Las suspensiones son de los elementos más importantes de cara a la velocidad y estabilidad de un vehículo. Desde los vehículos sin suspensiones, hasta los vehículos con las tipo ballesta, hasta las nuevas hidráulicas, tanto activas como pasivas, mucho ha cambiado la tecnología en torno a ellos, y también los materiales.
Así que, vamos a ver algunos de los nuevos materiales que se están empleando en estas suspensiones, y ver cuáles son los mejores, y cómo el material puede afectar al comportamiento del vehículo…
Partes de las suspensiones
Ya te mostramos sobre los tipos de suspensiones de coche que existen, ahora toca ver de qué se suelen componer estos elementos de los vehículos, para luego comprender mejor la interferencia del material en su función:
- Muelles: son elementos elásticos que almacenan la energía producida por las irregularidades de la carretera, comprimiéndose y expandiéndose para absorber los impactos. Algunos piensan que son el principal elemento de la suspensión, pero no es así, aunque son importantes para hacer que los amortiguadores vuelvan a su posición normal.
- Amortiguadores: son elementos hidráulicos que trabajan en conjunto con los muelles para controlar los movimientos de la suspensión. Disipan la energía acumulada en los muelles, evitando que el vehículo rebote de forma excesiva y mejorando la estabilidad y el confort.
- Brazos de suspensión: son piezas metálicas que conectan las ruedas con la carrocería y permiten el movimiento vertical de las mismas cuando la suspensión está actuando.
- Bujes: son piezas de goma o poliuretano que permiten un movimiento suave y controlado de los brazos de suspensión, reduciendo el ruido y las vibraciones, es decir, son una especie de separadores para evitar el contacto entre piezas metálicas o para limitar el recorrido de los amortiguadores, lo cual también puede ser interesante de cara a algunas configuraciones para el motorsport.
- Rotulas: conectan los brazos de suspensión con otras partes del chasis y permiten el movimiento angular de las ruedas.
- Barras estabilizadoras: reducen el balanceo de la carrocería en las curvas, mejorando la estabilidad del vehículo.
Una vez entendido esto, vamos a ver qué tipos de muelles y brazos podemos encontrar para los coches, y cómo afecta el material al comportamiento…
Tipos de muelles
Un muelle es un elemento elástico, generalmente metálico, diseñado para almacenar energía mecánica y liberarla de forma controlada. Es decir, cuando se aplica una fuerza sobre un muelle, este se deforma (se estira o se comprime) y almacena energía elástica. Al retirar la fuerza, el muelle vuelve a su forma original, liberando la energía almacenada. Su comportamiento se rige por la conocida como ley de Hooke, que establece la deformación proporcional a la fuerza aplicada:
F = k · x
Donde F es la fuerza aplicada al muelle media en newtons (N), mientras que k es la constante elástica del muelle (N/m) y x es la deformación del muelle medida en metros (m). Por tanto, se puede despejar y decir que x = F/k. Por ejemplo, imagina que vas en un coche con muelles con una constante elástica k=20.000 N/m, y se ejerce una fuerza de 800N sobre el muelle al encontrarse un resalto en la carretera, es decir, el muelle se va a comprimir, es – (en caso de un bache se estira, es +). En este caso, aplicando la ley de Hooke tenemos:
x = -F/k
x = -800N / 20.000 N/m
x = -0,04 m
x = 4 cm
Es decir, el muelle se comprimirá 0.04 metros, es decir, 4 centímetros.
Los muelles de acero han dominado el mercado, pero en los últimos años, los muelles compuestos han emergido como una alternativa prometedora, pero bastante más cara. El acero no solo es barato, también tiene una gran durabilidad, y fácil de fabricar, aunque también tiene un mayor peso, y pueden sufrir problemas de fatiga, perdiendo flexión.
Por otro lado, los muelles de composites se fabrican a partir de fibras de alta resistencia, como las de carbono o vidrio, embebidas en una matriz polimérica. Estos materiales compuestos ofrecen una mejor relación resistencia/peso y permiten diseñar muelles con características muy específicas. No obstante, son caros, su fabricación más compleja, y el comportamiento es más imprevisto que el de los muelles de acero y puede no seguir estrictamente la ley de Hooke. Por eso, incluso en F1 se siguen usando aleaciones de acero, desechando aún los muelles composite debido a su complejidad en un sector donde todo tiene que estar muy controlado y ser predecible…
Tipos de brazos de las suspensiones
Además de los muelles, otro de los elementos de las suspensiones que también tienen propiedades diferentes según su material son los brazos de la composición. En este caso tenemos brazos que pueden ser de acero, como los tradicionales, o de aluminio.
| – | – | – |
|---|---|---|
| Acero | Aluminio | |
| Modulo de Young | 210 GPa | 70 GPa |
| Densidad | 7850 kg/m3 | 2700 kg/m3 |
| Resistencia a la tracción | 800 MPa | hasta 380 MPa |
Cada uno con sus puntos a destacar:
- Peso: evidentemente el acero es más pesado, lo que no contribuye a la conducción y consumo del vehículo. En cambio, el aluminio es menos denso, por lo que el vehículo será más ligero, ágil, y eso repercute en la velocidad y en el consumo de combustible de forma positiva.
- Resistencia y rigidez: el acero generalmente proporciona una mayor resistencia y rigidez que el aluminio, lo cual es bueno para manejar cargas mayores y mantener mejor el control.
- Coste: evidentemente, el acero es más barato que el aluminio.
- Fatiga: los brazos de aluminio suelen sufrir más los ciclos de carga que los de acero.
El material óptimo depende de la aplicación específica y las prioridades. El aluminio es preferido cuando la reducción de peso es una preocupación principal, mientras que el acero es favorecido para aplicaciones que exigen alta resistencia y rentabilidad. No obstante, en la actualidad los brazos de suspensión suelen ser de acero en la mayoría de los coches de producción en masa, mientras que es de aluminio en algunos deportivos. En el caso de los coches de competición, cada vez se imponen más los composites, como la fibra de carbono en el caso de los coches de F1.
Mientras en el caso del acero y el aluminio se puede conseguir optimizaciones de la suspensión mediante cambios en el diseño y las nuevas aleaciones. Sin embargo, la tendencia más novedosa son los composites, concretamente los denominados GFK/CFK plásticos. Se trata de materiales avanzados híbridos, plástico-metal, en cuyo caso se puede optimizar su comportamiento con el diseño, pero también con nuevos multimateriales.
Ambas, tanto GFK como CFK tienen una alta resistencia, son muy ligeras, ofrecen rigidez, son resistentes a la corrosión, y pueden diseñarse en muy diversas formas y tamaños, lo que ayuda a los diseños avanzados. Sin embargo, CFK es más rígido y resistente que GFK, por lo que es preferible para aplicaciones de alto rendimiento como el motorsport o la industria aeroespacial. CFK también es más caro de producir, y su aspecto es más atractivo, ya que parece metal pulido.
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