UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRIDESCUELA POLITCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA PROYECTO FIN DE CARRERAINGENIERIA TCNICA INDUSTRIAL: MECNICA OPTIMIZACIN DEL MODELO BOUC-WEN DE UN AMORTIGUADOR MAGNETO-REOLGICO MEDIANTE ALGORITMOS GENTICOS AUTOR:D. DIEGO OVIEDO GUTIRREZTUTOR:Dra. BEATRIZ LPEZ BOADA Dra. M JESS LPEZ BOADA Abril 2010 1. INTRODUCCIN ...................................................................................................... 7 1.1. Objetivos ............................................................................................................... 7 1.2. Organizacin del proyecto .................................................................................. 7 2. LA SUSPENSIN .................................................................................................... 10 2.1. El pasado ............................................................................................................ 11 2.2. El presente .......................................................................................................... 13 2.2.1 Caractersticas que debe reunir la suspensin ............................................. 13 2.2.2 Influencia de la carga en la suspensin ........................................................ 14 2.2.3 Efectos de un elemento de flexibilidad variable ............................................ 14 2.3. Componentes de la suspensin ......................................................................... 15 2.3.1 Elementos de suspensin simples .................................................................. 15 2.3.2 Barras estabilizadoras ................................................................................... 18 2.3.3 Silentblocks y cojinetes elsticos ................................................................... 19 2.3.4 Rtulas ........................................................................................................... 19 2.3.5 Mangueta y buje ............................................................................................ 20 2.3.6 Trapecios o brazos de suspensin ................................................................. 20 2.3.7 Tirantes de suspensin .................................................................................. 21 2.3.8 Topes de suspensin ...................................................................................... 21 2.3.9 Amortiguadores ............................................................................................. 21 2.4. Tipos de suspensin mecnica .......................................................................... 22 2.4.1 Suspensiones rgidas ..................................................................................... 22 2.4.2 Suspensin semi-rgida .................................................................................. 24 2.4.3 Suspensin independiente .............................................................................. 25 2.5. Suspensiones regulables o pilotadas ................................................................. 31 2.5.1 Suspensiones activa ....................................................................................... 32 2.5.2 Suspensiones semiactivas .............................................................................. 33 3. EL AMORTIGUADOR ........................................................................................... 36 3.1 Funcin de los amortiguadores ......................................................................... 36 3.2. Descripcin del funcionamiento y partes del amortiguador .......................... 37 3.2.1. Tipos de amortiguadores .............................................................................. 38 3.3. Amortiguadores magneto-reolgicos ............................................................... 47 4. MATERIALES INTELIGENTES .......................................................................... 51 4.1 Materiales con memoria de forma .................................................................... 52 4.1.1 Materiales electro y magneto-activos ............................................................ 54 4.1.2 Materiales foto y cromo-activos. ................................................................... 54 4.1.3 Fluidos electro-reolgicos y fluidos magneto-reolgicos ............................. 55 4.2 Fluidos reolgicos ............................................................................................... 56 4.3 Fluidos magneto-reolgicos ............................................................................... 58 4.4 Aplicaciones de los fluidos magneto-reolgicos ............................................... 59 4.4.1 Suspensin de los asientos para vehculos de trabajo pesado. ..................... 59 4.4.2 Amortiguadores de vibracin ........................................................................ 60 4.4.3 Control de vibracin ssmica en estructuras ................................................. 60 4.4.4 Prtesis mdicas ............................................................................................ 61 4.5 Amortiguacin por fluidos magneto-reolgicos en vehculos ......................... 62 4.5.1 Beneficios ...................................................................................................... 63 5. MODELADO DE UN AMORTIGUADOR MAGNETO-REOLGICO ........... 65 5.1 Modelos de Bouc-Wen ........................................................................................ 66 6. ALGORITMOS GENTICOS ............................................................................... 70 6.1 El Algoritmo Gentico Simple ........................................................................... 71 6.1.1 Codificacin .................................................................................................. 72 6.2 Extensiones y Modificaciones del AGS ............................................................. 72 6.2.1 Poblacin ....................................................................................................... 72 6.2.2 Funcin objetivo ............................................................................................ 73 6.2.3 Seleccin ........................................................................................................ 75 6.2.4 Cruce ............................................................................................................. 77 6.2.5 Mutacin ........................................................................................................ 80 6.2.6 Reduccin ...................................................................................................... 82 6.2.7 Algoritmos Genticos Paralelos .................................................................... 83 6.2.8 Evaluacin de Algoritmos Genticos ............................................................ 84 7. RESULTADOS EXPERIMENTALES .................................................................. 87 8. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS ........................................... 101 8.1. Conclusiones ..................................................................................................... 101 8.2. Desarrollos futuros .......................................................................................... 101 9. ANEXO .................................................................................................................... 103 10. BIBLIOGRAFA .................................................................................................. 106 1Introduccin INTRODUCCIN 7 1. INTRODUCCIN El sistema de suspensin constituye una de las partes ms importantes de un vehculo en cuantoaseguridadyconfortserefiere.Lasfuncionesprincipalesdeunsistemade suspensinsonladeabsorberlasirregularidadesdelterrenoylademantenerel contacto del neumtico con la calzada evitando, con ello, la prdida de adherencia. Hoy en da se estn realizando numerosas investigaciones para mejorar la respuesta del sistemadesuspensinmediantelaincorporacindeelementosquepuedenvariarsus propiedadesdeamortiguacinoderigidez(suspensionessemiactivas)odeactuadores que introducen una fuerza al sistema (suspensiones activas). Dentro del primer grupo de suspensiones estn cobrando cada vez ms importancia los amortiguadores magneto-reolgicos debido a su gran rapidez de respuesta, del orden de milisegundos.Estetipodeamortiguadoreselprincipalobjetivodeestudioeneste Proyecto Fin de Carrera. 1.1. Objetivos Losprincipalesobjetivosquesepretendenconseguirenelpresenteproyectofinde carrera son los siguientes: Caracterizarelcomportamientodinmicodeunamortiguadormagneto-reolgico. Ajustarunosparmetrosaunmodeloquepermitasimularelcomportamiento dinmico del mismo. 1.2. Organizacin del proyecto Elcontenidodelproyectofindecarreraseencuentradistribuidoen9captulos,el primero de los cuales est formado por la presente introduccin. Elcaptulo2presentaelsistemadesuspensin,dondesemuestransusfuncionesy requisitos, as como los tipos existentes. Enelcaptulo3semuestraelamortiguador,dondesedescribesuprincipiode funcionamiento bsico, as como los distintos tipos de amortiguadores existentes. Elcaptulo4muestraelamortiguadormagneto-reolgico,ascomolosmaterialesque loconforman,materialesinteligentes,entrelosqueseencuentranlosfluidos reolgicos, destacando los fluidos magneto-reolgicos. Por otro lado, tambin se trata la amortiguacinporfluidosmagneto-reolgicos,ascomosusaplicaciones fundamentales. INTRODUCCIN 8 Enelcaptulo5sedescribenlosdiferentesmodelospropuestosparacaracterizarel comportamiento de un amortiguador magneto-reolgico, dedicando especial atencin al modelo de Bouc-Wen. El captulo 6 presenta la tcnica de Algoritmos Genticos (AGs), que se emplearn para resolver el problema de optimizacin que se plantea en el presente proyecto. Elcaptulo7muestralosresultadosexperimentalesobtenidosapartirdelosensayos realizados. Por otro lado, las principales conclusiones que han sido obtenidas a partir de dichosresultadosexperimentalessemostraranenelcaptulo8,ascomolasfuturas lneas de desarrollo. 