Transferencia lateral de masas

Dice Fred Puhn en su libro “How to make your car handle”, una de las principales referencias para crear este artículo, que “La diversión al volante no se debe en exclusiva a la potencia o velocidad máxima. Una parte importante es la diversión de conducir un coche con buen comportamiento. La frase hombre y máquina se funden en uno lo describe perfectamente; es la confianza en que cada orden del conductor será obedecida con precisión por el coche.”

Hoy vamos a tratar de entender los conceptos teóricos detrás de ese buen comportamiento. Este campo se puede complicar tanto como queramos, por lo que me voy a centrar únicamente en suspensiones de doble paralelogramo.

Cuando entramos en una curva, la fuerza centrífuga hace que el coche se incline hacia el exterior, comprimiendo los elementos de la suspensión de la parte exterior de la curva a la vez que se extienden los de la parte interior. Para ser capaces de analizar estos movimientos, deberemos encontrar el centro de balanceo, y como éste se calcula a partir de los centros instantáneos, comenzaremos con ellos.

Centro instantáneo

El centro instantáneo es el punto alrededor del cual están pivotando los brazos de suspensión en un momento determinado. Encontrarlos es tan sencillo como trazar una línea desde el trapecio superior que se encuentre con la línea extrapolada del trapecio inferior.

A medida que se mueve la suspensión, la posición del centro instantáneo cambia (de ahí su nombre), por lo que a la hora de diseñarla habrá que tener en cuenta la localización óptima del centro instantáneo para cada posición de la suspensión.

Centro de balanceo

Como decíamos más arriba, en una curva la carrocería se inclina hacia el exterior. Tiene que haber algún punto alrededor del cual haya tenido lugar esa rotación de la carrocería. ¿Cómo lo encontramos?

Para determinar el centro de balanceo de un eje tendremos que utilizar los centros instantáneos. Trazaremos una línea que una cada uno de los centros instantáneos con el centro de la superficie de contacto del neumático. La intersección de la línea correspondiente a cada una de las ruedas, determinará el centro de balanceo. La aclaración que voy a hacer ahora es quizá evidente, pero aún así: la suspensión delantera tendrá un centro de balanceo y la suspensión trasera, otro distinto.

Además de ser el punto alrededor del cual se inclina la carrocería, el centro de balanceo cumple otra función importante: es el punto a través del cual las fuerzas laterales se transmiten a las ruedas.

La diferencia entre la posición del centro de gravedad y el centro de balanceo origina un brazo de palanca. Este brazo es sobre quien actúa la fuerza centrífuga para hacer inclinarse al coche en torno al centro de balanceo.

Cuanto mayor sea la distancia entre el centro de gravedad y el centro de balanceo, mayor será la tendencia del coche a inclinarse, aunque un amplio balanceo no implica una amplia transferencia de masas, dado que el desplazamiento lateral del centro de gravedad es muy pequeño, como se puede apreciar en la imagen posterior.

La desventaja que habitualmente no se tiene en consideración cuando se baraja reducir la altura del centro de gravedad, es que el centro de balanceo suele descender de forma más radical. Esto puede contrarrestar cualquier ventaja conseguida bajando el centro de gravedad.

Eje de balanceo

Uniendo los centros de balanceo del eje delantero y trasero conseguimos el eje de balanceo, alrededor del cual el coche rotará cuando esté sometido a fuerzas laterales.

Transferencia lateral de masas

Con la fórmula siguiente podremos calcular la cantidad total de fuerza que se deja de ejercer sobre ambas ruedas interiores de la curva y que pasa a ejercerse sobre las exteriores:

Transferencia de masas = ( Aceleración lateral · Peso · Altura del CG ) / Anchura de vía 

Efectivamente, la fuerza total no depende del centro de balanceo. Y ahora estarás pensando –Pero vamos a ver, ¿lleva este tío dándome la paliza con centros instantáneos, centros de balanceo y milongas varias, cuando ésto se puede calcular con una fórmula tan sencilla?– Pues no tan rápido, todo tiene un sentido, pero tenemos que ir por partes.

La transferencia de masas es de hecho la causante del balanceo de la carrocería y no al revés. Es cierto que no hay ningún esquema de suspensión en el que se pueda reducir la transferencia total de masas a no ser que se reduzca la altura del centro de gravedad, se ensanchen las vías o se reduzca el peso del coche, pero sí podemos controlar cómo se transfiere.

