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Técnica: Suspensiones – Masas no suspendidas

Voy a tratar de dar una vuelta de tuerca a los artículos de técnica, haciéndolos más aptos para los lectores que no tienen conocimientos de mecánica, que al fin y al cabo son mayoría (dos o tres, tampoco nos vamos a emocionar).

A mi juicio se presta muy poca atención al tema que quiero tratar hoy. De hecho, debido a la moda de los SUV y las llantas enormes, los sistemas de suspensión se están complicando de una forma excesiva.

Siempre que pensamos en reducir el ‘peso’ de un coche, pensamos en desproveer al habitáculo de todo lo imprescindible o sustituir piezas de la carrocería por equivalentes en materiales mucho más ligeros, olvidándonos de las piezas más importantes que, con menor masa, van a conseguir que la suspensión trabaje sensiblemente mejor adaptándose con muchísima más facilidad a las irregularidades del asfalto.

En el mundo del automovilismo, se denomina masas no suspendidas a las masas de los componentes que se apoyan directamente en el suelo sin la interposición de los elementos elásticos de las suspensiones. En la imagen inferior, serían las ruedas y el eje que las une.

Ballestas1

En cierta bibliografía automovilística se puede leer que las masas no suspendidas equivalen a 4 veces las masas suspendidas, y que por ello reducir 1kg de masas no suspendidas tiene un efecto similar a reducir 4kg de masas suspendidas. Bobadas, 1kg es 1kg lo quites de donde lo quites, quien haya inventado esa equivalencia merece 40 años de vagar por el desierto. De todos modos, sí es cierto que el efecto que se puede conseguir reduciendo la masa de llantas o frenos es muy superior al que se puede conseguir instalando una batería ligera o un capó de fibra de carbono. Ahora veamos por qué.

Las ruedas son la única parte del coche en contacto con el asfalto, y son ellas las encargadas de recorrer y adaptarse a cada irregularidad manteniéndose lo más pegadas al suelo que sea posible. El problema surge cuando llegamos a un bache; aquí la rueda sigue la carretera hasta el punto más alto y tras éste la inercia hace que la rueda tienda a seguir su movimiento ascendente. El muelle de la suspensión es el encargado, mediante la fuerza que ejerce para estirarse y llegar a su estado de reposo, de bajar la rueda para que toque el suelo.

Cuanto mayor sea la masa de las ruedas, mayor será la fuerza que tiene que ejercer el muelle para empujar la rueda hacia el suelo, por lo que más firme tendrá que ser éste, afectando negativamente al confort de los ocupantes.

En el intento de solucionar este problema, que no existiría si el tamaño de llantas y neumáticos fuese el adecuado, los coches modernos equipan carísimas y poco fiables soluciones como suspensiones adaptativas o estabilizadoras activas.

Para encontrar el tamaño adecuado de las ruedas, será necesario tener en cuenta los efectos tanto positivos como adversos de las variaciones en anchura y en diámetro.

Una rueda más ancha tiene una superficie de contacto mayor con el suelo, lo que proporcionará más tracción al acelerar, al frenar y al describir una curva. Cuanto más potente es el coche. El mayor problema de unos neumáticos muy anchos es la evacuación de agua o nieve, porque cuanto mayor sea su superficie de contacto, más agua tendrán que evacuar para hacer contacto con el suelo.

Una rueda ancha también pesa más que una rueda estrecha, por lo que las masas no suspendidas son mayores. ¿Cuánto compensa un neumático más ancho frente a ese mayor peso? Pues dependerá de la dureza de las suspensiones y el tipo de terreno por el que va a circular.

En cuanto al diámetro, si obviamos las razones estéticas, unas llantas de mayor diámetro hacen falta para que quepan frenos mayores, con mayor capacidad para frenar y que refrigeren mejor, como se peude ver en deportivos de alto rendimiento.