2La Suspensin LA SUSPENSIN 10 2. LA SUSPENSIN Sellamasuspensinalconjuntodeelementoselsticosqueseinterponenentrelos rganossuspendidos(bastidor,carrocera,pasajerosycarga)ylosrganosno suspendidos(ruedasyejes)deunvehculo[1].Enlafigura2.1semuestrala disposicin del conjunto de la suspensin en un Renault Laguna. Lasuspensindeunvehculotienecomocometidoabsorberlasdesigualdadesdel terrenosobreelquesedesplaza,alavezquemantenerlasruedasencontactoconel pavimento,proporcionandounadecuadoniveldeconfortyseguridaddemarcha.Se puede decir que sus funciones bsicas son las siguientes: Reduccin de fuerzas causadas por irregularidades del terreno. Control de direccin del vehculo. Mantenimiento de la adherencia de los neumticos a la carretera. Mantenimiento de la correcta alineacin de la ruedas. Soporte de la carga del vehculo. Mantenimiento de la altura ptima del vehculo. Figura 2.1Disposicin del conjunto de la suspensin del Renault Laguna LA SUSPENSIN 11 El peso del vehculo se descompone en dos masas denominadas: Masasuspendida:laintegradaportodosloselementoscuyopesoessoportado por el bastidoro chasis (carrocera, motor, etc.). Masanosuspendida:constituidaporelrestodeloscomponentes(sistemasde freno, llantas, etc.). El enlace entre ambas masas es materializado por el sistema de suspensin. Este sistema estcompuestoporunelementoelstico(quebienpuedeserunaballesta,muelle helicoidal,barradetorsin,estabilizador,muelledegoma,gasaire,etc.)yotrode amortiguacin,cuyamisinesneutralizarlasoscilacionesdelamasasuspendida originadasporelelementoelsticoaladaptarsealasirregularidadesdelterreno transformando la energa que almacena el resorte en calor. Elcomportamientodeunvehculovienedeterminadoengranmedidaporeltipode suspensinquelleve,asporejemplo,esposiblevariarlacaractersticadelcoche, subvirador o sobrevirador, como se muestra en la figura 2.2. a)b) Figura 2.2.Comportamiento lateral de un vehculo. a) Sobrevirador. b) Subvirador. Quedaclaropues,quelosamortiguadoresrepresentanunodeloscomponentesde mayor importancia en los vehculos. Es por ello que se pasa a detallar de forma concisa laevolucinqueestoshansufridoalolargodesuhistoria,yasimismodescribirlos tipos ms comunes. 2.1. El pasado LosprimitivosautomvilesdefinalesdelsigloXIXeranbsicamentecarruajesde caballosconmotor.Dehechohasta1898lasprimerassuspensioneseransimples ballestas(figura2.3),queaunabancualidadeselsticasconciertopoderamortiguante, como la de los coches de caballo. Las velocidades que alcanzaban eran muy reducidas y apenasnecesitabansuspensin.Segnfueronincrementndoselasprestacionessefue LA SUSPENSIN 12 haciendo patente la exigencia de dotarlos de confort y manejabilidad [2]. Enseguida se vi la necesidad de amortiguar el movimiento oscilatorio que creaban las ballestas. As, entre1898y1899ybasndoseenuninventoparalasbicicletas,losfabricantes empiezanainstalarlosprimerosamortiguadoresqueconsistanendossimplesbrazos unidos mediante un tornillo con un disco de friccin entre ellos como se muestra en la figura2.4.Laresistenciaseajustabaapretandooaflojandoeltornillo.Comoesde esperar,estosamortiguadoresnoeranmuyduraderos,ysufuncionamientodejaba bastante que desear [3]. Figura 2.3.Ballesta primitiva. Figura 2.4Amortiguador de friccin. Entrelosinconvenientesquepresentabanlosamortiguadoresdefriccinfrentealos actuales amortiguadores hidrulicos se encuentran los siguientes: En tanto no se supera la fuerza de friccin, la suspensin permanece bloqueada, y el vehculo queda sin suspensin. Unavezsuperadadichafuerzadefriccin,lafuerzaamortiguadoradisminuye en vez de aumentar con la velocidad, como sera deseable. Su comportamiento se altera con el desgaste. Es necesario reponer las piezas desgastadas peridicamente. LA SUSPENSIN 13 2.2. El presente La necesidad de una continua mejora en las prestaciones de los sistemas de suspensin enlosvehculoshahechoqueestosevolucionenhastaelpuntodellegarala especializacin.Dependiendodelafinalidaddelvehculoseleaplicandiferentes suspensiones.Comoejemplosetieneladiferenciaentrevehculostodoterrenoy vehculosdecompeticin,dondelanecesidaddeadaptacindelosprimerosalsuelo hace que se monten suspensiones blandas con gran recorrido, mientras que en el caso de loscochesdecompeticin,contandoconunfirmeuniforme,seutilizansuspensiones muy rgidas con poco recorrido [4]. Independientementedeltipodesuspensinautilizar,dichosistemasiemprepresenta dosfactoresencomn,elconfortylaseguridad,temasquesetratarncon posterioridad. 2.2.1 Caractersticas que debe reunir la suspensin Como los elementos de suspensin han de soportar todo el peso del vehculo, deben ser losuficientementefuertesparaquelascargasqueactansobreellosnoproduzcan deformaciones permanentes [5]. Asuvez,debensermuyelsticos,parapermitirquelasruedasseadapten continuamente al terreno sin separarse de l. Esta elasticidad en los elementos de unin produce una serie de oscilaciones de intensidad decreciente que no cesan hasta que se ha devueltolaenergaabsorbida,loquecoincideconlaposicindeequilibriodelos elementosencuestin;dichasoscilacionesdebenseramortiguadashastaunnivel razonable que no ocasione molestias a los usuarios del vehculo. Laexperienciademuestraqueelmargendecomodidadparaunapersonaesde1a2 oscilaciones por segundo; una cifra superior excita el sistema nervioso, aunque tampoco conviene bajar el valor mnimo porque se favorece el mareo. Comosepuedeverenlafigura2.5,unmuelleblandotienegranrecorridoypequeo nmerodeoscilacionesbajolacarga,mientrasqueunmuelledurotienemenor recorrido y mayor nmero de oscilaciones. Este mismo efecto se manifiesta al variar la carga que gravita sobre el muelle. LA SUSPENSIN 14 Figura 2.5Influencia de la dureza del muelle en las oscilaciones. 2.2.2 Influencia de la carga en la suspensin Sienlosvehculoslascargasfueranconstantesresultarafciladaptarunasuspensin ideal, pero como esto no se da en ningn caso (al ser la carga variable, especialmente en vehculosdetransporte)loselementoselsticosdebencalcularseparaqueaguantenel peso mximo sin prdida de elasticidad. Enestascondicionesesimposibleobtenerunasuspensinidealyaque,sisecalcula paraunpesomnimo,lasuspensinresultablandaenexcesocuandoelpesodel vehculoaumenta;sisecalculaparaelpesomximo,entoncesresultaduracuandoel vehculo marcha en vaco o con poca carga. 2.2.3 Efectos de un elemento de flexibilidad variable Se ha visto que las oscilaciones de la suspensin aumentan y disminuyen en funcin de lacargayelgradodedurezadelosmuelles.Portanto,sisemantienelaoscilacin constante, se conseguir una suspensin que se acerca a la ideal. Paraellosetienequecolocarunelementodeunincuyaflexibilidadseavariable,de modo que, al aumentar la carga, aumente asimismo su rigidez para mantener constante la deformacin. Estoesmuydifcildeconseguirconresortesmetlicos;portanto,lassuspensiones basadasenestetipodeelementos(ballestas,muelles,barrasdetorsin,etc.)necesitan llevar acoplado un sistema amortiguador de oscilaciones que recoja la energa mecnica producida y evite su transmisin a la carrocera. Enlassuspensionesneumticasohidroneumticasseconsiguelaflexibilidadvariable aumentandoodisminuyendolapresininternaensuselementos,comoseveral estudiar estos sistemas. LA SUSPENSIN 15 2.3. Componentes de la suspensin El sistema de suspensin est compuesto por un elemento flexible o elstico (muelle de ballestaohelicoidal,barradetorsin,muelledegoma,gasoaire)yunelementode amortiguacin(amortiguador),cuyamisinesneutralizarlasoscilacionesdelamasa suspendidaoriginadasporelelementoflexiblealadaptarsealasirregularidadesdel terreno [5], [6], [7]. 2.3.1 Elementos de suspensin simples En las suspensiones simples se utilizan como elementos de unin unos resortes de acero elstico en forma de ballesta, muelle helicoidal o barras de torsin. Estoselementos,comotodoslosmuelles,tienenexcelentespropiedadeselsticaspero pocacapacidaddeabsorcindeenergamecnica,porloquenopuedensermontados solosenlasuspensin;necesitanelmontajedeunelementoquefrenelasoscilaciones producidasensudeformacin.Debidoaesto,losresortessemontansiempreconun amortiguador de doble efecto que frene tanto su compresin como expansin. 2.3.1.1 Ballestas Las ballestas estn constituidas (figura 2.6) por un conjunto de hojas o lminas de acero especialparamuelles,unidasmedianteunasabrazaderas(2)quepermitenel deslizamientoentrelashojascuandoestassedeformanporelpesoquesoportan.La hoja superior (1), llamada hoja maestra, va curvada en sus extremos formando unos ojos en los que se montan unos casquillos de bronce (3) para su acoplamiento al soporte del bastidor por medio de unos pernos o bulones. Figura 2.6Ballesta. El nmero de hojas y el espesor de las mismas estn en funcin de la carga que han de soportar. Funcionan como los muelles de suspensin, haciendo de enlace entre el eje de las ruedas y el bastidor. LA SUSPENSIN 16 Enalgunosvehculos,sobretodoencamiones,ademsdeservirdeelementosde empuje, absorben con su deformacin longitudinal la reaccin en la propulsin. 2.3.1.2 Muelles helicoidales Los muelles helicoidales mecnicos (figura 2.7) se utilizan modernamente en casi todos losturismosensustitucindelasballestas,puestienenlaventajadeconseguiruna elasticidadblandadebidoalgranrecorridodelresortesinapenasocuparespacioni sumar peso. Figura 2.7Muelles helicoidales. Estos muelles consisten en un arrollamiento helicoidal de acero elstico formado por un hilo de dimetro variable (de 10 a 15 mm). Este dimetro vara en funcin de la carga quetienenquesoportar.Lasltimasespirassonplanasparafacilitarelasientodel muelle sobre sus bases de apoyo. 2.3.1.2.1 Caractersticas Los muelles helicoidales no pueden transmitir esfuerzos laterales, y requieren, por tanto, en su montaje bielas de empuje lateral y transversal para la absorcin de las reacciones de la rueda. Trabajan a torsin, retorcindose proporcionalmente al esfuerzo que tienen que soportar, acortando su longitud y volviendo a su posicin de reposo cuando cesa el efecto que produce la deformacin. Laflexibilidaddelosmuellesestenfuncindelnmerodeespiras,deldimetrodel resorte,delpasoentreespiras,delespesorodimetrodelhilo,ydelascaractersticas del material. Se puede conseguir muelles con una flexibilidad progresiva por medio de muelleshelicoidalescnicos(figura2.8),demuellesconpasoentreespirasvariableo disponiendo de muelles adicionales. LA SUSPENSIN 17 Figura 2.8Tipos de muelles. Enlafigura2.9puedeapreciarsedeformagrficalastresposicionesdelmuelle:sin montar, montado en el vehculo y el muelle bajo la accin de la carga. Figura 2.9Posiciones del muelle. Lasespirasdeunmuellehelicoidalnodeben,ensufuncinelstica,hacercontacto entresusespiras;esdecir,queladeformacintienequesermenorqueelpasodel muelleporelnmerodeespiras.Deocurrirlocontrario,cesaelefectodelmuelley entonceslassacudidasporlamarchadelvehculosetransmitendeformadirectaal chasis. 2.3.1.3 Barra de torsin Labarradetorsinesutilizadaenalgunosturismosconsuspensinindependiente.Su funcionamientoestbasadoenelprincipiodequesiaunavarilladeaceroelstico sujeta por uno de sus extremos se le aplica por el otro un esfuerzo de torsin, esta varilla tenderaretorcerse,volviendoasuformaprimitivaporsuelasticidadcuandocesael esfuerzo de torsin, como se muestra en la figura 2.10. LA SUSPENSIN 18 Figura 2.10Barra de torsin. Elmontajedeestasbarrassobreelvehculoserealizafijandounodesusextremosal chasis o carrocera, de forma que no pueda girar en su soporte, y en el otro extremo se colocaunapalancasolidariaalabarraunidaensuextremolibrealejedelarueda. Cuandoestasubeobajaporefectodelasdesigualdadesdelterreno,seproduceenla barraunesfuerzodetorsincuyadeformacinelsticapermiteelmovimientodela rueda. Las barras de torsin se pueden disponer paralelamente al eje longitudinal del bastidor o tambin transversalmente a lo largo del bastidor. En vehculos con motor y traccin delanteros, se montan una disposicin mixta con las barrasdetorsinsituadaslongitudinalmenteparalasuspensindelanteray transversalmente para la suspensin trasera. 