La transferencia total de masas se puede descomponer en tres partes:

• Transferencia de masas debida al balanceo de la carrocería
• Transferencia de masas debida a la altura del centro de balanceo
• Transferencia de masas debida a las masas no suspendidas

La tercera componente no se puede alterar con el esquema de suspensiones, así que la resolveremos diciendo que la fuerza centrífuga actúa sobre las masas no suspendidas de forma proporcional a su peso.

Transferencia de masas debida al balanceo de la carrocería

Como ya vimos antes, la carrocería se inclina en torno al eje de balanceo. La fuerza centrífuga acúa sobre el centro de gravedad, ejerciendo un par alrededor del eje de balanceo. La fuerza ejercida por este par se tratará de contrarrestar mediante la rigidez de la suspensión.

Hay dos elementos en la suspensión de un coche que se pueden utilizar para incrementar la rigidez: la dureza de los muelles y la de las barras estabilizadoras.

Imaginad ahora un coche en el que la suspensión delantera está anclada fijamente a la carrocería, y la trasera en cambio se mueve libremente. Cuando se ejerce una fuerza lateral sobre este coche imaginario, sólo las ruedas delanteras recibirán carga debida a la transferencia lateral de masas.

Entonces, cuanto más rígido sea un eje, mayor carga recibirá por la transferencia tota de masas. Y aquí llegamos al Santo Grial del ajuste de las suspensiones.

Una transferencia lateral de masas excesiva afecta negativamente al comportamiento. La fuerza centrífuga ejercida sobre el centro de gravedad del vehículo carga las ruedas exteriores y descarga las interiores. La carga superior de las ruedas exteriores mejora la adherencia de estas, pero en una magnitud inferior a lo que empeora en las ruedas interiores.

Podemos resumir lo anterior en que el eje que mayor carga reciba, será el que antes llegue a su límite de adherencia.

Contrariamente a lo que resultaría intuitivo, un amplio balanceo no implica una mayor transferencia total de masas, porque el desplazamiento lateral del centro de gravedad es muy pequeño. Como vimos antes, lo verdaderamente importante es cómo se transfieren esas masas a cada uno de los ejes.

Transferencia de masas debida a la altura del centro de balanceo

En este apartado vamos a tener que volver a utilizar un par de fórmulas muy sencillas. Antes de ser capaces de calcular la transferencia de masas en cada eje debida a la altura del centro de balanceo, necesitaremos calcular qué porción de la fuerza centrífuga afectará a cada uno de los ejes.

Fuerza centrífuga en el centro de balanceo = (Fuerza centrígufa en el CdG * Reparto de pesos)

La altura del centro de balanceo se puede utilizar para ajustar el comportamiento del chasis, ya que cuanto más alto esté, mayor será la transferencia de masas en ese eje. El problema es que aunque aumenta la transferencia de masas debida a la altura del CdB, se reduce el balanceo total de la carrocería.

Para calcular la transferencia de masas en cada eje, utilizaremos la siguiente fórmula:

Transferencia de masas = (Fuerza centrífuga en el centro de balanceo * Altura del CdB) / Ancho de vía

Recordad que con esto lo que estamos calculando es la cantidad de peso que quitamos de la rueda interior de la curva para transferirselo a la rueda exterior. De nuevo el eje con mayor transferencia de masas será el que antes llegue a su límite de adherencia. En este caso tened también en cuenta que la transferencia de masas no sólo depende de la distancia entre el CdG y el CdB, también depende del reparto de dichas masas entre los ejes.

Reducir la altura del centro de balanceo en un eje reduce la transferencia de masas en ese eje y por lo tanto mejora la adherencia, que empeorará de forma proporcional en el eje contrario (porque la transferencia de masas que se reduce en un eje se incrementa en el otro).

Conclusión

Espero que aquí ya hayamos entendido que cuando se baja la altura de las suspensiones o se instalan unos separadores sin cálculos previos podemos estar destrozando el comportamiento de nuestro coche.

En el próximo artículo vamos a complicarlo todo un poco más. ¿Qué pasa si aumentamos la vía de uno de los ejes? ¿Qué pasa a la geometría de la suspensión si cambiamos la altura en reposo del coche?

Bibliografía

• Competition Car Suspension. Allan Staniforth. Ed. Haynes
• Ingeniería del automóvil. Pablo Luque y otros. Ed. Paraninfo.
• How to make your car handle. Fred Puhn. Ed. HPBooks