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Introducción a la dinámica en Fórmula Student

Siguiendo con la ronda de departamentos, es el turno del de dinámica. En este artículo se van a determinar sus tareas y los conceptos generales que usan para definir cada una de las piezas del coche. Se trata de mostrar al lector conceptos diferentes que se tienen en cuenta en el diseño de la suspensión de un vehículo y en los que no se suele profundizar en artículos de motor convencionales, por lo que se trata de un artículo más técnico que los anteriores.

El departamento de dinámica engloba los subdepartamentos de suspensión, sistema de dirección y frenos. Su principal cometido es asegurar el contacto permanente de los neumáticos con la pista y asegurar el correcto funcionamiento de los sistemas que guían el coche por la carretera.

El contacto neumático-asfalto debe optimizarse para que se logre el contacto de toda la huella del neumático en las condiciones deseadas y, además, para conseguir un comportamiento dinámico óptimo, tanto en momentos de aceleración como en trazada de curvas, se utilizan una serie de parámetros geométricos que se explicarán a continuación.

También son vitales para este departamento las jornadas de pruebas, en las que se varían los parámetros que se van a describir a continuación, para evaluar los tiempos por vuelta y el rendimiento general del coche.

1. SUSPENSIÓN

a) Ángulos de las ruedas

  • Caída –camber–:

El ángulo de caída es el formado entre el plano perpendicular del suelo y el ángulo del plano medio del neumático. Una rueda vertical tiene ángulo de caída cero y tendrá un ángulo de caída negativo si la rueda está inclinada hacia dentro del coche.

La caída del neumático, con los reglajes adecuados, es capaz de ayudar al vehículo al girar porque introduce lo que se conoce como 'camber thrust', que no es más que el empuje que se produce hacia dentro de la curva, cuando se deforma lateralmente en el neumático.

También se maximiza con camber negativo el agarre en curva porque durante el proceso de giro, se transfiere carga hacia los neumáticos exteriores, favoreciendo que logren camber nulo y maximizando el agarre porque hay un contacto máximo con la calzada. Este ángulo también tiene influencia en el comportamiento a roll del coche, como se explicará más adelante.




  • Avance –caster–:

El ángulo de avance está formado por la línea que une los anclajes de los brazos de suspensión a la rueda hasta el suelo y la línea vertical que une el suelo con el centro del neumático.

Este ángulo está muy relacionado con la retornabilidad de la suspensión –par de autoalineamiento–. Cuando giramos el volante de un coche convencional, el vehículo se levanta unos pocos milímetros, prácticamente de manera imperceptible, pero lo suficiente como para hacer volver a la dirección a su estado de reposo al soltarla. Este efecto se produce porque al levantar el coche, se crea un par de fuerzas en la suspensión que tiende a devolver al coche a su posición original.

También introduce un pequeño camber negativo que, como se dijo en el apartado anterior, favorece al giro. Cuanto mayor sea ese ángulo de avance, mayor par de auto alineamiento habrá y más difícil será girar el volante.


Diagrama del Caster




  • Salida –king-pin– y scrub-radius:

El ángulo de king-pin se determina de la misma forma que el ángulo de avance de la rueda, pero desde la vista frontal del neumático. Indica el punto donde se descarga todo el peso del neumático.

Si la proyección de la línea de la rueda no coincide con el centro del neumático, se crea una distancia a la que se le llama scrub-radius, que no es más que el brazo de palanca del peso del neumático sobre el centro del neumático. Puede tener efectos muy importantes, como la sobrecarga de los rodamientos de la rueda, inestabilidades al frenar y creación de ángulos de caída positivos al girar las ruedas. Es un ángulo que hay que minimizar para que no se noten sus efectos negativos.


Diagrama del King-pin




  • Suspensión tipo pull-rod y push-rod:

En el mundo de los coches de competición, se implementan suspensiones independientes porque dan la flexibilidad de poder modificar la suspensión de cada una de las ruedas según las características del circuito.

Seguramente en algún momento se hayan fijado que dentro de la historia de la Fórmula 1 el tipo de las suspensiones ha ido cambiando a lo largo de la historia. Hoy en día los dos tipos de suspensiones que se usan son pull-rod y push-rod. Si somos más concretos, los F1 actuales montan una suspensión pull-rod en el eje trasero y una push-rod en el delantero.

Ambas suspensiones están compuestas por los brazos de suspensión –inferior y superior–, también llamados A-Arms por su forma, y por una barra que activa la compresión del muelle cuando hay una compresión en la suspensión. La diferencia principal es que la suspensión push-rod tiene una barra a la que empuja la rueda en su recorrido vertical, mientras que en la suspensión push-rod, la rueda tira de la barra para comprimir el muelle.




Diagramas suspensión pull-rod y push-rod

En cuanto a funcionamiento, estos dos tipos de suspensión son muy parecidas, pero respecto a resistencia y rigidez son diferentes. Por norma general, las barras de la pull-rod tiene un diámetro menor que la del tipo push-rod y eso es porque en ella aparece el fenómeno de pandeo, una inestabilidad estructural de la barra que hace que falle antes de romperse.

A la hora de elegir entre una u otra, hay que evaluar todos estos conceptos y llegar a compromiso con los demás ingenieros para decantarse por uno u otro tipo.

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