2.3.2 Barras estabilizadoras Cuandounvehculotomaunacurva,porlaaccindelafuerzacentrfugasecargael pesodelcochesobrelasruedasexteriores,conloquelacarroceratiendeainclinarse hacia ese lado con peligro de vuelco y la correspondiente molestia para sus ocupantes. Para evitar estos inconvenientes se montan sobre los ejes delantero y trasero las barras estabilizadores (figura 2.11), que consisten esencialmente en una barra de acero elstico cuyosextremossefijanalossoportesdesuspensindelasruedas.Deestaforma,al tomar una curva, como una de las ruedas tiende a bajar y la otra a subir, se crea un par detorsinenlabarraqueabsorbeelesfuerzoyseoponeaqueestoocurra,eimpide, por tanto, que la carrocera se incline a un lado, mantenindola estable. El mismo efecto se produce cuando una de las ruedas encuentra un bache u obstculo, creando, al bajar o subir la rueda, un par de torsin en la barra que hace que la carrocera se mantenga en posicinhorizontal.Encasodecircularenlnearectayencondicionesnormales,la accin de la barra es nula. LA SUSPENSIN 19 Figura 2.11Montaje barra estabilizadora. 2.3.3 Silentblocks y cojinetes elsticos Lossilentblocksyloscojineteselsticossonaislantesdecauchouotromaterial elastmero que se encargan de amortiguar las reacciones en los apoyos de la suspensin. Sumisinesamortiguarlosgolpesexistentesentredoselementosenlosqueexiste movimiento.Suelenmontarseapresinoatornillados.Susustitucindeberealizarse cuando el caucho est deteriorado o existe holgura en la unin. Loscojineteselsticossonelementosdecauchoquepermitenlaunindelos componentes de la suspensin facilitando un pequeo desplazamiento. Su montaje suele realizarse mediante bridas o casquillos elsticos. Estos cojinetes son muy utilizados para el montaje de las barras estabilizadoras. 2.3.4 Rtulas Las rtulas, figura 2.12, constituyen un elemento de unin y fijacin de la suspensin y deladireccin,quepermitesupivotamientoygiromanteniendolageometradelas ruedas. Figura 2.12Rtula. LA SUSPENSIN 20 La fijacin de las rtulas se realiza mediante tornillos o roscados exteriores o interiores. Su sustitucin debe realizarse si existe en estas algn dao como por ejemplo, si estn deformadas a causa de algn golpe, o cuando existen holguras. 2.3.5 Mangueta y buje La mangueta de la suspensin es una pieza fabricada con acero o aleaciones que une el bujedelaruedaylaruedaaloselementosdelasuspensin,tirantes,trapecios, amortiguador, etc. La manguetasediseateniendo en cuenta las caractersticas geomtricas del vehculo. En el interior del buje se montan los rodamientos o cojinetes que garantizan el giro de la rueda. 2.3.6 Trapecios o brazos de suspensin Los brazos de suspensin son brazos articulados fabricados en fundicin o en chapa de acero embutida que soportan al vehculo a travs de la suspensin. Unen la mangueta y subujemedianteelementoselsticos(silentblocks)yelementosdeguiado(rtulas)al vehculo,comosemuestraenlafigura2.13,soportandolosesfuerzosgeneradospor ste en su funcionamiento. Figura 2.13Montaje trapecios superior e inferior. LA SUSPENSIN 21 2.3.7 Tirantes de suspensin Lostirantesdesuspensinsonbrazosdeacerolongitudinalesotransversalessituados entrelacarroceraylamanguetaotrapecioquesirvencomosujecindeestosy facilitansuguiado.Absorbenlosdesplazamientosyesfuerzosdeloselementosdela suspensin a travs de los silentblocks o cojinetes elsticos montados en sus extremos. 2.3.8 Topes de suspensin Lostopesdesuspensinpuedenserelsticososemi-rgidosenformadetacooen formadecasquillo.Sufuncinesservirdetopeparaelconjuntodelasuspensin,de manera que en una compresin excesiva esta no se detiene. El montaje de este elemento esmuydiversodependiendodelaformadeltaco.Porejemplo,enlassuspensiones McPhersonsemontaenelinteriordelvstagodelamortiguador,mientrasqueenlas suspensiones por ballesta se suele montar anclado en la carrocera. 2.3.9 Amortiguadores Losamortiguadoressonlosencargadosdeabsorberlasvibracionesdeloselementos elsticos(muelles,ballestas,barrasdetorsin),convirtiendoencalorlaenerga generadaporlasoscilaciones.Enlafigura2.14puedeverseunejemplode amortiguador. Figura 2.14Amortiguador. Cuandolaruedaencuentraunobstculoobache,elmuellesecomprimeoseestira, recogiendolaenergamecnicaproducidaporelchoque,energaquedevuelvea continuacin, por efecto de su elasticidad, rebotando sobre la carrocera. Este rebote en formadevibracineselquetienequefrenarelamortiguador,recogiendo,enprimer lugar, el efecto de compresin y luego el de reaccin del muelle, actuando de freno en ambos sentidos; por esta razn reciben el nombre de amortiguadores de doble efecto. LA SUSPENSIN 22 Losamortiguadorespuedenserfijosyregulables,losprimerostienensiemprela mismadurezaylossegundospuedenvariarladentrodeunosmrgenes.Enlosms modernos modelos este reglaje se puede hacer incluso desde el interior del vehculo. 2.4. Tipos de suspensin mecnica Segneltipodeelementosempleadosylaformadelmontajedelosmismos,existen variossistemasdesuspensin,todosellosbasadosenelmismoprincipiode funcionamiento.Constandeunsistemaelstico,amortiguacinybarraestabilizadora independientes para cada uno de los ejes del vehculo [5], [8]. Actualmente existen distintas disposiciones de suspensin cuyo uso depende del tipo de comportamientoquesebuscaenelvehculo:mayoresprestaciones,mscomodidad, sencillez y economa. Las suspensiones mecnicas se pueden clasificar en tres grupos: rgidas, semi-rgidas e independientes. 2.4.1 Suspensiones rgidas Lassuspensionesrgidasestnformadasporunejergidoencuyosextremosse montanlasruedas.Comoconsecuenciadeello,todoelmovimientoqueafectaauna ruedasetransmitealaotradelmismoeje.Enlafigura2.15sepuedevercomoal elevarse una rueda, se extiende su inclinacin al eje y de este a la otra rueda. Como el ejevafijadodirectamentesobreelbastidor,lainclinacinsetransmiteatodoel vehculo. Figura 2.15Suspensin rgida. Este montaje es muy resistente y econmico de fabricar, pero tiene la desventaja de ser pococmodoparalospasajerosyunamenorseguridad.Elprincipalusodeesta disposicindesuspensinserealizasobretodoenvehculosindustriales,autobuses, camiones y vehculos todoterreno. LA SUSPENSIN 23 En la figura 2.16 se muestra un modelo de eje rgido actuando de eje propulsor. En estos casoselejeestconstituidoporunacajaquecontieneelmecanismodiferencial(1)y por los tubos (3) que contienen los palieres. El eje rgido en este caso se apoya contra el bastidormedianteballestas(2)quehacendeelementoelsticotransmitiendolas oscilaciones. Completan el conjunto los amortiguadores (4). Adems para estabilizar el eje y generar un nico centro de balanceo de la suspensin, se aade una barra transversal que une el eje con el bastidor. A esta barra se le conoce conelnombredebarraPanhard,quesemuestraenlafigura2.17.Tantolasbarras longitudinalescomolabarraPanharddisponedearticulacioneselsticasquelasunen con el eje y la carrocera. Figura 2.16Suspensin rgida para eje trasero propulsor. Figura 2.17Barra Panhard, incorporada en un vehculo todoterreno. LA SUSPENSIN 24 2.4.2 Suspensin semi-rgida Lassuspensionessemi-rgidassonmuyparecidasalasanteriores.Sudiferencia principal es que las ruedas estn unidas entre s como en el eje rgido pero transmitiendo de una forma parcial las oscilaciones que reciben de las irregularidades del terreno. En cualquiercasoaunquelasuspensinnoesrgidatotaltampocoesindependiente.La funcin motriz se separa de la funcin de suspensin y de guiado. En la figura 2.18 se muestra una suspensin de este tipo. Se trata de una suspensin con eje De Dion. En ella las ruedas van unidas mediante soportes articulados (1) al grupo diferencial (2), que en la suspensin con eje De Dion es parte de la masa suspendida, es decir, va anclado al bastidor del automvil. Bajo este aspecto se transmite el giro a las ruedasatravsdedossemiejes(palieres)comoenlassuspensionesindependientes.A su vez ambas ruedas estn unidas entre s mediante una traviesa o tubo De Dion (3) que lasancladeformargidapermitiendoalasuspensindeslizamientoslongitudinales. Estesistematienelaventaja,frentealejergido,quesedisminuyelamasano suspendidadebidoalpocopesodelatraviesadelejeDeDionyalanclajedelgrupo diferencial al bastidor y mantiene los parmetros de la rueda prcticamente constantes, comolosejesrgidosgraciasalanclajergidodelatraviesa.Lasuspensinposee ademselementoselsticosdetipomuellehelicoidal(4)ysueleiracompaadade brazos longitudinales que limitan los desplazamientos longitudinales. Figura 2.18Esquema suspensin De Dion. Enlaactualidad,haypocoscochesqueincorporanestasuspensindebidoaquesu coste es elevado. Alfa Romeo es uno de los fabricantes que incorpor este sistema, ms enconcretoenelmodelo75.EnlaactualidadloincorporanvehculoscomoelHonda HR-V y el Smart City Coupe. LA SUSPENSIN 25 2.4.3 Suspensin independiente El sistema de suspensin independiente tiene un montaje elstico independiente que no estunidoaotrasruedas,comosemuestraenlafigura2.19.Adiferenciadelsistema rgido,elmovimientodeunaruedanosetransmitealaotraylacarroceraresulta menos afectada. Figura 2.19Suspensin independiente. Actualmente, la suspensin independiente a las cuatro ruedas se va utilizando cada vez msdebidoaqueeslamsptimadesdeelpuntodevistadeconfortyestabilidadal reducirdeformaindependientelasoscilacionesgeneradasporelpavimentosin transmitirlasdeunaruedaaotradelmismoeje.Laprincipalventajaaadidadela suspensinindependienteesqueposeemenorpesonosuspendidoqueotrostiposde suspensinporloquelasaccionestransmitidasalchasissondemenormagnitud.El diseo de este tipo de suspensin debe garantizar que las variaciones de cada de rueda y ancho de ruedas en las ruedas directrices tienen que ser pequeas para conseguir una direccinseguradelvehculo.Porelcontrario,paracargaselevadasestasuspensin puedepresentarproblemas.Actualmenteestetipodesuspensineselnicoquese utiliza para las ruedas directrices. Elnmerodemodelosdesuspensinindependienteesmuyamplioyademsposee numerosas variantes. Los principales tipos de suspensin de tipo independiente son: Suspensin de eje oscilante. Suspensin de brazos tirados. Suspensin McPherson. Suspensin de paralelogramo deformable. Suspensin multibrazo (multilink). 2.4.3.1 Suspensin de semieje oscilante La peculiaridad de este sistema, que se muestra en la figura 2.20, es que el elemento de rodadura (1) y el semieje (2) son solidarios (salvo el giro de la rueda), de forma que el conjuntooscilaalrededordeunaarticulacin(3)prximaalplanomediolongitudinal del vehculo. Este tipo de suspensin no se puede usar como eje directriz puesto que en LA SUSPENSIN 26 el movimiento oscilatorio de los semiejes se altera notablemente la cada de las ruedas enlascurvas.Completanelsistemadesuspensindosconjuntosmuelle-amortiguador telescpico (4). Figura 2.20Esquema de una suspensin de eje oscilante. Una variante de este sistema es el realizado mediante un eje oscilante pero de una sola articulacin, mostrado en la figura 2.21. Esta suspensin es utilizada por Mercedes Benz ensusmodelos220y300.Laventajaquepresentaesqueelpivotedegiro(1)esta menor altura que en el eje oscilante de las dos articulaciones. El mecanismo diferencial (2) oscila con uno de los palieres (3) mientras que el otro (4) se mueve a travs de una articulacin(6)quepermiteasuvezundesplazamientodetipoaxialenelrbolde transmisin. El sistema tambin cuenta con dos conjuntos muelle-amortiguador (7). Figura 2.21Esquema de eje oscilante y compensado. 