AJUSTE DEL SAG Y DE LA DUREZA DE LOS MUELLES: ¿ES REALMENTE NECESARIO? (II)

                                                                                     Colaboración del profesor José Duato de la Universidad Politécnica de Valencia

 

En otros artículos de la sección técnica de Novatech Suspensiones se describen los conceptos de Sag estático y Sag dinámico, se mustra cómo ajustarlos y se explica porqué el cálculo del Sag y de la dureza de los muelles se realiza de la manera en que se describe en esos artículos. También se ha descrito el papel de las suspensiones, qué componentes la integran y porqué hace falta ajustar los sistemas hidráulicos de la suspensión (es decir, la amortiguación). Pero la realidad es bastante más compleja. Podemos instalar los muelles adecuados para el peso de una moto y su piloto, ajustar correctamente la precarga del muelle y ajustar a la perfección los hidráulicos para que no haya oscilaciones ante las irregularidades del terreno, y luego encontrarnos con que esas molestas (e incluso peligrosas) oscilaciones aparecen precisamente en los momentos más inoportunos: al frenar, acelerar o trazar una curva. En este artículo se explica de forma sencilla esta compleja situación y se describen algunas soluciones para remediar el problema.

Este artículo es autocontenido. Pero para entenderlo mejor, se recomienda leer antes el artículo titulado “AJUSTE DEL SAG Y DE LA DUREZA DE LOS MUELLES: ¿ES REALMENTE NECESARIO?” Quienes hayan leído antes dicho artículo pueden saltar directamente a la sección titulada “Un poco de teoría”.

Suspensiones y necesidad de ajuste

Las suspensiones de las motos (tanto horquilla como amortiguador) se diseñan para absorber irregularidades de cierta magnitud. Ninguna suspensión es capaz de absorber baches muy profundos. Según el tipo de moto y el terreno para el que está diseñada, las suspensiones tienen un recorrido máximo. Una vez agotado este recorrido, la suspensión hace tope y deja de actuar. Por ejemplo, en una moto deportiva, este recorrido suele ser de unos 120 mm. Si la moto se conduce por el tipo de terreno para el que fue diseñada y la suspensión está adaptada al peso del piloto y correctamente ajustada, nunca debería hacer tope, ni siquiera con los estilos de conducción más agresivos. La única excepción se da cuando la rueda se despega del suelo (la delantera al acelerar muy fuerte o la trasera al frenar muy fuerte), pero en este caso no es peligroso porque la rueda no toca el suelo y la suspensión no es necesaria mientras la rueda está en el aire.

¿Pero cómo se consigue ajustar correctamente unas suspensiones, evitando además que hagan tope? Pues básicamente ajustando tres magnitudes, independientemente de que la moto tenga suspensiones ajustables o requiera llevarla a un servicio técnico especializado para realizar dichos ajustes. En primer lugar, dado que las suspensiones tienen un recorrido limitado, deberemos conseguir que en ausencia de baches (es decir, moto parada con el piloto encima y sin apoyar los pies en el suelo) las suspensiones estén en una zona intermedia de su recorrido. De esta forma, las suspensiones serán capaces de absorber irregularidades del terreno en ambos sentidos, es decir, tanto baches como resaltes. Este centrado de las suspensiones, para que puedan aprovechar todo su rango de funcionamiento, es lo que se consigue ajustando la precarga, o lo que es lo mismo, el Sag.

En segundo lugar, los muelles de las suspensiones deben tener la dureza adecuada. Unos muelles demasiado blandos darán lugar a un recorrido excesivo (tanto en acortamiento como en estiramiento) en las situaciones más exigentes (baches más grandes, frenadas muy fuertes, etc), pudiendo llegar a hacer tope en dichas situaciones. Por el contrario, unos muelles excesivamente duros darán lugar a recorridos demasiado cortos, con lo que estaremos desaprovechando una parte importante del recorrido que nos ofrecen las suspensiones. Esto se traducirá, no sólo en un menor confort de marcha, sino también en un mayor castigo de los neumáticos. Es importante tener en cuenta que, ante un resalte en el terreno, la fuerza que se hace sobre los muelles de las suspensiones depende de la inercia de la moto más el piloto. Igualmente, en una frenada muy fuerte, puede llegar a transferirse todo el peso a la horquilla. De nuevo, se trata del peso de la moto más el piloto. En otras palabras, el ajuste de la dureza de los muelles debe hacerse teniendo en cuenta el peso de la moto más el piloto equipado.