Además del diámetro de la llanta, tendremos que considerar la altura del neumático; en este caso un neumático con un flanco más alto absorbe mejor las pequeñas irregularidades de la carretera, proporcionando mayor confort de marcha, aunque su peso, una vez más, es mayor. El punto óptimo depende otra vez de la configuración y el objetivo de cada coche.

Si la masa no suspendida es muy grande, el muelle será incapaz de mantener a la rueda pegada al suelo, y esta flotará. ¡Nos ha jodido mayo con las flores! Ahora nuestra rueda no está tocando el suelo y hemos perdido todo el agarre.

salto

Vamos a ilustrar el problema con dos ejemplos. El Porsche 904 monta llantas de magnesio de 15″ con neumáticos de 165mm de grosor. El conjunto pesa alrededor de los 10kg. Por contra un BMW X5 con pack M monta (para sus escasos 170cv) llantas de aluminio de 20″ con neumáticos de 305mm de grosor, con un peso de alrededor de los 35kg. (Para simplificar el cálculo obviamos la masa de las pinzas de freno, discos, manguetas y elementos de suspensión; mucho mayores también en el X5).

Supongamos que ambos circulan a 60km/h y encuentran un bache (una pequeña rampa a 45º) que hace que la velocidad vertical de la rueda sea de 60km/h (16.6m/s). Vamos a suponer también que la rueda se desplaza verticalmente una distancia de 0.1m

bache

Necesitamos dos fórmulas muy sencillas:

La energía cinética se calcula como:

Ec= ½ masa * velocidad²

El trabajo se calcula como:

Trabajo = Fuerza * distancia

Y aplicando esas fórmulas obtenemos los siguientes resultados:

Para el Porsche 904:

Ec = ½*10Kg*(16.6m/s)² = 1377’800J

1377’8J = F * 0’1m; F=13788N

Para el BMW X5:

Ec = ½*35Kg*(16.6m/s)² = 4822’300J

4822’3J = F * 0’1m; F=48223N

Quizá sea más gráfico si lo traducimos a kilogramos fuerza. De forma aproximada, el Porsche 904 tendrá que hacer una fuerza descendente de algo menos de 1.5 toneladas, mientras que el BMW casi 5 toneladas de fuerza.

Podemos pensar entonces que una masa muy grande en la carrocería empujando a esas ruedas hacia abajo hará que se mantengan pegadas al suelo. ¡Que no! Con eso sólo conseguiremos que todo el trabajo lo tengan que realizar las suspensiones.

-¡Ya está! Unas suspensiones extremadamente rígidas son la solución.

-Si tienes el más mínimo aprecio a tus riñones, te aseguro que no.

La solución es reducir en la medida de lo posible la masa de los neumáticos, llantas, discos de freno, pinzas y manguetas, es decir, todas las piezas del coche que no están suspendidas. De este modo la energía cinética de las ruedas será menor, poniéndoselo mucho más fácil a las suspensiones para mantener las ruedas pegadas al suelo.

Pero es que además hay otro factor de gran importancia que también se ve afectado por las masas no suspendidas. Hablamos del momento de inercia, que es la resistencia que presentan las ruedas a ser aceleradas en rotación.

Para hacer girar a una rueda hay que aplicarle un par de fuerzas, y cuanto mayor sea la inercia rotacional, más par será necesario. Además el momento de inercia no depende únicamente de la masa de la rueda, sino también de su tamaño. Otra razón para desechar esas llantas de 20″ que tanto te gustan para tu SUV.

Momento = masa * radio²

Veamos esto aplicado a nuestros ejemplos.