2.4.3.2 Suspensin de brazos tirados o arrastrados Lasuspensindebrazostriadosoarrastradossecaracterizaportenerdoselementos soporteobrazosendisposicinlongitudinalquevanunidosporunextremoal LA SUSPENSIN 27 bastidoryporelotroalamanguetadelarueda.Sielejeesdetraccin,elgrupo diferencial va anclado al bastidor. En cualquier caso las ruedas son tiradas o arrastradas por los brazos longitudinales que pivotan en el anclaje de la carrocera. Estesistemadesuspensinhadadoungrannmerodevariantescuyasdiferencias estribanfundamentalmenteenculeselejedegirodelbrazotiradoenelanclajeal bastidor y cul es el elemento elstico que utiliza. En la figura 2.22 se muestra cmo los brazos tirados pueden pivotar de formas distintas: enlafiguradeladerechalosbrazoslongitudinalespivotansobreunejedegiro perpendicularalplanolongitudinaldelvehculo.Estetipodesuspensinapenas producevariacionesdeva,cadaoavancedelarueda.Enlafiguradelaizquierda pivotan los brazos sobre ejes que tienen componentes longitudinales, es decir, sobre ejes oblicuos al plano longitudinal del vehculo. A esta ltima variante tambin se la conoce comobrazossemi-arrastradosytienelaventajadequenoprecisaestabilizadores longitudinales debido a la componente longitudinal que tiene el propio brazo o soporte. Aqulasvariacionesdecadaydevadependendelaposicineinclinacindelos brazos longitudinales, por lo tanto, permite que se vare durante la marcha la cada y el avance de las ruedas con lo que se mejora la estabilidad del vehculo. En cuanto al tipo de elementos elsticos que se utilizan en estas suspensiones, se encuentran las barras de torsin y los muelles. Figura 2.22Sistema de brazo semi-arrastrado (derecha) y sistema de brazo arrastrado (izquierda). 2.4.3.3 Suspensin McPherson LasuspensinMcPhersonesunodelossistemasmsutilizadoseneltrendelantero aunquesepuedemontarigualmenteeneltrasero.Estesistemahatenidomuchoxito, sobre todo en vehculos ms modestos, por su sencillez de fabricacin y mantenimiento, elcostedeproduccinyelpocoespacioqueocupa.Enlafigura2.23semuestraun esquema de la suspensin McPherson. LA SUSPENSIN 28 Figura 2.23Esquema de un sistema de suspensin McPherson. Con esta suspensin es imprescindible que la carrocera sea ms resistente en los puntos dondesefijanlosamortiguadoresymuelles,conobjetodeabsorberlosesfuerzos transmitidos por la suspensin. LasuspensintipoMcPhersonformaunmecanismodetipotringuloarticulado formadoporelbrazoinferior,elconjuntomuelle-amortiguadoryelpropiochasis.El lado del tringulo que corresponde al muelle-amortiguador es de compresin libre por lo queslotieneunnicogradodelibertad:latraccinocompresindeloselementos elsticosyamortiguador.Altransmitirseatravsdelmuelle-amortiguadortodoslos esfuerzos al chasis, es necesario un dimensionado ms rgido de la carrocera en la zona de apoyo de la placa de fijacin. Como elementos complementarios a esta suspensin se encuentra la barra estabilizadora unidaalbrazoinferiormedianteunabieletayalbastidormedianteuncasquillo,yen este caso un tirante de avance. 2.4.3.4 Falsa McPherson Actualmenteexistenmltiplesvariantesencuantoalasustitucindeltiranteinferior quepuedeserrealizadaporuntringuloinferior,doblebieletatransversalcontirante longitudinal,etc.Aestosltimossistemastambinseleshadenominadofalsa McPherson,aunqueencualquiercasotodosellosutilizanelamortiguadorcomo elemento de gua y mantienen la estructura de tringulo articulado. LasuspensinclsicaMcPhersondisponedelabarraestabilizadoracomotirante longitudinal,mientrasquelasdenominadasfalsaMcPhersonyaabsorbenlos LA SUSPENSIN 29 esfuerzos longitudinales con la propia disposicin del anclaje del elemento que sustituye al brazo inferior. 2.4.3.5 Suspensin de paralelogramo deformable La suspensin de paralelogramo deformable junto con la McPherson es la ms utilizada en un gran nmero de automviles tanto para el tren delantero como para el trasero. Esta suspensintambinsedenomina:suspensinportrapecioarticuladoysuspensinde tringulos superpuestos. En la figura 2.24 se muestra una suspensin convencional de paralelogramo deformable. Elparalelogramoestformadoporunbrazosuperior(2)yotroinferior(1)queestn unidos al chasis a travs de unos pivotes, cerrando el paralelogramo a un lado el propio chasis y al otro la propia mangueta (7) de la rueda. La mangueta est articulada con los brazosmediantertulasesfricas(4)quepermitenlaorientacindelarueda.Los elementoselsticosyamortiguadorcoaxiales(5)sondetiporesortehelicoidale hidrulicotelescpicorespectivamenteyestnunidosporsuparteinferioralbrazo inferioryporsupartesuperioralbastidor.Completanelsistemaunostopes(6)que evitan que el brazo inferior suba lo suficiente como para sobrepasar el lmite elstico del muelle y un estabilizador lateral (8) que va anclado al brazo inferior (1). Figura 2.24Suspensin de paralelogramo deformable. Con distintas longitudes de los brazos (1) y (2) se pueden conseguir distintas geometras desuspensindeformaquepuedevariarlaestabilidadyladireccinsegnseael diseo de estos tipos de suspensin. Laevolucindeestossistemasdesuspensindeparalelogramodeformablehallegado hasta las actuales suspensiones llamadas multibrazo o multilink. LA SUSPENSIN 30 2.4.3.6 Suspensiones Multibrazo o Multilink Las suspensiones multibrazo se basan en el mismo concepto bsico que sus precursoras, las suspensiones de paralelogramo deformable, es decir, el paralelogramo est formado por dos brazos transversales, la mangueta de la rueda y el propio bastidor. La diferencia fundamentalqueaportanestasnuevassuspensionesesqueloselementosguadela suspensinmultibrazopuedenteneranclajeselsticosmediantemanguitosdegoma. Graciasaestavariantelasmultibrazopermitenmodificartantolosparmetros fundamentales de la rueda, como la cada o la convergencia, de la forma ms apropiada de cara a la estabilidad en las distintas situaciones de uso del automvil. Esto significa quelasdinmicaslongitudinalytransversalpuedenconfigurarsedeformaprecisay prcticamenteindependienteentres,yquepuedealcanzarseungradomximode estabilidad direccional y confort. Aprincipiosdelosaosnoventasecomenzainstalarestossistemasmultibrazoen automviles de serie ya dando buenos resultados aunque haba reticencias para los ejes nomotores.Enlaactualidad,lasgrandesberlinasadoptanestesistemaenunodelos trenes o en ambos. Para que una suspensin se considere multibrazo debe estar formada al menos por tres brazos. Las suspensiones multibrazo se pueden clasificar en dos grupos fundamentales: Suspensionesmultibrazoconelementosdeguatransversalesuoblicuoscon funcionamiento similar al de las suspensiones de paralelogramo deformable. Suspensionesmultibrazoqueademsdisponendebrazosdegualongitudinal conunfuncionamientoquerecuerdaalossistemasdesuspensinderuedas tiradas por brazos longitudinales. En la figura 2.25 se muestra en la parte izquierda un sistema multibrazo delantero y en la derecha uno trasero de tipo paralelogramo deformable con tres brazos. La suspensin delanteraconstadeunbrazosuperior(1)quevaunidoaunamangueta(2)largay curvada mediante un buje de articulacin (A) y un brazo inferior transversal (3) que va unido a la mangueta por una rtula doble (B) y al bastidor por un casquillo (C) que asla delasvibraciones.Cierraelparalelogramodeformableelpropiobastidorcomoen cualquier suspensin de este tipo. Esta suspensin dispone adems de un tercer brazo (4) que hace de tirante longitudinal y queestunidoalbastidorymanguetadelamismaformaqueelbrazoinferior transversal(3).Lagranalturadelaprolongacindelamanguetaconsigueuna disminucindeloscambiosdeconvergenciadelaruedayunngulodeavance negativo. LA SUSPENSIN 31 Figura 2.25Esquema de una suspensin multibrazo delantera (izquierda) y trasera (derecha). Lasuspensintraseraconstadeunbrazosuperior(1)conformadetringulocomola delantera,perodisponededosbrazostransversales,superior(2)einferior(3)yun tirantelongitudinalinferior(4).Lasarticulacionessonsimilaresalmodelode suspensin delantera. Ambossistemasposeencomoelementoselsticosmuelleshelicoidalesy amortiguadores telescpicos (5) y tambin barra estabilizadora. Se puede observar en la figura 2.25 que en la disposicin delantera el amortiguador va anclado a la barra inferior transversal (3) mediante una horquilla. 2.5. Suspensiones regulables o pilotadas Laeleccindetaradoenunasuspensinconvencionalopasiva(lasestudiadas anteriormente)suponeundifcilcompromisoentreelconfortylaestabilidaddel vehculo. En la figura 2.26 se muestra un esquema de la suspensin pasiva. Cuanto ms dura sea la suspensin, aumentar la estabilidad del vehculo pero disminuir el confort. Alcontrario,conunasuspensinblandaaumentarelconfortperodisminuirla estabilidad. Por esta razn, hay vehculos en los que por sus condiciones de utilizacin disponendetaradosblandosqueabsorbenalmximolasoscilacionesdelacarrocera debidasalasirregularidadesdelterrenoyencambiohayotrosqueporsuconduccin msdeportivaoptanportaradosdurosquedotanalvehculodeunamayorestabilidad sobre todo en curvas y altas velocidades [1]. LA SUSPENSIN 32 Figura 2.26Esquema de una suspensin pasiva. Lo ideal de una suspensin sera que se pueda adaptar a las condiciones del terreno o a las preferencias del conductor. Es por ello que actualmente estn apareciendo infinidad deposibilidadesderegulacin.As,laevolucindelossistemasdesuspensinparece quevaenlalneadelosllamadossistemasinteligentes.Dentrodeestossistemasse pueden encontrar suspensiones activas o semiactivas. 2.5.1 Suspensiones activa Lasuspensinactivasurgecomorespuestaalinherenteconflictoentrelafuerzaque ejerce la rueda contra el suelo y el confort del vehculo. Este tipo de suspensin ofrece unasolucintecnolgicamentemuyavanzada para conseguir solucionar este conflicto, consiguiendoademsgrandesnivelesdecontrol,maniobrabilidadyconfortenun ampliorangodefrecuencias.Laprincipaldesventajadelasuspensinactivaessu elevadocoste,principalmenteparaelcontrolsobrealtasfrecuencias,cuya implementacin resulta demasiado cara. Figura 2.27Esquema de las suspensiones activas. Lassuspensionesactivas,cuyoesquemasemuestraenlafigura2.27,constandeun actuadorhidrulico,oneumtico,quegenerafuerzasparacompensarelbalanceoy cabeceo del vehculo, mientras que un ordenador electrnico se encarga de monitorizar constantemente(graciasadiversossensores),elperfildelacarreterayenvaseales LA SUSPENSIN 33 elctricasalassuspensionesdelanteraytrasera.Aquserdondeloscomponentes hidrulicos, consistentes en bombas, actuadores y servovlvulas, actuarn manteniendo un nivel mximo de estabilidad. El tiempo de respuesta indica el ancho de banda. Si este abarca un rango de frecuencias dehasta35Hzelsistemadesuspensinsedenominadebajafrecuencia(Low Bandwith Systems), mientras que si el rango abarca frecuencias ms elevadas, hasta 10 12Hz,sedenominadealtafrecuencia(HighBandwithSystems).Lasuspensin activa puede controlar ambos rangos. Pero debido al coste que suponen y a la potencia queestosnecesitanparafuncionar(yquerobanalmotor,portanto)sereduceala competicin (como Frmula 1, hasta que fue prohibida en 1994). Un ejemplo comercial lo constituye la suspensin CATS (Computer Active Technology Suspension)instaladaenlosmodelosmsdeportivosdeJaguarcomoelXKRyelS-TypeR,queutilizatecnologaderegulacinelectrnicaadaptableparacambiardeun ajuste ms suave a un tarado ms firme dependiendo de la carretera y de las condiciones dinmicas de conduccin. Puede variar la dureza del amortiguador en dos posiciones, de formaautomticaomanual.Locuriosoesque,enmodoautomtico,lavariacinde dureza no es necesariamente simultnea en los cuatro amortiguadores. El sistema puede elegirquamortiguadoresendureceantes,paraaumentarodisminuirelefectode guiada. 