Y en tercer lugar, los hidráulicos de la suspensión se han de ajustar de modo que, ante una irregularidad brusca en el terreno, el recorrido de las suspensiones para absorberla no sea mayor que si la misma fuerza se aplicase sobre los muelles de las suspensiones de forma lenta y progresiva. Este ajuste es más complejo de entender, por lo que lo ilustraré con una sencilla figura. En esta figura se muestra el acortamiento de un amortiguador X(t) a lo largo del tiempo t cuando se le aplica bruscamente una fuerza para comprimirlo en t=0. En la figura (a) se muestra el comportamiento cuando los ajustes de los hidráulicos (compresión y extensión) están demasiado cerrados. La respuesta es lenta. Al amortiguador le cuesta responder y absorver la fuerza aplicada sobre el mimso. El acortamiento es el mismo que con otros ajustes diferentes para los hidráulicos porque en este ensayo se mantiene la fuerza aplicada. Pero si se tratase de un bache, la causa del acortamiento ya habría desaparecido antes de que el amortiguador hubiese respondido adecuadamente. En la figura (b) se muestra el comportamiento cuando los ajustes de los hidráulicos (compresión y extensión) están demasiado abiertos. La respuesta es más rápida pero se producen oscilaciones. Estas oscilaciones son doblemente peligrosas. Por una parte, es desagradable la sensación que se experimenta en aceleraciones y frenadas fuertes cuando se producen estas oscilaciones, ya que se producen repetidas faltas de adherencia del neumático, disminuyendo la tracción o la efectividad de la frenada, según el caso. Pero por otra, el hecho de que el acortamiento del amortiguador alcance valores de pico más grandes en el caso de la figura (b) puede traducirse en que la suspensión haga tope, incluso cuando la precarga y la dureza del muelle están correctamente ajustados. Finalmente, en la figura (c) se muestra la respuesta para un ajuste correcto de los hidráulicos. La respuesta es bastante más rápida que en la figura (a), pero sin oscilaciones y, por tanto, sin riesgo de que esas oscilaciones puedan traducirse en que las suspensiones hagan tope.

Así pues, tan importante es ajustar la precarga como la dureza del muelle como los hidráulicos para conseguir aprovechar al máximo el recorrido que nos ofrecen las suspensiones, pero sin el riesgo de hacer tope en situaciones extremas. Ya hemos indicado que la dureza de los muelles debe calcularse para cada moto teniendo en cuenta el peso del piloto. Pero es importante añadir que el ajuste de los hidráulicos para conseguir la respuesta vista en la figura (c) no es fijo para una moto dada. Dicho ajuste depende del peso (moto más piloto) y de la dureza del muelle. Así pues, si se cambian los muelles, deben reajustarse los hidráulicos.

Un poco de teoría

Sin entrar en demasiados tecnicismos ni ecuaciones, para entender lo que pasa cuando se frena o se acelera fuerte, es necesario entender un poco mejor cuál es la relación entre los diferentes parámetros de un sistema de suspensión. Tenemos básicamente tres componentes. El primero es el cuerpo suspendido (en este caso, la mayor parte de la moto más el piloto), cuyo parámetro más importante es su masa. Recordad que el peso de un cuerpo es proporcional a su masa. El segundo componente es el muelle, que permite suspender en el aire al cuerpo antes mencionado, y cuyo parámetro más importante es su dureza. Todos sabemos que si colgamos un cuerpo del extremo de un muelle y zarandeamos el otro extremo del muelle, dicho cuerpo empezará a oscilar arriba y abajo, y seguirá oscilando incluso tras dejar de zarandear el muelle. Por tanto, hace falta un tercer componente que frene esas oscilaciones, el circuito hidráulico o amortiguador, cuyo parámetro más importante es el coeficiente de fricción viscosa. Cuanto mayor es este coeficiente, más se opone el amortiguador al movimiento.

Las fuerzas que se aplican sobre un cuerpo con una cierta masa producen una aceleración del mismo, que es inversamente proporcional a su masa. Es decir, cuanto mayor es la masa, menor es la aceleración. Las fuerzas que se aplican sobre un amortiguador hidráulico (sin muelle) producen que el émbolo o pistón del amortiguador se desplace con una cierta velocidad,  que es inversamente proporcional a su coeficiente de fricción viscosa. Es decir, cuanto mayor es el coeficiente de fricción viscosa, menor es la velocidad del pistón. Finalmente, las fuerzas que se aplican sobre un muelle con una cierta dureza producen una compresión del mismo (o desplazamiento de uno de sus extremos), que es inversamente proporcional a su dureza. Es decir, cuanto mayor es la dureza del muelle, menor es la compresión del mismo al aplicarle una fuerza.

