco tiene una válvula de compresión, cuyo papel lo cumple el pistón divisor, y aunque contiene gas nitrógeno, el gas en un amortiguador monotubo está a alta presión (260-360 psi aproximadamente), lo que puede ayudarle a soportar parte del peso del vehículo, algo para lo que ningún otro amortiguador está diseñado. ^{[ 8 ]} Debido a su mayor tamaño, los amortiguadores monotubo disipan mejor el calor que los amortiguadores de doble tubo. ^{[ 9 ]}

Mercedes se convirtió en el primer fabricante de automóviles en instalar amortiguadores monotubo como equipamiento estándar en algunos de sus coches a partir de 1958. Fueron fabricados por Bilstein , patentaron el diseño y aparecieron por primera vez en 1954. ^{[ 10 ]} Debido a que el diseño estaba patentado, ningún otro fabricante pudo utilizarlo hasta 1971, cuando expiró la patente. ^{[ 8 ]}

Existen varios principios de uso común que explican la absorción de impactos:

• Histéresis de materiales estructurales, por ejemplo, la compresión de discos de caucho , el estiramiento de bandas y cordones de caucho, la flexión de resortes de acero o la torsión de barras de torsión . La histéresis es la tendencia de los materiales elásticos a recuperar su forma original con una fuerza menor a la necesaria para deformarlos. Los vehículos sencillos sin amortiguadores independientes se amortiguan, en cierta medida, por la histéresis de sus resortes y bastidores.
• La fricción seca, como la que se usa en los frenos de las ruedas , utiliza discos (clásicamente de cuero ) en el pivote de una palanca, con fricción generada por resortes. Se empleó en los primeros automóviles, como el Ford Modelo T , en algunos coches británicos de la década de 1940 y en el Citroën 2CV francés de la década de 1950. Aunque ahora se considera obsoleto, una ventaja de este sistema es su simplicidad mecánica; el grado de amortiguación se puede ajustar fácilmente apretando o aflojando el tornillo que sujeta los discos, y se puede reconstruir fácilmente con herramientas manuales sencillas. Una desventaja es que la fuerza de amortiguación tiende a no aumentar con la velocidad del movimiento vertical.

• Amortiguadores de cadena cónica de estado sólido, que utilizan una o más alineaciones axiales cónicas de esferas granulares , generalmente hechas de metales como el nitinol , dentro de una carcasa.,
• La fricción fluida , por ejemplo el flujo de fluido a través de un orificio estrecho ( hidráulica ), constituye la gran mayoría de los amortiguadores de automóviles. Este diseño apareció por primera vez en los coches de carreras Mors en 1902. ^{[ 15 ]} Una ventaja de este tipo es que, mediante el uso de válvulas internas especiales, el amortiguador puede hacerse relativamente blando a la compresión (lo que permite una respuesta suave a un bache) y relativamente rígido a la extensión, controlando el "rebote", que es la respuesta del vehículo a la energía almacenada en los resortes; de manera similar, una serie de válvulas controladas por resortes pueden cambiar el grado de rigidez según la velocidad del impacto o rebote. Los amortiguadores especializados para fines de competición pueden permitir que la parte delantera de un dragster se eleve con una resistencia mínima durante la aceleración, y luego resistir fuertemente que se asiente, manteniendo así una distribución de peso hacia atrás deseable para una tracción mejorada.