2.5.2 Suspensiones semiactivas Lasuspensinsemiactivafuepropuestaenladcadadelos70parasolucionarlos problemasdesobrecostequepresentabanlassuspensionesactivas.Estassuspensiones incorporanelementospasivosyactivosparalograroptimizarelcomportamientodel vehculo ante las irregularidades del terreno. En la figura 2.28 se muestra un esquema de suspensin semiactiva: Figura 2.28Esquema de las suspensiones semiactivas. Lassuspensionessemiactivastratandemodificarlarigidezdelmuelleobiendel amortiguador mediante actuadores de baja potencia, normalmente de manera discreta en funcin de diferentes parmetros previamente monitorizados por sensores. Controlan las bajas frecuencias con elementos activos y las altas con pasivos. La diferencia estriba en LA SUSPENSIN 34 questas,adiferenciadelassuspensionesactivas,squeempleanmuelles convencionales. Algunossistemasdesuspensinsemiactivaincorporanamortiguadoreshidrulicos,los cualesdisponendevlvulassolenoidesquecambianeldimetrodesuspasos permanentes,variandodeestamaneraelcaudaldelfluido.Elinconvenienteque presentan estos tipos de amortiguadores es que tienen un tiempo de respuesta (100-200 ms)superioraltiempodemuestreodelcontroladorporloquelafuerzadecontrol generadaesdiferentealafuerzadecontroldeseada.Parasolucionaresteproblema, muchosinvestigadoresestncentrandosuatencinensistemasdesuspensin semiactiva basados en fluidos inteligentes cuyos tiempos de respuesta son rpidos como sonlosfluidoselectro-reolgicosylosmagneto-reolgicos(inferiora25ms).Dichos fluidos tienen la caracterstica de cambiar sus propiedades viscosas de manera reversible cuandoseencuentranbajolaaccindeuncampoelctricoomagntico.Losfluidos electro-reolgicosrequierenseralimentadosconunatensinelevadamientrasquelos fluidos magneto-reolgicos son excitados por un campo magntico por lo que requieren una menor tensin de alimentacin. Asimismo, los fluidos magneto-reolgicos generan mayoresnivelesdefuerzaqueloselectro-reolgicosypuedentrabajarenunrango mayordetemperaturas.Actualmente,estetipodeamortiguadoresestnsiendo utilizadosparamejorarelcomportamientodelasuspensinenvehculosautomviles obteniendo muy buenos resultados. 3El Amortiguador EL AMORTIGUADOR 36 3. EL AMORTIGUADOR Elamortiguadoresundispositivoquesirveparaeliminarlosefectosdeoscilacin producidos por el muelle. Al pasar por un bache, los resortes del sistema de suspensin almacenan una cierta cantidad de energa, que, posteriormente, restituyen a travs de los balanceos[9].Deestaforma,losamortiguadoresevitanquelacarroceradelvehculo oscilecontinuamente(controlanlosvaivenestransformandoencalorlaenergaque acumulaelmuelle),disminuyenlavariacionesdelacargadinmicadelasruedasy evitanqueestassaltensobreelsuelo,proporcionandocomodidadyseguridad, principalesobjetivosdelossistemasdesuspensin,comosejustificenelcaptulo2. As,unamortiguadordesgastadosuponeungravepeligroalpermitirquelasruedas pierdanadherenciaocapacidaddeagarreconelasfalto.Porestasrazn,un amortiguadordesgastadosuponeungravepeligroalnoevitarelrebotecontrael pavimento y permitir de esta forma que las ruedas pierdan el contacto o la capacidad de agarre (adherencia) con el asfalto [10]. 3.1 Funcin de los amortiguadores La funcin de un amortiguador es la de frenar, parcial o totalmente, un movimiento no deseado que aparece de forma intencionada o no en un sistema mecnico. En particular, elamortiguador,enelmbitodelautomvil,noslodebeamortiguarmovimientosno deseadossinoquedebehacerlodeformaptimaysegnloscriteriosde maniobrabilidad y confort que se introducirn ms adelante. Lgicamente, para disminuir la velocidad de una masa se tiene que hacer una fuerza tal queseopongaasuvelocidad.Lafuerzamssencillaquecumpleesterequisitoesla friccin y es esta fuerza en la que se basa el funcionamiento de los amortiguadores ms comnmente utilizados. Sedistinguentrestiposdefriccin:lafriccindeCouloumb(asociadaalmovimiento relativo entre partes slidas en contacto), la friccin asociada al movimiento viscoso de un fluido y la llamada friccin turbulenta que aparece a partir de la disipacin energtica comoconsecuenciadelmovimientoturbulentodelfluido.Enfuncindeltipode amortiguamiento deseado es conveniente buscar uno u otro tipo de friccin. Por otra parte, es interesante que la fuerza que ofrece el amortiguador sea funcin de la velocidad,porloqueenlosamortiguadoresparaautomviles,siempresebuscala friccinasociadaalmovimientodeunfluidoyaquedichafriccinesfuncin,entre otrasvariables,delavelocidaddelfluido.Porelhechodeutilizarcomomedioun fluido, a este tipo de amortiguadores se los conoce como amortiguadores hidrulicos. Enlosprimerosvehculosautomvilesnoseutilizabaningntipodesuspensiny, realmente era innecesaria debido a que eran lentos y pesados. Rpidamente y a medida quelosvehculossevolvieronmsligerosyrpidos,sepercatarondequelafaltade suspensin no slo produca incomodidad sino que aparecan momentos en los que los neumticos perdan el contacto con el suelo, perdindose traccin y estabilidad. EL AMORTIGUADOR 37 Teniendo presente que el neumtico es el nico elemento del vehculo en contacto con elsueloy,consecuentemente,eselnicoresponsabledelcambiocinemticodel vehculo, se deduce que la principal funcin del sistema de suspensin es la de asegurar el contacto entre el neumtico y el suelo. En un segundo plano, la suspensin ha de proporcionar el mximo confort posible a los pasajeros y a la carga transportada. El amortiguador, como parte integrante del sistema de suspensin, tiene la obligacin de permitirycolaborarenlaobtencindelxitodelosrequerimientospropuestosbajo cualquier situacin. 3.2. Descripcin del funcionamiento y partes del amortiguador Elprincipiodefuncionamientodelosamortiguadoreshidrulicosconvencionalesest basadoenlaconversindeenergacintica(movimiento)enenergatrmica(calor) [11]. Si a un fluido que circula por un conducto se le pone una restriccin, como por ejemplo, unorificioounestrangulamiento,elfluido,elcualtenaunaciertapresiny temperaturaenlaentrada,saleconunapresininferioryunatemperaturasuperior. Adems, es fcil ver que el fluido ejerce una fuerza sobre el orificio o estrangulamiento debido a la variacin de presin que se ha generado. Encualquieramortiguadorhidrulicoexisteunapartemvilquedesplazaunfluido (generalmente aceite) a travs de unos orificios y/o vlvulas que son las encargadas de producir una prdida de carga. La fuerza de amortiguamiento es debida principalmente alacadadepresingeneradaenlasvlvulas,aunqueinfluyenotrosfactorescomola fuerza de friccin existente o la presin del gas. El xito en el funcionamiento de cualquier amortiguador es conseguir controlar la fuerza generadaenfuncindelmovimientoimpuestosobreeste,parapoderoptimizarel confort o la maniobrabilidad. Elefectodeprdidadecargaquetienelugardentrodelamortiguadordepende bsicamente del caudal que circula a travs de los orificios, y dicho caudal es, en teora, directamente proporcional a la velocidad a la que se mueve el pistn relativo al cilindro detrabajo,porloquelafuerzadeamortiguamientoserfuncindelavelocidad.Esta afirmacinnoesdeltodociertayaqueexistenciertosdiseosdeamortiguadores modernos(comoporejemplolosSensatracdeMonroe)enlosqueseprocuraquela fuerzadeamortiguamientoseatambinproporcionalalaposicinrelativaentreel pistnyelcilindroconlaintencindeaumentarlafuerzadeamortiguamientocuanto ms comprimido est el amortiguador para conseguir una amortiguacin ms progresiva y obtener el mximo de confort para los viajeros. EL AMORTIGUADOR 38 3.2.1. Tipos de amortiguadores Actualmenteydesdehaceunosaosatrssehaimpuestoenlaindustriaelusode amortiguadoreshidrulicos.Enestos,lafuerzadeamortiguacinesfuncincreciente con la velocidad [1]. Han existido distintos tipos de amortiguadores hidrulicos, como son los giratorios y los depistn,peroapenasseemplean.Losqueactualmenteseutilizansonlosdetipo telescpico, como el que se muestra en la figura 3.1, que son los que se van a describir con ms detalle y a los que se har mencin de aqu en adelante. Figura 3.1Amortiguador hidrulico telescpico actual. Figura 3.2A la izquierda, flujo de aceite a travs del paso permanente. A la derecha, flujo de aceite a travs de las vlvulas de apertura por presin. Bsicamente,losamortiguadoreshidrulicostelescpicosconstandeunpistnque trabajadentrodeuncilindroenelquehayaceite.Sobreelpistnexisteunaseriede orificios y unas vlvulas precomprimidas que permiten el paso de aceite de una parte del EL AMORTIGUADOR 39 pistnaotracuandolapresinsuperaunvalordado.Enlafigura3.2semuestraun esquema del flujo de aceite. Elpasopermanentevienenaserorificiosfijos(salvocuandoelamortiguadoresun monotuboregulable,encuyocasolaregulacinsueleconsistirenlavariacindel tamaodeorificio)querestringenelflujodecaudal.Enelcasodelasvlvulasde aperturaporpresin,paraquestasseabranesnecesarioejercersobreellasuna determinada presin y a medida que sta aumenta la apertura va siendo mayor. Enlafigura3.3sepuedeverendetalleelpistnconlosdiscosquecomponenlas vlvulasdeaperturaporpresinylaagujaqueregulaeldimetrodelavlvulade apertura por rea cuando el amortiguador es variable. Si se mueve la rosca de ajuste de ladurezadelamortiguadorparaablandarlo,laagujaabrirelorificiofacilitandoel paso del aceite y disminuyendo la rigidez del amortiguador y viceversa. Figura 3.3Explosin del pistn de un amortiguador monotubo. Cuandolavelocidadentreambosextremosdelamortiguadoresbaja,lasvlvulasde aperturaporpresinpermanecencerradasyelaceitepasaatravsdelosorificiosde EL AMORTIGUADOR 40 paso permanente. Una vez la presin del aceite alcanza la del tarado de las vlvulas de presin,estasempiezanaabrirseydejanpasarelaceite.Cuantomsaumentala presin, las vlvulas se abren ms hasta que su apertura es completa y la ley de la fuerza enelamortiguadorquedacontroladanuevamenteporelpasodelaceiteatravsdel orificio de paso permanente. Lonormalesquelasvlvulasdeextensinycompresinseandiferentes,loque posibilitaqueelesfuerzoencompresinseamenorparaunamismavelocidad.Enlos vehculos de carrera, interesa utilizar una caracterstica de amortiguamiento ms blanda encompresin(figura3.4).Estosehaceparaevitarlatransmisinatravsdel amortiguador de las grandes fuerzas compresivas que se generan en el mismo cuando la rueda se encuentra con un obstculo. Figura 3.4Diagrama fuerza velocidad de un amortiguador regulable. Existenenelmercadofundamentalmentedostiposdeamortiguadoreshidrulicos telescpicos: los de doble tubo o bitubo y los de un slo tubo o monotubo. EL AMORTIGUADOR 41 Figura 3.5Amortiguador de doble tubo, monotubo y de depsitos separados. 