En el Porsche 904 las ruedas cuya masa es de 10kg, tienen unas medidas de 165/55-15, su radio es por tanto de 0’281m

Momento de inercia = 10kg * (0’281m) ² = 0’78 Kgm²

En el BMW X5 las ruedas cuya masa es de 35kg, tienen unas medidas de 305/50-20, su radio es por tanto de 0’406m

Momento de inercia = 35kg * (0’406m) ² = 5’76 Kgm²

Estamo hablando de una fuerza más de 7 veces superior para hacer girar las ruedas del BMW. Y eso no es lo peor, dicha diferencia de fuerzas tambien es necesaria para frenarlas. Si necesitamos más fuerza para frenar, hacen falta discos de freno y pinzas de mayor tamaño, que pesan más, y cuyas masas no están suspendidas. ¡Y encima los discos de freno también tienen inercia rotacional!

Volvemos a empezar.

4 comentarios en “Técnica: Suspensiones – Masas no suspendidas”

  1. Me parece increíble que acabe de leer un artículo para tontos que se titula “Suspensiones – Masas no suspendidas” y siga sin saber qué es una masa no suspendida. Quina vergonya!

    A parte de eso tengo otra duda: si son mejores las ruedas más pequeñas, ¿por qué no se hacen las ruedas aún más pequeñas? Seguro que hay buenas razones, pero… ¿cuál es entonces el tamaño óptimo? ¿De qué depende? En el artículo das a entender que más potencia justifica ruedas más grandes. ¿Es así? ¿Por qué?

    1. Parece que no expliqué bien qué son las masas no suspendidas, porque mi correctora oficial me preguntó también qué son al terminar de revisar el artículo.

      A ver si esta definición sirve para despejar dudas: “Se denomina masas no suspendidas a las masas de los componentes que se apoyan directamente en el suelo sin la interposición de los elementos elásticos de las suspensiones.” vaya, todo lo que no está suspendido por la suspensión 🙂

      Enla foto del enlace serían las ruedas y el eje que las une:

      En cuanto al tamaño de las ruedas, tenemos que diferenciar anchura y diámetro.

      Una rueda que más ancha tiene una superficie de contacto mayor con el suelo, lo que proporcionará más tracción al acelerar, al frenar y al describir una curva. Cuanto más potente es el coche, más se beneficiará de unas ruedas anchas que transmitan la potencia al suelo. El mayor problema de unos neumáticos muy anchos es la evacuación de agua o nieve, porque cuanto mayor sea su superficie de contacto, más agua tendrán que evacuar para hacer contacto con el suelo. En los coches de rallies que compiten en nieve los neumáticos son estrechísimos, pese a ser la potencia de estos coches muy elevada.

      Una rueda ancha también pesa más que una rueda estrecha, por lo que las masas no suspendidas son mayores. ¿Cuánto compensa un neumático más ancho frente a ese mayor peso? Pues dependerá de la dureza de las suspensiones y el tipo de terreno por el que va a circular. En un Formula 1 las ruedas pueden ser muy anchas porque el esfalto es perfectamente liso (apenas hay baches que hagan que las ruedas pierdan contacto con el suelo) y las suspensiones son muy duras, ya que no es el confort de marcha el objetivo de esos coches.

      En cuanto al diámetro, si obviamos las razones estéticas, unas llantas de mayor diámetro hacen falta para que quepan frenos mayores, con mayor capacidad para frenar y que refrigeren mejor, por eso generalmente los coches deportivos montan llantas de mayor diámetro (y su hueco lleno con los discos y pinzas de freno).

      Además del diámetro de la llanta, está la altura del neumático; en este caso un neumático con un flanco más alto absorbe mejor las pequeñas irregularidades de la carretera, proporcionando mayor confort de marcha. El punto óptimo depende otra vez de la configuración y el objetivo de cada coche.

  2. Se agradece el esfuerzo empleado en hacer más inteligible para los profanos como yo, un tema técnico en el que ni siquiera se me había ocurrido pensar. Los ejemplos son muy ilustrativos y ha sido una buena idea ponerlos.

    Entiendo que cuando las marcas optan por poner llantas más grandes es porque hay en juego otros factores, como la estética. Juegan entonces con el desconocimiento del comprador final.

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