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Profundizando en las suspensiones: push-rods y pull-rods

Escrito por Felipe Jiménez Blas el 17 Noviembre, 2009 – 7:55 pm -

 

La suspensión de cualquier vehículo de competición, y en particular la de un Fórmula 1, tiene como objetivo fundamental absorber las desigualdades de la pista sobre la que se desplaza y las variaciones de carga que soporta el mismo en todas las direcciones (vertical, horizontal y lateral). Esto permite mantener la máxima superficie de contacto entre los neumáticos y el pavimento, consiguiendo de este modo una adherencia óptima. Cualquier sistema moderno de suspensión involucra dos componentes básicos bien diferenciados: un elemento flexible y un elemento amortiguador.

ELEMENTOS BÁSICOS: EL MUELLE Y EL AMORTIGUADOR

El elemento flexible suele ser un muelle de ballesta, un muelle helicoidal o una barra de torsión. Los muelles son dispositivos que se pueden comprimir o expandir ante la acción de una fuerza (de compresión o expansión). Cuando la fuerza deja de actuar sobre el resorte o muelle, y siempre que no se haya superado el límite elástico del mismo (es decir, que no se haya deformado permanentemente), éste recupera su forma original. Las barras de torsión son dispositivos similares que exhiben su elasticidad (capacidad de absorber energía ante una fuerza y devolverla íntegramente cuando cesa la acción) cuando se someten a esfuerzos torsionales (si se dispone de una barra, de diámetro mucho menor que su longitud, un esfuerzo torsional tenderá a retorcerla sobre su eje longitudinal). Al igual que un resorte tiende a recuperar su forma inicial una vez se deja de ejercer la fuerza, la barra de torsión también recupera su forma original cuando cesa el esfuerzo.

Los amortiguadores constituyen el segundo componente básico de una suspensión. Se encargan de neutralizar o mitigar las oscilaciones absorbidas por los muelles al adaptarse éstos a las irregularidades de la pista. Dicho de otro modo, los muelles (y/o las barras de torsión) se encargan de absorber la energía puesta en juego cuando el neumático rueda sobre irregularidades de la pista y los amortiguadores de disipar dicha energía, de modo que el vehículo no oscile durante un largo tiempo.

LAS PRIMERAS SUSPENSIONES EN F1

Existen diferentes tipos de suspensiones, tanto en vehículos de calle como en monoplazas de competición. Nuestro análisis se centra a partir de ahora en las suspensiones independientes utilizadas en la Fórmula 1 actual. El punto de partida de cualquier suspensión moderna de un Fórmula 1 se estableció desde finales de los años 50: sistema de suspensión basado en seis puntos de anclaje (de doble trapecio o triángulo de suspensión) y uso de muelles helicoidales y amortiguadores hidráulicos telescópicos. Este sistema ha evolucionado desde los años 50 hasta prácticamente nuestros días. En los primeros tiempos, el conjunto muelle/amortiguador estaba dispuesto en el exterior del vehículo, como se indica en la Figura 1: ante una irregularidad del terreno, el neumático es el primer elemento de la suspensión que siente la irregularidad, transfiriéndose dicha carga al conjunto neumático/rueda, y de ahí al soporte de la misma, para repartirse a los brazos de suspensión (triángulos o trapecios de suspensión), y finalmente pasar al conjunto muelle/amortiguador.

La disposición del muelle/amortiguador, colocado en diagonal entre los dos trapecios (véase en la suspensión delantera mostrada en la Figura 1), resulta ideal ya que las grandes cargas generadas en el trapecio inferior (durante las frenadas y en las curvas de alta velocidad) se liberan a través de los muelles y amortiguadores hasta el chasis.

El sistema empleado a finales de los años 50, que se convirtió en el paradigma de las suspensiones utilizadas en Fórmula 1, fue cambiando con los años fruto de diferentes evoluciones e innovaciones, siendo las contribuciones más importantes obra de ingenieros de la talla de Colin Chapman, el fundador del mítico equipo Lotus, y Gordon Murray, otro ingeniero mítico que trabajó para Lotus, Brabham y McLaren. Casi todas las evoluciones producidas fueron consecuencia del considerable aumento de las cargas (fuerzas) puestas en juego y de las crecientes velocidades alcanzadas por los monoplazas.

PRIMERAS EVOLUCIONES

A medida que se fueron aumentando las prestaciones de los monoplazas y muy particularmente cuando la aerodinámica comenzó a jugar un papel decisivo en el diseño de los monoplazas, se puso de manifiesto la necesidad de reubicar el conjunto muelle/amortiguador en un lugar más resguardado. Dicho de otro modo, se trataba de retirar este conjunto del flujo de aire que circulaba alrededor del monoplaza, disponiendo el conjunto bajo el chasis del monoplaza. La Figura 2 muestra una de las primeras evoluciones de las suspensiones delanteras de los monoplazas. Nótese que el conjunto muelle/amortiguador de la suspensión trasera sí permanece expuesto al flujo de aire. Puesto que este flujo llega bastante ’sucio’ a la parte trasera del monoplaza, se consideraba innecesario resguardar los elementos de la suspensión trasera bajo el chasis. No fue hasta años más tarde, con el desarrollo de la aerodinámica, cuando se mejoró este aspecto en el diseño de los monoplazas.