3.2.1.1. Amortiguadores de doble tubo Los amortiguadores de doble tubo son los ms comunes en la actualidad. A su vez los hay de dos tipos: no presurizados (aceite) y presurizados (con aceite y gas). Constan de dos cmaras: una llamada interior y otra de reserva, como se muestra en la figura 3.6. Figura 3.6Esquema simplificado de un amortiguador bitubo. EL AMORTIGUADOR 42 Loscomponentesprincipalessonlossiguientes,loscualessepuedenverenlafigura 3.7: Tubo y cmara exterior o de reserva. Tubo o cmara interior o cilindro. Pistn acoplado al vstago. Vlvula de pie. Gua del vstago. Acoplamientos superior e inferior. Elfuncionamientodeambostiposessimilar.Enlacarreradecompresin,cuandoel vstagopenetra,elaceitecontenidoenlacmarainteriorfluyesinresistenciaatravs de los orificios A, B, C y D y la vlvula de no-retorno hacia el espacio generado al otro lado del pistn. Simultneamente, una cierta cantidad de aceite se ve desplazada por el volumenqueelvstagovaocupandoenlacmarainterior.Esteaceitepasa forzosamenteporlavlvuladepiehacialacmaradereserva(llenadeaireapresin atmosfrica o nitrgeno entre 4 y 8 bares). La fuerza de amortiguamiento viene dada por la resistencia que opone la vlvula de pie al paso del aceite. Figura 3.7A la izquierda, esquema completo de un amortiguador bitubo no presurizado. A la derecha, esquema completo de un amortiguador bitubo presurizado. Enlacarreradeextensin,altirardelvstagohaciaafueraelaceitequequedapor encimadelpistnsecomprimeypasaatravsdelasvlvulasquehayenl.La resistenciaqueelaceiteencuentraendichasvlvulaseslafuerzadeamortiguamiento deextensin.Elaceitequehaballegadoalacmaradereserva(6)vuelvesinhallar EL AMORTIGUADOR 43 resistencia por la vlvula de pie a la cmara interior para compensar el volumen liberado por el vstago. 3.2.1.1.1 No presurizados Losamortiguadoresdedobletubonopresurizadostienenelinconvenientedequese pueden formar en ellos bolsas de aire bajo las siguientes condiciones: El amortiguador se almacena o transporta horizontal antes de ser instalado. Lacolumnadeaceitedelacmaraprincipalcaeporgravedadcuandoel vehculo permanece quieto durante mucho tiempo. Elaceitesecontrae,consecuenciadesuenfriamientoalfinaldeunviaje,yse succiona aire hacia la cmara principal. 3.2.1.1.2. Presurizados Los amortiguadores de doble tubo presurizados se emplean hoy en da en la mayora de vehculos cuando se busca mejorar las prestaciones de los amortiguadores de doble tubo convencionales.Lasolucinconsisteenaadirunacmaradegasdebajapresin.4 bares es una presin suficiente, ya que la fuerza amortiguadora en compresin la sigue proporcionando la vlvula de pie. De esta forma la fuerza de extensin realizada por el amortiguador en su posicin normal es baja. Sus ventajas con respecto a los no presurizados son las siguientes: Respuesta de las vlvulas ms sensible para pequeas amplitudes. Mejor confort de marcha. Mejorespropiedadesdeamortiguacinencondicionesextremas(grandes baches). Reduccin del ruido hidrulico. Siguen operativos aunque pierdan el gas. Respectoalosamortiguadoresmonotubos,losdedobletubopresurizadostienenla ventaja de tener menor longitud y friccin para las mismas condiciones de operacin. EL AMORTIGUADOR 44 3.2.1.2. Amortiguadores monotubo De aparicin ms tarda que los bitubo, su uso est cada vez ms extendido, sobre todo envehculosdealtasprestacionesyencompeticin.Constandedoscmaras principales, una contiene el aceite y la otra gas a presin (normalmentenitrgeno)que estn separadas por un pistn flotante. Solamente hay vlvulas en el pistn. En la figura 3.8 se muestra un esquema simplificado de un amortiguador monotubo. Figura 3.8Esquema simplificado de un amortiguador monotubo. Loscomponentesprincipalessonlossiguientes,loscualessepuedenverenlafigura 3.9: Tubo de presin. Pistn acoplado al vstago. Pistn flotante, tambin llamado pistn separador. Gua del vstago. Acoplamientos superior e inferior. EL AMORTIGUADOR 45 Figura 3.9Esquema completo de un amortiguador monotubo. Enlacarreradecompresin(figura3.10),adiferenciadelbitubo,elamortiguador monotubonotienecmaradereserva.Elproblemadeubicarelaceitequeocupael espaciotomadoporelvstagoalpenetrarsesolucionaconunacmaradevolumen variable. Mediante el pistn flotante se consigue dividir la cmara interior en dos zonas. Una la del aceite, y otra rellena de gas presurizado a una presin que oscila entre los 20 y30bares.Alirelvstagohaciadentro,lapresinqueejerceelaceitesobredicho pistn flotante hace que la zona del gas se comprima, aumentando la presin en ambos lados (gas y aceite). Asimismo, el aceite se ve obligado a pasar a travs de las vlvulas delpistn.Lafuerzadeamortiguamientovienedadaporlaresistenciaqueoponen dichas vlvulas al paso del aceite. Figura 3.10Flujo de aceite a travs del pistn durante la carrera de compresin. Enlacarreradeextensin(figura3.11),altirardelvstagohaciafueraelaceiteque queda por encima del pistn, se comprime y pasa a travs de las vlvulas que hay en l. Laresistenciaqueelaceiteencuentraendichasvlvulaseslafuerzade EL AMORTIGUADOR 46 amortiguamientodeextensin.Porladisminucindepresinenlacmara,elpistn flotante vuelve hacia arriba recobrando su posicin original para compensar el volumen liberado por el vstago. Figura 3.11Flujo de aceite a travs del pistn durante la carrera de extensin. En la figura 3.11 se observa la divisin que se produce en el flujo del aceite segn vaya por el paso permanente (3) o por las vlvulas de apertura por presin (1) y (2). Los amortiguadores monotubo presentan algunas ventajas con respecto a los bitubo no presurizados: Buena refrigeracin debido a que la cmara est en contacto directo con el aire. Estosetraduceenunamayoreficacia,pueshayquetenerencuentaqueel amortiguadoresundispositivoqueconviertelaenergacinticaenenerga calorfica. Mayordimetrodelpistnaigualdimetrodecarcasa,loquepermitereducir presiones de operacin. Elniveldeaceitenobajaalestarelvehculoestacionado,loqueevita funcionamientos deficientes a volver a arrancar. Debidoalapresurizacin,elaceitenoformaespuma,evitandoproblemasde cavitacinyresultandounbuenamortiguamientoinclusoconpequeas vibraciones de alta frecuencia. Graciasalpistnseparador,noquedarestringidalaposicindelmontaje, pudindose colocar incluso tumbados. Como desventajas se podran citar las que siguen: Mayores costos derivados de requerimientos superiores de precisin, tolerancias de fabricacin y estanqueidad del gas. La valvulera es ms compleja. Sumayornecesidaddeespaciopuedeaumentarsulongitudporencimade100 mm en aplicaciones a automviles. EL AMORTIGUADOR 47 Otradesventajaeslafuerzadeextensinquerealizanensuposicinnominal, debidoalapresininternadelgasyaladiferenciadereasefectivasaambos ladosdelpistn.Estafuerzapuedeprovocarvariacionesenlaalturade suspensin que es necesario considerar en su diseo. 3.3. Amortiguadores magneto-reolgicos Anteriormentesehananalizadolostiposdeamortiguadoresqueformanpartedela suspensin pasiva. Pero, como se ha visto en el captulo 2, cada vez estn tomando ms importancia las suspensiones semiactivas, debido a su mejor capacidad de adaptacin al terreno y a su menor tiempo de respuesta. Losamortiguadoresmagneto-reolgicosrepresentanuncasoparticulardesuspensin semiactivayunavancerelativamentereciente.Losprimerosprototiposdatande principiosdelos90,aunqueGeneralMotorspresentestesistemaenelsalnde Francfort de 1999. Setratadeamortiguadoresmonotuboqueenvezdeaceitecorrientellevanunfluido magneto-reolgico,prescindiendodevlvulaselectromecnicas.Estefluidoest compuestodeun40%aproximadamentedepartculasmetlicasflotandoenl.Al magnetizarse,segnsilohacemuchoopoco,modificasuviscosidad,consiguindose variarladurezadelamortiguador.Laprincipalventajadeestesistemafrentealos tradicionaleseslarapidezdevariacindeltipodeamortiguacin,ylasinfinitas posibilidades de regulacin que permite. Figura 3.12El Cadillac Seville STS est equipado con el sistema MagneRide de Delphi. Enlafigura3.12semuestraunCadillacSevilleSTSequipadoconelsistema MagneRidedeDelhpiAutomotive.Estesistemaeslaprimeraaplicacinindustrialde un fluido cuya viscosidad vara ante la presencia de un campo magntico. El fluido que utiliza el sistema MagneRide es una suspensin no coloidal, con partculas de hierro con EL AMORTIGUADOR 48 un tamao de algunas micras en un hidrocarburo sinttico. Sin la presencia de un campo magntico,laspartculasdehierroestndispersasalazarenelsenodelfluido.A medidaqueaumentaelcampomagntico,sevuelvefibrosoysuestructurallegaaser casi plstica. Lasreaccionesdelfluidoalpasarporlosorificiosdelamortiguadorcambianconla diferenciadeviscosidad.Cuandonoestmagnetizado,hayunagrandiferenciade velocidadentrelaspartculasqueestnprximasalasparedesdelorificio,ylasque vivenrodeadasdeotraspartculasdefluido(figura3.13).Graciasaesadiferenciade velocidad, el caudal puede ser grande y, por tanto, el amortiguador es suave. Cuando el fluido est magnetizado, la velocidad de todas las partculas es muy semejante, el fluido es ms lento y, por tanto, la dureza del amortiguador aumenta. Figura 3.13Magnetizacin del fluido del MagneRide. La intensidad del campo magntico la ajusta una centralita, que recibe seales de cinco sensores(figura3.14).Tresdeellosestnyaenelcontroldeestabilidad(ngulode direccin,guiadayaceleracintransversal),otroeslavelocidaddelcocheyotrola posicinrelativadelasruedas.Delphihaprevistoqueestamismacentralitapuede controlar un sistema de altura constante. Este sistema de suspensin variable sigue el mismo principio que una suspensin activa osemiactiva:suavecuandoesposibleyduracuandoesnecesario.Elamortiguadorse endurece cuando es preciso limitar ms lo rebotes del muelle para aumentar el contacto con el suelo, bien por razones de estabilidad o bien por frenada. Tambinactaparafrenarmovimientoscomoelbalanceooelcabeceo,aunquela amplituddeesosmovimientosdependedelosmuellesylasestabilizadoras,nodelos amortiguadores. EL AMORTIGUADOR 49 Figura 3.14Esquema del sistema completo MagneRide. 4Materiales Inteligentes MATERIALES INTELIGENTES 51 4. MATERIALES INTELIGENTES Hoy en da, gracias a la popularidad que ha ido adquiriendo a lo largo de estos ltimos aos,eltrminointeligentesehaadoptadocomounmodovlidodecalificary describir una clase de materiales que presentan la capacidad de cambiar sus propiedades fsicas(rigidez,viscosidad,forma,color,etc.)enpresenciadeunestmuloconcreto [12]. No existe un consenso a la hora de aplicar este trmino a un material o estructura, pero si existe un acuerdo en cuanto a ciertos criterios o rasgos comunes que deben presentar los llamados materiales o estructuras inteligentes: Estosmateriales,demaneraintrnsecaoembebida,presentansensoresde reconocimiento y medida de la intensidad del estmulo ante el que reaccionar el material. Asuvezpresentanactuadores,embebidosointrnsecos,querespondenante dicho estmulo. Para controlar la respuesta de una forma predeterminada presentan mecanismos de control y seleccin de la respuesta. El tiempo de respuesta es corto. El sistema regresa a su estado original tan pronto como el estmulo cesa. Sisetienenencuentaestospuntosgenricos,sepodraadoptarcomodefinicinde sistema inteligente la siguiente: Sistema o material que presenta sensores, actuadores y mecanismosdecontrol,intrnsecosoembebidos,porloscualesescapazdesentirun estmulo,deresponderanteldeuna formapredeterminadaenuntiempoapropiadoy de volver a su estado original tan pronto como el estmulo cesa. Enlafigura4.1semuestraunesquemadelostiposdematerialesinteligentesque existen. En los siguientes apartados se describen brevemente los materiales inteligentes ms habituales y conocidos [13]. MATERIALES INTELIGENTES 52 Figura 4.1Materiales inteligentes. 