Estos tres componentes (masa, muelle y amortiguador) están mecánicamente unidos entre sí, por lo que cabe esperar que el comportamiento del conjunto dependa de la relación entre los parámetros de sus componentes. De hecho, así es. Simplificando mucho, el comportamiento de la figura (c) antes comentada se consigue cuando el cuadrado del coeficiente de fricción viscosa es igual a cierta constante multiplicada por la dureza del muelle y por la masa del cuerpo suspendido. Este resultado es complejo de obtener, pues requiere conocimientos de teoría de sistemas. Pero por otra parte, es bastante lógico. Si aumentamos la masa sin aumentar la dureza del muelle, ante cualquier irregularidad en el terreno, la mayor inercia de esa masa hará que aparezcan oscilaciones, por lo que habrá que cerrar los hidráulicos para reducir o eliminar esas oscilaciones. Del mismo modo, si aumentamos la dureza del muelle, cuando éste se comprima debido a  una irregularidad en el terreno, después intentará volver a su longitud anterior con más fuerza. Esta mayor fuerza acelerará más la masa suspendida, lo que hará que se pase de largo y se produzcan oscilaciones. Así que, de nuevo, habrá que cerrar los hidráulicos para frenar esa aceleración y evitar las oscilaciones.

Una vez conocida la relación entre los tres parámetros a ajustar, todo parece ya mucho más fácil. La masa de la moto más el piloto tiene un determinado valor. Así que ajustamos la dureza del muelle, como se ha visto en otros artículos de la sección técnica de Novatech Suspensiones, para que podamos aprovechar al máximo el recorrido útil de las suspensiones. Y finalmente ajustamos los hidráulicos, empezando desde su posición más abierta. Iremos cerrando los hidráulicos, aumentando con ello su coeficiente de fricción viscosa, hasta que desaparezcan las oscilaciones y el comportamiento sea el de la figura (c).

Y cuál no será nuestra decepción cuando a continuación probamos la moto y nos encontramos que al apurar la aceleración, la frenada o la inclinación, las molestas oscilaciones vuelven a aparecer.

La masa, no tan constante como pueda parecer

Podemos pensar que la masa de la moto más el piloto son constantes a lo largo de un determinado trayecto, salvo la pequeña reducción que supone la gasolina que vamos quemando o el sudor que se va evaporando. Y así es, pero en el comportamiento de las suspensiones influye mucho la geometría de la moto y el correspondiente reparto de pesos entre las dos ruedas.

Veamos qué es lo que pasa cuando la conducción es muy agresiva. Suponiendo un reparto de pesos del 50% en cada rueda, cuando la aceleración es tal que la rueda delantera llega a despegar del suelo, el 100% del peso descarga sobre la rueda trasera. De forma análoga, cuando la frenada es tan fuerte que la rueda trasera llega a despegarse del suelo, el 100% del peso descarga sobre la rueda delantera. Finalmente, al tomar una curva, la fuerza resultante aplicada sobre las suspensiones es la que resulta de componer el peso (fuerza de la gravedad) de la moto más el piloto con la fuerza centrífuga. Esta última depende de la inclinación de la moto. Estrictamente hablando, en terreno llano, depende del ángulo que forma la horizontal con la línea que une el centro de gravedad con la línea que une los centros de las huellas de los neumáticos. Este ángulo es ligeramente inferior al ángulo de inclinación de la moto, pero muy similar. Un piloto profesional suele llegar a superar ligeramente los 60 grados de inclinación. Para 60 grados, unos sencillos cálculos geométricos de nuevo dan como resultado que se duplica la fuerza aplicada sobre las suspensiones respecto a la misma moto en posición vertical y velocidad constante.

Así pues, de forma aproximada, una frenada muy fuerte produce como resultado que la masa suspendida que tiene que soportar la suspensión delantera se multiplique por dos durante la frenada. De forma análoga, cuando la aceleración es tal que la rueda delantera llega a despegar del suelo, el resultado es que la masa suspendida que tiene que soportar la suspensión trasera se multiplica por dos. Y cuando trazamos una curva con la moto muy inclinada, la masa suspendida aparente que tiene que soportar cada una de las suspensiones también puede llegar a multiplicarse por dos.

