Sistema de suspensión en vehículo de competencia de cuatro ruedas

Mecánica automovilística. Fórmula 1. Modelos y características. Función de transferencia

  • Enviado por: Carlos Díaz Gómez
  • Idioma: castellano
  • País: Perú Perú
  • 5 páginas
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Sistema de suspensión de un vehículo de competencia de cuatro ruedas

Este primer avance presenta la modelación dinámica de un sistema de suspensión tradicional (sistema de suspensión pasivo) aplicado a vehículos de competencia de cuatro ruedas en la categoría de Fórmula 1. En primer lugar se presenta una breve reseña de la función de la suspensión y de sus características particulares en el caso de la Fórmula 1. Luego se presentará el modelo dinámico y la función de transferencia de la planta. Por último se dará la bibliografía.

I.- La suspensión

El sistema de suspensión es una de las partes más importantes de cualquier

vehículo. Afecta principalmente, al confort de los pasajeros, al fácil manejo, a la

maniobrabilidad, al control del vehículo y a la capacidad de carga.

Podemos decir que la suspensión cumple seis funciones básicas:

1.- Reducción de las fuerzas provocadas por la irregularidad del terreno.

2.- Control de la dirección del vehículo.

3.- Mantenimiento de la adherencia de los neumáticos a la carretera.

4.- Mantenimiento de una correcta alineación de las ruedas.

5.- Soporte de la carga del vehículo.

6.- Mantenimiento la altura óptima del vehículo.

II.- Características de la suspensión en la Fórmula 1

La suspensión de un Fórmula 1 debe garantizar que la potencia del motor se transfiere perfectamente al piso, además de propiciar una gran tenida y respuesta a los mandos del piloto. Por un lado, tiene que ser suave para absorber los baches y los impactos de los bordillos. Pero también debe ser casi completamente rígida para evitar que el carro pegue contra el piso y pueda asimilar las enormes transferencias de pesos y cargas de los alerones.

Se busca que cada una de las cuatro ruedas apoye de manera igual y proporcional sobre el piso para que la adherencia sobre la ruta sea predecible y aprovechable. Si una rueda tiene menos peso de carga, en esa esquina el apoyo y agarre serán menores. Lo que no permitirá el balance del automóvil. Si las ruedas no están bien alineadas se generaría gran desgaste, fricción e inestabilidad, lo que provocaría una parada en los pits y por lo tanto la pérdida de tiempo en la carrera.

Otras características importantes es el de ser liviana y compacta. Además la suspensión trasera deberá soportar un poco más de peso que la delantera, aunque son prácticamente parecidas.

III.- Otras características de un Fórmula 1 que influirá en nuestras consideraciones

  • Peso: Mínimo 605 Kg. ,con piloto incluido

  • Centro de gravedad: lo más próximo al centro del rectángulo formado por las 4 ruedas, pero este cambia dependiendo de cual sea el comportamiento del vehículo (frenado, curva, altorrelieve), provocando que en algún momento una de las suspensiones soporte mayor carga.

  • Llantas: Infladas con nitrógeno, livianas y con un mayor grado de amortiguación que las llantas normales.

IV.- El modelo Dinámico

Las variables de entrada y salida

'Sistema de suspensión en vehículo de competencia de cuatro ruedas'

Como se ve en el esquema la variable de entrada será w que representa las imperfecciones del camino y la variable de salida será x1 que representa la posición del chasis.

Modelo de ¼ de carro

Para el análisis de la suspensión contamos con 3 tipos de modelos.

  • El modelo de ¼ de carro (análisis en 1 suspensión)

  • El modelo de ½ carro (análisis en 2 suspensiones conectadas)

  • El modelo de carro completo (análisis de 4 suspensiones conectadas)

Para efectos del curso se seleccionará el modelo ¼ de carro el cual posee 1 entrada y 1 salida y será trabajada por el método de función de transferencia. (los otros 2 por su complejidad se trabajan por el método de espacio-estado)

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Las variables representan lo siguiente:

m1: 1.6 x masa de ¼ de vehículo (se considera 60% más de la masa que le corresponde para considerar los efectos ya mencionados en III)

b1: valor de amortiguamiento de la suspensión (diferentes valores para el delantero y trasero)

k1: valor de rigidez de la suspensión (diferentes valores para el eje delantero y trasero

m2: masa de la suspensión + masa de la rueda

b2: valor de amortiguamiento de la llanta

k1: valor de rigidez de la llanta

Siendo los valores investigados los siguientes:

Parámetro

Valor

m1

250

kg

k1

 

 

delantero

23500

N/m

trasero

25500

N/m

b1

 

 

delantero

1000

N/m/s

trasero

1100

N/m/s

m2

40

kg

b2*

15

N/m/s

k2

19900

N/m

Aplicando la ley de Newton para cada una de las masas obtenemos las siguientes ecuaciones diferenciales

..... (1)

.. (2)

Arreglando las expresiones y utilizando Laplace obtenemos un nuevo arreglo de ambas ecuaciones:

... (3)

.... (4)

Despejando x2(s) de ecuación (3) y reemplazando en ecuación (4) obtenemos

... (5)

Haciendo los arreglos necesarios en la ecuación (5) obtenemos la función de transferencia

reemplazando con los valores investigamos obtenemos:

a) La función de transferencia de la suspensión delantera

b) La función de transferencia de la suspensión trasera

V.- Referencias

  • Charloteaux, M. “Suspensión y dirección

  • Fu-Cheng Wang, Tesis Doctoral “Design and Synthesis of Active and Passive Vehicle Suspensions”. Queen's College 2001.

  • C. Lauwerys, J. Swevers, P. Sas, “Model free control design for a semi-active suspension of a passenger car”. K.U.Leuven, Department of Mechanical Engineering, Division PMA.

  • P. Gaspar, I. Szasziy and J. Bokor, “Active suspension design using linear parameter varying control”. Department of Control and Transport Automation, University of Technology and Economics, Budapest, Hungary.

  • XIAOMING SHEN and HUEI PENG, “Analysis of Active Suspension Systems with Hydraulic Actuators”. 2003 IAVSD conference, Atsugi, Japan, August 2003.

  • Ashish Singh, “Modeling and simulation of the suspension system of a medium size passenger car”.

http://www.rit.edu/~axs5278/ashishnew3.pdf

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