4.1 Materiales con memoria de forma El efecto de memoria de forma puede describirse como la capacidad de un material para cambiar la forma debido a la aplicacin de un estmulo externo. Bajoeltrminodematerialesconmemoriadeformaexistencuatroclasesdiferentes, segnlanaturaleza,odelmaterialens,odelestmuloexternoalqueresponden.Las cuatro clases en las que se pueden dividir son: Aleaciones con Memoria de Forma (Shape Memory Alloys, SMAs). Cermicas con Memoria de Forma (Shape Memory Ceramics, SMCs). Polmeros con Memoria de Forma (Shape Memory Polymers, SMPs). AleacionesFerromagnticasconMemoriadeForma(FerromagneticShape Memory Alloys, FSMAs). Enelcasodelasaleacionesmetlicas,elefectodememoriadeformasebasaenla transicin que se produce entre dos fases slidas, una de baja temperatura o martenstica yotrefect Elmdimedetrprodu Figu Porocapacombtecnoun en El prel po Elmslo Apafamilsiguiradealtateto de memoFigura 4materialse ensiones oriransicin.Euce duranteura 4.3Cotrolado,locidadde binacindeologadeprntrenamientrimer paso eolmero es dmecanismodpor temperaartedelosliasdemaiente:mateemperatura oria de form4.2Repdeformaeniginales medEnlafigura e el cambio Cambio en lalospolmerorecordarselaestructrogramacito del materes procesar deformado fdelefectodatura, sino tmetalesyaterialesserialesinoroaustentica. presentacin nlafasemdiante el cal4.3puede de fase en la estructura clas aleacioneosconmemuformaoturaylamndeinclusrial para queel polmerofijndose, dedememoriatambin porylospolmlidos.Unargnicos,n53 ca.Enlafig esquemticamartensticalentamientoverseelcalas aleacion cristalina ques con memomoriadefororiginal.Emorfologa sindelafoe recuerde uo para grabae ese modo,adeformaer luz o por rmeros,lascadefinicinnometlicoMAgura4.2se a del efecto dayrecupero por encimmbioenla nes con meme se produceoria de formarmasonmaEsteefecto delpolmeormaempleuna forma dar su forma p, la forma teenlospolmreacciones qcermicascngeneraldos,queseATERIALES representa de memoria dradeformma de una temestructura moria de for e durante el ca. aterialespoestrelacerojuntocoeado.Esdedeterminadapermanenteemporal. merospuedqumicas. completan decermiceproducenINTELIGENunesquem de forma. mareversiblmperatura ccristalinaqrma. cambio de fasolimricosccionadocoonelproceecir,esnecea. e y seguidamdeproducirslastresgracapodrasnhabitualmNTES madel esus crtica quese se en conla onla esoy esario mente se,no andes serla mente MATERIALES INTELIGENTES 54 empleandoarcillasyotrosmineralesnaturalesoprocesadosqumicamente.Estas cermicas inteligentes, normalmente, son cermicas basadas en ZrO2, pero existen otros ejemplos basados en niobato de magnesio o cermicas perovskitas. Por ltimo, hay que mencionar la aparicin de una nueva clase de materiales que sufren elefectodememoriadeformabajolaaplicacindediferentescamposmagnticosy que presentan grandes elongaciones (aproximadamente de un 6 %). Enestecaso,elcomportamientoessimilar aldelasaleacionesconmemoriadeforma (SMAs)peroelestmuloalqueresponden,envezdeserlatemperatura,eselcampo magntico aplicado.Estosmateriales son conocidos como Aleaciones Ferromagnticas con Memoria de Forma (FSMAs) o Metales Magnetoelsticos. 4.1.1 Materiales electro y magneto-activos Losmaterialeselectroymagneto-activosexperimentancambiosensuspropiedades fsicas ante la presencia o aplicacin de un campo elctrico o magntico. Estos fluidos presentanlacapacidaddecambiarsuviscosidadaparenteenpresenciadeunestmulo externo. Se dividen en dos categoras dependiendo de la naturaleza del estmulo al que responden mediante un cambio en sus propiedades reolgicas. 4.1.2 Materiales foto y cromo-activos. Losmaterialescromo-activossonaquellosenlosqueseproducencambiosdecolor comoconsecuenciadealgnfenmenoexternocomopuedeserlacorrienteelctrica, radiacin UV o temperatura. Losmaterialesfotoactivossonaquellosenlosqueseproducencambiosdediferente naturalezacomoconsecuenciadelaaccindelaluzoquesoncapacesdeemitirluz como consecuencia de algn fenmeno externo. Entre los materiales fotoactivos que emiten luz, sin que se produzca calor, destacan los electroluminiscentes, los fluorescentes y los fosforescentes. Electroluminiscentes:sonmaterialesorganometlicosbasados fundamentalmenteenfsforosyfluorocarbonosqueemitenluzdediferentes colores cuando son estimulados por una corriente elctrica. Fluorescentes:sonmaterialessemiconductoresqueproducenluzvisiblecomo resultadodesuactivacinconluzUV.Elefectocesatanprontocomo desaparece la fuente de excitacin. Los pigmentos fluorescentes a la luz del da sonblancosodecolorclaromientrasquecuandoestnexpuestosaradiacin UV irradian un intenso color fluorescente. MATERIALES INTELIGENTES 55 Fosforescentes: materiales semiconductores que convierten la energa absorbida enluzemitidaslodetectableenlaoscuridad,despusdequelafuentede excitacinhasidoeliminada.Estaemisindeluzpuededurardesdeminutos hasta horas. La fuente de excitacin ms efectiva es la radiacin UV [14]. 4.1.3 Fluidos electro-reolgicos y fluidos magneto-reolgicos Se llama efecto electro-reolgico al cambio reversible de las propiedades reolgicas de un fluido debido a la aplicacin de un campo elctrico. Estos fluidos suelen clasificarse en dos tipos, uno correspondiente a fluidos formados por partculas dispersas y, por otro lado los fluidos homogneos. En el primer caso, el ms comn, se acepta que el origen delarespuestaelectro-reolgicaesdebidoalaagregacindelaspartculasen suspensinprovocadaporlapolarizacindelosmateriales.Acercadelosfluidos homogneos,estossecomportandeigualmaneraquelosanteriorespero,graciasala ausenciadepartculaspuedenllegaraserdegranutilidadparalamicrotecnologa, permitiendo mayores miniaturizaciones. Por otro lado, los materiales cuyas propiedades reolgicas pueden ser variadas mediante laaplicacindecamposmagnticossonlosdenominadosmaterialesmagneto-reolgicos.Engeneral,unmaterialmagneto-reolgico(MR)secomponedepartculas micromtricasmagnticamentepermeablessuspendidasenunmedionomagntico. Bajoelcampomagnticoseproduceunapolarizacininducidasobrelaspartculas suspendidasdemaneraqueseformanestructurasconformadecadenadebidoala interaccin entre los diferentes dipolos inducidos. Estas estructuras restringen la movilidad del fluido y consecuentemente se incrementa la viscosidad y se desarrolla una resistencia en la suspensin. Cuanto mayor sea el campo magnticoaplicadomayorserlaenergamecnicanecesariapararomperdichas estructuras, es decir, se genera una resistencia dependiente del campo. Tambin existe otro tipo de materiales denominados slidos magneto-reolgicos, ya que lamatrizenlaquesedispersanlaspartculasfrricasesunamatrizpolimricaslida, comopuedensermaterialeselastomricosoespumas.Estamatriz,enprincipio,debe presentarunmdulodeYoungbajoyaque,deestemodo,alpresentarflexibilidad permitenciertomovimientodelaspartculasfrricasllegandoaproducirse alineamientosdelasmismasyasaumentarsuresistenciaantelacizallaola compresin. Asuvez,dentrodelosmaterialeselectro-activosseencuentranlosmateriales piezoelctricos.Amododedefinicinsimple,elefectopiezoelctricoeslacapacidad quetieneunmaterialparaconvertirlaenergamecnicaenenergaelctricay viceversa. Este efecto se da en ciertos materiales slidos cristalinos cuyas celdas unidad noposeencentrosdesimetra(porejemploelcuarzoydiferentescermicas policristalinas sintticas). Existenmaterialespiezoelctricosdenaturalezacermicaypolimrica,aunqueestos ltimossonmsescasosy,enmuchoscasos,seencuentrantodavaenfasesde investigacin y desarrollo. Dentro de estos ltimos el ms conocido es el polifluoruro de MATERIALES INTELIGENTES 56 vinilideno (PVDF), aunque estas propiedades piezoelctricas tambin se han encontrado enelPVC,elpolifluorurodevinilo,encopolmerosdetrifluoroetilenoyPVDF,etc. todos ellos polmeros que contienen grupos polares con capacidad de orientarse a fin de generar dipolos internos en la estructura del material. Porltimo,dentrodeestacategoradematerialeselectroymagneto-activosse encuentranlosmaterialeselectro-estrictivosymagneto-estrictivos.Losprimeros exhibenunesfuerzomecnicocuandoestnsometidosauncampoelctricosufriendo nicamenteprocesosdeelongacin,independientementedeladireccinenlaquese apliqueelcampoelctrico.Enelcasodelosmagnetoestrictivos,sedeformanbajoun campomagnticoygeneranuncampomagnticocuandosonsometidosaunesfuerzo mecnico. 4.2 Fluidos reolgicos Los fluidos reolgicos son aquellos fluidos cuyas propiedades cambian ante la presencia de un campo elctrico o magntico exterior. Los fluidos reolgicos son lquidos inertes queportanpartculasensuspensin.Estaspartculastienenuntamaodelordende5 m y son habitualmente aceites de silicona o minerales. Existendostiposdefluidosreolgicosquepuedenconsiderarsematerialesactivos.Se tratadelosfluidoselectro-reolgicosylosmagneto-reolgicos.Ambossebasanenel mismoprincipioysolosediferencianenquesonsensiblesadiferentesestmulos exteriores.Elfluidoelectro-reolgicocambiasuspropiedadesanteuncampoelctrico exterior mientras que el magneto-reolgico lo hace ante un campo magntico. Estapropiedadesconsecuenciadelaformacindeestructurasdentrodelfluidocomo respuestaaestmulosexteriores.Abajosesfuerzosestaformacindeestructuras (agregadosdepartculasslidas),dominaelflujodelfluidoypuedellegaraevitarla creacindelmismo.Enlafigura4.4semuestra el efecto de la presencia de un campo magntico sobre el campo de velocidades de un fluido magneto-reolgico [15]. Figura 4.4Fluido Magneto-reolgico. MATERIALES INTELIGENTES 57 Cuando no existe un campo exterior, los fluidos reolgicos pueden considerarse fluidos newtonianos. En esta condicin se comportan como un fluido normal, es decir, ante una velocidaddedeformacinoponenunesfuerzoviscoso,queesproporcionalala velocidad de deformacin a travs de la viscosidad del fluido. Cuando se aplica un campo exterior, las partculas en suspensin forman cadenas en la direccindelcampo.Enelcasoenqueelcamposeaplicaperpendicularmenteala direccindelflujodelfluidoentoncesestascadenasseformanperpendicularmenteal flujo y como consecuencia del propio flujo estas cadenas se rompen y deben ser otra vez formadas, de manera que la continua rotura y formacin de cadenas da como resultado la aparicin de un esfuerzo que se opone al propio movimiento, por lo que para producir eldeslizamientodelascapasdefluidoesnecesariosuperaresteesfuerzollamadode fluencia. Ante esfuerzos inferiores al de fluencia el fluido reolgico responde como un slido viscoelstico. La ventaja que presentan estos fluidos es que para conseguir una velocidad determinada es necesario un esfuerzo viscoso superior al que correspondera en el caso de un fluido ordinario, y este esfuerzo es controlable en funcin de la intensidad del campo exterior. Dicho aumento del esfuerzo viscoso no se debe al aumento de la viscosidad, sino que se produce porque el esfuerzo de fluencia aumenta con el valor del campo exterior (vase figura 4.5). Figura 4.5Curva caracterstica de los fluidos reolgicos. El aumento de esfuerzo viscoso de estos fluidos los hace especialmente atractivos para aplicaciones relacionadas con el amortiguamiento y control activo de vibraciones. Y, en granmedida,losfluidoreolgicossehanempleadocomoactuadoresyespecialmente enelcontroldevibracionescomo,porejemplo,eneldesarrollodeamortiguadores, apoyos de motores y amortiguadores para palas de helicpteros. En el caso del presente proyecto, interesa conocer en ms detalle el fluido que modifica suspropiedadesantelapresenciadeuncampoexteriordetipomagntico,porellose entrar ms en detalle en los fluidos magneto-reolgicos. MATERIALES INTELIGENTES 58 4.3 Fluidos magneto-reolgicos Los fluidos magneto-reolgicos son producidos suspendiendo microesferas de hierro al carbonouotraspartculasmagnetizablesenunfluidobasedehidrocarburosinttico. Msconcretamente,losfluidosmagneto-reolgicossonsuspensionescoloidales