Más parámetros que varían

Para una conducción muy agresiva, hemos visto que puede llegar a multiplicarse por dos la fuerza ejercida sobre las suspensiones, y eso sin tener en cuenta las fuerzas adicionales derivadas de las irregularidades en el terreno. Por tanto, el ajuste del Sag y de la dureza de los muelles debería ser tal que cuando se duplica la carga aplicada sobre las suspensiones, éstas se hunden como mucho hasta dos tercios de su recorrido útil, dejando al menos un tercio para que las suspensiones sigan funcionando sin hacer tope en las situaciones indicadas (acelerar, frenar o inclinar de forma agresiva).

Para reducir aún más ese hundimiento de las suspensiones y aumentar el rango útil de las mismas, en algunas suspensiones se incorporan muelles progresivos. Estos muelles aumentan su dureza a medida que se comprimen. Esto se puede conseguir, por ejemplo, con una separación diferente entre las espiras en diferentes zonas del muelle. A medida que se va comprimiendo el muelle, las espiras que están más cerca unas de otras van haciendo tope y dejan de trabajar, con lo que la dureza del muelle varía. Pero incluso con un muelle lineal en el amortiguador trasero se puede conseguir un comportamiento progresivo del basculante. Esto se obtiene mediante el diseño de un sistema de bieletas adecuado.

Reajustando los hidráulicos

Como ya hemos visto en una sección enterior, para que la suspensiones reaccionen lo más rápido posible ante cualquier irregularidad en el terreno, pero sin que se produzcan oscilaciones, el cuadrado del coeficiente de fricción viscosa debe ser proporcional al producto de la masa suspendida por la dureza del muelle.

Y como ya hemos visto, la masa equivalente que soporta cada una de las suspensiones puede llegar a duplicarse en determinadas condiciones extremas (pero frecuentes en conducción deportiva). Esto implica que tenemos que reajustar el coeficiente de fricción viscosa, multiplicándolo por la raíz cuadrada de dos (aproximadamente, un incremento de un 40%), para que en esas condiciones extremas no aparezcan oscilaciones.

Con suspensiones clásicas de calidad, lo primero que procede hacer es no empeorar aún más la situación mediante el uso de muelles progresivos o mediante sistemas de bieletas que den lugar a un comportamiento progresivo del basculante. No olvidemos que si aumentamos la dureza del muelle, también hay que aumentar aún más el coeficiente de fricción viscosa para que no aparezcan de nuevo las oscilaciones.

El siguiente paso es reajustar los hidráulicos para que no haya oscilaciones precisamente en las situaciones más críticas (máxima aceleración, frenada al límite o máxima inclinación). El resultado, claramente apreciable, son unas suspensiones que se notan muy duras, pero que son necesarias para conseguir la máxima seguridad y eficacia en conducción deportiva al límite.

Las motos diseñadas para una conducción más tranquila no están exentas de estos problemas, ya que al frenar y al inclinar sigue produciéndose un pequeño aumento de la masa aparente en el tren delantero y en ambas suspensiones, respectivamente. Esta situación se ve agravada por el uso de muelles progresivos en las horquillas o, mucho más a menudo, por el uso de sistemas de bieletas progresivos. En estas motos, buscando un mayor confort, el ajuste de los hidráulicos suele ser tal que siguen apareciendo oscilaciones cuando se apura un poco la frenada o la inclinación.

Suspensiones semiactivas (electrónicas)

Así puede entenderse la aparición en los últimos años de un número creciente de modelos de moto con suspensiones semiactivas, controladas electrónicamente. No es factible variar la precarga de un muelle en una fracción de segundo, pero sí que es posible abrir o cerrar el ajuste de los hidráulicos de un amortiguador en una fracción de segundo. En estas motos, el objetivo es ajustar dinámicamente el coeficiente de fricción viscosa de los hidráulicos en función de las variaciones en la masa suspendida equivalente que soporta la horquilla o el amortiguador. De este modo puede conseguirse en todo momento un comportamiento similar al de la figura (c) antes vista. Más concretamente, al acelerar se cierra el hidráulico del amortiguador trasero, tanto más cuanto mayor es la aceleración. De forma similar, en una frenada se cierra el hidráulico de la horquilla y al trazar una curva se cierran los hidráulicos de ambas suspensiones, siempre en función del aumento de masa equivalente sobre cada suspensión. El resultado es un mayor confort de marcha en línea recta a velocidad constante, junto con un comportamiento muy efectivo al acelerar, frenar o trazar una curva. Estas suspensiones semiactivas siempre van acompañadas de una centralita electrónica con acelerómetros para medir la aceleración en varios ejes (direcciones) y la inclinación de la moto. La centralita también lleva entradas para conectar sensores de posición de la horquilla y de inclinación del basculante. Esta centralita calcula y ajusta el coeficiente de fricción viscosa más adecuado en cada momento.

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