• La compresión de un gas, por ejemplo, en los amortiguadores neumáticos , puede actuar como un resorte a medida que la presión del aire aumenta para resistir la fuerza que se ejerce sobre él. El gas confinado es compresible, por lo que el equipo es menos propenso a sufrir daños por impacto. Este concepto se aplicó por primera vez en la producción en serie de automóviles Citroën en 1954. Hoy en día, muchos amortiguadores se presurizan con nitrógeno comprimido para reducir la tendencia del aceite a cavitar bajo un uso intensivo. Esto provoca la formación de espuma, lo que reduce temporalmente la capacidad de amortiguación de la unidad. En unidades de servicio pesado utilizadas para carreras o uso todoterreno, incluso puede haber un cilindro secundario conectado al amortiguador que actúa como depósito para el aceite y el gas presurizado. En el tren de aterrizaje de los aviones , los amortiguadores de aire pueden combinarse con amortiguación hidráulica para reducir el rebote. Estos puntales se denominan oleoneumáticos (que combinan aceite y aire)..
• Para contrarrestar la resistencia inercial a la aceleración, el Citroën 2CV contaba con amortiguadores que amortiguaban el rebote de las ruedas sin piezas móviles externas. Estos consistían en un peso de hierro de 3,5  kg (7,75 lb) montado sobre un resorte dentro de un cilindro vertical. y son similares a las versiones de amortiguadores de masa sintonizados que se utilizan en edificios altos, aunque son mucho más pequeños.
• La suspensión hidroneumática compuesta combina numerosos elementos de suspensión en un solo dispositivo: acción de resorte, absorción de impactos, control de altura y autonivelación . Esto combina las ventajas de la compresibilidad del gas con la capacidad de la maquinaria hidráulica para multiplicar la fuerza.
• Los amortiguadores convencionales se pueden combinar con muelles de suspensión neumática , una forma alternativa de lograr el control de la altura de la carrocería y la suspensión autonivelante .
• En un amortiguador de fluido electrorreológico , un campo eléctrico modifica la viscosidad del aceite. Este principio permite aplicaciones de amortiguadores semiactivos en la industria automotriz y en diversos sectores.
• Variación del campo magnético: un amortiguador magnetorreológico cambia las características de su fluido a través de un electroimán .
• El efecto de un amortiguador a altas frecuencias (de sonido) generalmente se limita utilizando un gas compresible como fluido de trabajo o montándolo con bujes de goma .

• Algunos amortiguadores permiten ajustar la suspensión mediante el control de la válvula a través de un ajuste manual provisto en el propio amortiguador.
• Los sistemas de suspensión activa permiten al conductor ajustar electrónicamente la rigidez del amortiguador y cambiar automáticamente dicha rigidez para adaptarse a las condiciones de la carretera, utilizando mecanismos como válvulas ajustables o fluido magnetorreológico . ^{[ 9 ]}
• El control dinámico de las válvulas, a través de un ordenador que responde a los sensores, permite un control adicional, proporcionando una conducción suave y una suspensión firme cuando sea necesario, y permitiendo ajustar la altura de la carrocería o incluso controlarla .
• El control de la altura de la carrocería es especialmente deseable en vehículos de carretera destinados a un uso ocasional en caminos irregulares, como medio para mejorar la maniobrabilidad y reducir la resistencia aerodinámica al bajar el vehículo cuando circula por carreteras asfaltadas de alta velocidad.
• Disipadores de calor , ventiladores o refrigeración líquida para prevenir o retrasar el sobrecalentamiento y la pérdida de rendimiento (fuga de aceite).

• Un puntal es un componente estructural que combina el amortiguador con otras partes de la suspensión, como el resorte helicoidal y la mangueta de dirección, en una unidad compacta ^{[ 16 ].}
• A diferencia de un amortiguador, un puntal tiene un cuerpo y un vástago reforzados.
• Los puntales están sometidos a cargas multidireccionales, mientras que un amortiguador solo atenúa las vibraciones, recibiendo únicamente una carga a lo largo de su eje.
• Los amortiguadores y los puntales se fijan de forma diferente. Los amortiguadores se montan al chasis y a la suspensión mediante bujes de goma o uretano. Un puntal se fija rígidamente a la suspensión y al chasis mediante una placa giratoria que constituye el punto de pivote superior de la dirección.

• Shelton, Chris. "Entonces, ahora y para siempre" en Hot Rod , marzo de 2017, págs.  16-29.

• Kinra, Vikram K.; Wolfenden, Alan (1992), M3D: mecánica y mecanismos de amortiguación de materiales , publicación técnica especial ASTM número 1169, Filadelfia, Pensilvania, EE. UU.: ASTM International , ISBN 978-0-8031-1495-1
• Holland, Max (1989), Cuando la máquina se detuvo: Una historia aleccionadora de la América industrial , Boston: Harvard Business School Press, ISBN 978-0-87584-208-0, OCLC 246343673 . 

• Este camión no tiene resortes , Popular Science, febrero de 1919
• Estudiantes de pregrado del MIT crean un amortiguador que genera energía .
• Nivelando las zonas ásperas , artículo de 1943
• Cálculos de la tasa de amortiguación. Archivado el 9 de junio de 2021 en Wayback Machine , notas del seminario de Kaz Technologies.
• Archivado el 20/11/2017 en Wayback Machine , medición de amortiguadores