estables de partculas superparamagnetiticas, cuyo dimetro est comprendido entre 100 nm y 10 m, en agua o en algn disolvente inorgnico [16]. Dicho fluido presenta una distribucindepartculabimodalqueincorporadostamaosdemicroesferasde hierro,grandesypequeas,distribuidasenproporcionesoptimas,locualproduceun fluidoconunelevadolmiteelsticoybajaviscosidad,propiedadesrequeridaspara aplicaciones de amortiguamiento. Unfluidomagneto-reolgicoenelestadodesmagnetizado(fluidoenelestadoOFF, figura4.6)esunadispersinaleatoriadepartculas,exhibiendocomportamiento reolgico newtoniano (esfuerzo cortante = viscosidad x velocidad tangencial) [17]. Pero cuando el estado pasa a ser magnetizado (estado ON, figura 3.13), el fluido cambia sucomportamientoreolgico,actuandoahoracomounplsticoBingham(esfuerzo cortante = limite elstico + viscosidad x velocidad tangencial). Figura 3.13Magnetizacin del fluido del MagneRide. En la figura 3.13 se muestra el comportamiento de ambos estados, ON y OFF, dentro de unamortiguadormagneto-reolgico[3].Elcampomagnticoaplicado,alinealas partculasmetlicasfibras,controlandoellmiteelsticodelfluidosinafectarasu viscosidad. El efecto magneto-reolgico es muy rpido (tiempos de respuesta de menos de 20 milisegundos). El efecto es reversible, y no se ve influido por la temperatura. Losamortiguadoresmagneto-reolgicostienenunelevadorangodinmicoyuna respuesta extremadamente rpida. La aproximacin matemtica requerida para el diseo MATERIALES INTELIGENTES 59 de los actuadores y la seleccin de los mejores fluidos magneto-reolgicos proporcionan una ventaja competitiva frente a otros sistemas. Elcomportamientosuperioraldelosactuadores,juntoconlosalgoritmosdecontrol desarrollados,proporcionabeneficios a la conduccinyalamaniobrabilidadsobrelos sistemas de suspensin convencionales. Estesistema,adems,aumentanotablementelaseguridad,yaquelasdistanciasde frenado pueden ser reducida y la estabilidad del vehculo puede ser mejorada durante el frenadograciasaunescasorebotedelaruedayungranaumentodeltiempoyla superficie de contacto de la rueda con el asfalto [18]. 4.4 Aplicaciones de los fluidos magneto-reolgicos Los ejemplos ms corrientes, en cuanto al uso de fluidos magneto-reolgicos se refiere, son: el uso de suspensiones de los vehculos, la proteccin ssmica, las prtesis mdicas, losdispositivitosderegeneracintctiles,lasvlvulascontrolablesyelusoenel sistema de frenos de los automviles. 4.4.1 Suspensin de los asientos para vehculos de trabajo pesado. Lafigura4.7muestraunamortiguadordefluidomagneto-reolgicodiseadopara utilizarse en un sistema de suspensin de asiento semiactivo en vehculos de cargas para travesas largas [19]. Este amortiguadorescapaz deproveer un amplio rango dinmico de control de fuerza para niveles modestos de potencia de entrada. Figura 4.7Amortiguador de fluido magneto-reolgico Rheonetic RD-1001-4. MATERIALES INTELIGENTES 60 Elusodeestosamortiguadoresensuspensionesdeasientofavoreceuncontrolentiemporealdeunaposicinptimaparaejercerlaconduccin.Estosedebeaquese consigue adaptar automticamente el peso del cuerpo del conductor as como los niveles de choque y de vibracin debidos al terreno por el que se circula. Deestaforma,seconsigueunambientedetrabajomsseguro,dadoquesemejorala sensibilidaddelaconduccin,reduciendolafatigaqueseproduce,yportanto, reduciendo el nivel de riesgos de sufrir accidentes. 4.4.2 Amortiguadores de vibracin Enelcontroldevibracionesesimportantelautilizacindedispositivosde amortiguamiento y los amortiguadores de fluido viscoso son elementos que aprovechan laspropiedadesdelfluidoparaproveerunafuerzaquecontrarrestelosefectosdela vibracin.Enla figura4.8semuestra un amortiguador magneto-reolgico utilizado en el control activo de vibraciones en aplicaciones industriales. Figura 4.8Amortiguador de vibraciones Rheonetic RD-1013-1. Unadelasaplicacionesmscomunesdentrodelosamortiguadoresdevibracin empleados en la industria es la de absorber las vibraciones de las lavadoras, y con ello el ruido producido por las mismas. Se puede observar en la figura 4.8 como se emplean los amortiguadores para reducir el efecto de la vibracin [20]. 4.4.3 Control de vibracin ssmica en estructuras Lapruebadelincrementoenelcrecimientodelatecnologadedispositivosmagneto-reolgico es que se han diseado y construido amortiguadores de tamao apropiado para aplicacioneseningenieracivil.Enlafigura4.9semuestraunesquemadeun amortiguador de fluido magneto-reolgico de gran escala. MATERIALES INTELIGENTES 61 Figura 4.9Amortiguador ssmico Rheonetic MRD-9000. Unadelasaplicacionesmsfrecuentesconsisteenlaproteccinssmicadeedificios, estehechosedebeaunascaractersticasmuydeterminadasdeestetipode amortiguadores. Estos amortiguadores amplan el control sobre los choques ssmicos iniciales como los de las rplicas gracias a su alta fuerza de disipacin a velocidad baja, caractersticas que fundamentalmente actan frente al choque de las rplicas. No obstante, la reduccin del choqueinicial,sedebeasurpidotiempoderespuesta,ascomoasualtomargen dinmico, lo cual permite una optimizacin continua del sistema. Otra de las aplicaciones civiles donde ms se utiliza este tipo de dispositivos es el de los puentes suspendidos por cables, de esta forma, al situar los amortiguadores atados a los cablesproporcionaunasituacincontinuamentecontrolablefrentealastensiones producidas por el viento y la lluvia. 4.4.4 Prtesis mdicas La principal aplicacin de este tipo de amortiguadores en la industria mdica se trata de la mejora en la movilidad de aquella pierna que fue amputada por encima de la rodilla. Biederman Motech, un fabricante alemn de productos protsicos desarroll un sistema que aumenta el equilibrio del paso, la estabilidad y la eficiencia de la energa empleada al caminar. Estesistema,apartededisponerdeunamortiguador,contenaunsistemadesensores quetransferanlainformacinaunprogramainformtico,queasuveztransmitala orden necesaria al amortiguador. MATERIALES INTELIGENTES 62 4.5 Amortiguacin por fluidos magneto-reolgicos en vehculos Elsistemadecontroldelosamortiguadoresmagneto-reolgicos,respondeentiempo realalascondicionesdelasfaltoydelaconduccin,basndoseenlasentradas proporcionadasporsensoresquemonitorizanlosmovimientosdelcuerpoylasruedas de vehculo. Razones por las que supera los tradicionales conflictos entre circulacin y maniobrabilidad,porunladoenviandounasmayoresfuerzasmximasde amortiguacinparasoportarsuperficiesbacheadas,mientrasqueporotro,reducelas fuerzasmnimasdeamortiguacinparamejorarelaislamientoylasuavidadenla conduccin. Cuando el amortiguador est en funcionamiento, se aplica corriente a una bobina en el interiordelpistndeunamortiguadorsinvlvulasparacontrolarelflujodelfluido magneto-reolgico.Dichofluidocontienepartculasdehierro,porloquealvariarla fuerzadelcampomagnticosecambiaellmiteylaresistenciadelfluidodentrodel amortiguador. Estoproduceunsistemadeamortiguamientomecnicamentesimpleperoderespuesta extremadamentecontrolable,locualproporcionaunaconduccinmsplanaenlas curvascerradasyreducelallamadaclavadadurantelafrenadayqueselevanteel morrodelcochedurantelaaceleracin.Estosirveparaunamejorcirculaciny maniobrabilidad de aquella que proporciona una suspensin de tipo pasiva. Unequipodesensoresesusadoenestesistema.Consisteenunsensorde desplazamiento de la suspensin en cada rueda, un acelermetro lateral, y un sensor del desplazamiento del volante durante la conduccin. Lossensoresdeterminanlasvelocidadesabsolutasdellevantamientodelcuerpodel vehculo,ascomolospropiosgirosdebalanceoycabeceo.Mientrastanto,un algoritmocontrolaladistribucindelacarganormalatravsdelasbandasdel neumticoalvariarelniveldeamortiguacinencadaruedadeacuerdoconlas condiciones de movimiento. Cualquier nivel de amortiguamiento entre las bajas fuerzas en el estado desmagnetizado hasta las elevadas fuerzas en el estado magnetizado puede ser obtenido con este tipo de amortiguadores. Estesistemaproporcionacontinuamenteamortiguacinvariableentiemporeal (CVRTD,ContinuouslyVariableRealTimeDamping)quesuperaconcrecesotros sistemasdeamortiguacinvariable,ysinlascarasvlvulaselectromecnicasqueen estos se encuentran. Comparadosconlossistemasdeamortiguacinvariableactualesdisponiblesenel mercado, este nuevo sistema es ms rpido y adems, el sistema proporciona una mejor respuesta. MATERIALES INTELIGENTES 63 4.5.1 Beneficios Elcomportamientoglobaldelaamortiguacindelsistemapuedesercontroladopara ajustarse a los requerimientos de cualquier vehculo. Los datos experimentales llevados a cabo por los expertos muestran que este tipo de sistemas pueden aportar los siguientes beneficios: Aumentarelcontroldelosmovimientosdelchasisparallevaracabouna conduccin llana y sencilla. Optimizar el agarre de la calzada o pavimento para conseguir un mayor control de las ruedas y una mayor sensacin de seguridad. Controlarlascaractersticasdelatransferenciadecargaslateralylongitudinal de la suspensin durante maniobras transitorias. Reducirlatransmisindelasperturbacionesdealtafrecuenciadelacalzadaa travs de los amortiguadores gracias a un mejor aislamiento de la calzada. 5Modelado de un Amortiguador Magneto-reolgico MODELADO DE UN AMORTIGUADOR MAGNETO-REOLGICO 65 5.MODELADODEUNAMORTIGUADORMAGNETO-REOLGICO Elmodeladodelosamortiguadoresmagneto-reolgicosseutilizaparadescribirel comportamientodinmicodelosmismos,porejemplolarelacinexistenteentrela fuerzadeamortiguacin,lavelocidadylacorrientesuministrada.Existendos aproximacionesgeneralesparadescribirelcomportamientodelosamortiguadores magneto-reolgicos,laprimeradeellasconsisteenmodelarelcomportamiento observadoexperimentalmente,yporotrolado,sacarelcomportamientodel amortiguadorenfuncindelanlisisdelamecnicadefluidos.Porlogeneral,enlos estudiosdemodelossepresentantambinresultadosexperimentales,quesonusados paravalidarelmodelopropuesto.Porotraparte,cabedestacarquelamayoradelos modelossondiseadosestudiandolarespuestaexperimentaldelosamortiguadores sujetos a carga sinusoidal y a la hiptesis de que el fluido fluye en un flujo cuasi estable. Tresdelosmodelosmscomnmenteempleadosparapredecirelcomportamiento experimentaldelosamortiguadoressonelplsticonolinealdeBingham,elbiviscoso nolinealyelbiviscosohisterticonolineal,losdosprimerossonmodelos cuasiestticos,quenotienenencuentaelcomportamientodehistresisdel amortiguador, mientras que el ltimo es un modelo dinmico, que si tiene en cuenta el comportamientodehistresis[21].Estosmodelossemuestranenlafigura5.1.Las lneasdiscontinuasdelafiguramuestranlarespuestapredichaporlosmodelos, mientrasquelaslneascontinuasmuestranelcomportamientoobservado experimentalmente.Losparmetrosparaestosmodelosdependendelacorriente suministradaysondeterminadosporlosresultadosexperimentales.Elmodelode plsticonolinealBinghamasumequeelfluidonosemuevehastaquelafuerza producida, Fy, sea excedida. Despus de este punto, el fluido asume un comportamiento de un fluido lineal viscoso. El modelo biviscoso no lineal es una ampliacin del modelo deBinghamincorporandoamortiguacininiciallineal.Enelcasodelaexcitacin sinusoidal,losamortiguadoresmagneto-reolgicospresentanhitresisyparacapturar estecomportamientofuedesarrolladoelmodelobiviscosonolinealhistertico. Adems, este modelo, el biviscoso no lineal histerstico es el ms exact