Necesidades relacionadas también con la aerodinámica obligaron a reducir más y más la anchura del monocasco de los monoplazas, haciéndolos cada vez más estrechos y delgados. Esto también supuso importantes innovaciones en materia de suspensiones. Finalmente, y no menos importante, se fue haciendo más necesario aumentar la rigidez y firmeza de los diferentes elementos de la suspensión. Esto es fácil de entender si tenemos en cuenta el aumento de velocidad de los monoplazas en su paso por curva, a medida que los monoplazas generaban más carga aerodinámica, y muy especialmente con la llegada del efecto suelo entre mediados y finales de los años 70.

EL NACIMIENTO DEL PULL-ROD

Antes de analizar el principio básico de funcionamiento y objetivo de las barras de compresión y extensión, o push-rods y pull-rods respectivamente, conviene hacer un poco de historia sobre quiénes desarrollaron estos elementos, que actualmente constituyen los pilares del paradigma de las suspensiones en la Fórmula 1. En el año 1970, Colin Chapman introdujo por primera vez las denominadas barras de extensión o pull-rods en el Lotus 72. La Figura 3 muestra este legendario monoplaza durante una exhibición en Monte Carlo. Los pull-rods operan entre los trapecios superiores y una barra de torsión y un amortiguador mediante un balancín que gira alrededor de un eje paralelo al eje de simetría del vehículo.

Cuatro años más tarde, Gordon Murray, quizá el ingeniero más innovador tras Chapman en toda la historia de la Fórmula 1, acoplaba por primera vez un pull-rod siguiendo el esquema que, a partir de entonces, sería el estándar usado en la F1 y también en monoplazas: el pull-rod, ahora más largo, une directamente el extremo externo del trapecio superior con la parte baja del chasis, operando sobre un balancín unido directamente al conjunto muelle/amortiguador. Este sistema de suspensión fue probado por primera vez sobre el Brabham BT44 del año 1974 (Figura 4).

LA LLEGADA DEL PUSH-ROD

En 1977, Murray diseñaba una de las suspensiones más exitosas de la F1 sobre el Brabham BT46, mostrado en la Figura 5: una barra de compresión o push-rod, que unía el punto de anclaje más externo del trapecio inferior con un conjunto muelle/amortiguador operado vía un balancín. Aunque este conjunto se encontraba ahora mucho más elevado que en el caso de la suspensión basada en el pull-rod, presentaba una importante ventaja: descargar de tensión el trapecio inferior de la suspensión, algo esencial debido a las importantes cargas generadas por efecto suelo y por transferencia de pesos en curvas de alta velocidad.

MASA SUSPENDIDA Y MASA NO SUSPENDIDA

Para entender la diferencia entre suspensiones basadas en push-rod y pull-rod resulta conveniente introducir un par de conceptos sumamente importantes en dinámica de vehículos. La masa total del vehículo se suele dividir en dos partes mutuamente excluyentes: la masa suspendida y la masa no suspendida. La primera, la masa no suspendida, está integrada por todos los elementos que forman parte de las suspensiones, incluyendo muelles, amortiguadores, y las ruedas y neumáticos. En cambio, la masa suspendida está integrada por todo el resto del vehículo, es decir, todos los elementos del monoplaza cuyo peso es soportado por las ruedas y los elementos de la suspensión. Si un vehículo en movimiento se encuentra una irregularidad en la pista, la masa no suspendida se verá afectada por dicha irregularidad, participando de un movimiento inicialmente vertical. Como la masa suspendida está en contacto con la masa no suspendida a través de la suspensión, sus elementos flexibles impiden que la primera altere su movimiento ante la presencia de la irregularidad.

DOS FORMAS DE ENTENDER LA VIDA: PUSH-ROD Y PULL-ROD

Pero, ¿qué diferencia existe entre una suspensión del tipo pull-rod y una basada en un push-rod? Básicamente en la forma en que se conectan la masa suspendida (todo el monoplaza exceptuando los elementos de las suspensiones y las ruedas/neumáticos) con la masa no suspendida (elementos de las suspensiones y ruedas/neumáticos). Para ello existen dos opciones. En la primera de ellas se produce una compresión sobre el conjunto muelles/amortiguadores, de modo que la masa suspendida se apoya sobre la no suspendida. En este caso se unen los soportes de las ruedas/neumáticos con el conjuto muelles/amortiguadores mediante barras que los mantienen comprimidos, como se puede observar en el Ferrari F60 mostrado en la Figura 6. Se dice que la suspensión tiene push-rods o barras de compresión.

La segunda forma de llevarlo a cabo consiste en producir una extensión del conjuto muelles/amortiguadores. Ahora, en cambio, los soportes de las ruedas/neumáticos se unen con el conjunto muelles/amortiguadores mediante barras que los mantienen estirados. Se dice entonces que la suspensión tiene pull-rods o barras de extensión. Un bellísimo ejemplo de elegancia e innovación en los diseños aparecidos en la ya finalizada temporada 2009 ha sido la suspensión trasera del RB5 de Red Bull Racing, basada en el uso de la ya abandonada suspensión basada en pull-rods. El uso de este tipo de suspensiones en la parte trasera de la criatura de Adrian Newey y su equipo les ha permitido sacar grandes ventajas aerodinámicas sobre sus competidores durante esta temporada. Habrá que esperar al próximo año para saber si Newey decide continuar con esta geometría de suspensión trasera o si, por el contrario, volveremos a ver en todos los monoplazas los tradicionales push-rods tanto en las suspensiones delanteras como traseras.

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