Tabla de contenidos
Los amortiguadores son determinantes para conseguir el mejor equilibrio entre confort y estabilidad, aspectos contrapuestos, según el uso previsto de cada automóvil.
Con los elementos elásticos de suspensión que monta un coche es posible variar el tarado de la suspensión con los amortiguadores, primando más el confort o la estabilidad, puede ser por opción de fábrica al comprar el coche o sustituyendo los amortiguadores después.
Los amortiguadores forman parte del triángulo de seguridad activa del automóvil, junto a los neumáticos y los frenos.
Para valorar lo que aporta el amortiguador de gas, actualmente equipo habitual de los vehículos, ya sea monotubo o bitubo, e incluso con cámara de compensación externa, vamos a hacer una introducción que lo facilite, incluyendo algunos enlaces para complementar la información.
Efectos de la suspensión sin amortiguadores de apoyo a los elementos elásticos
Los coches representados llevan muelles al ser más didáctico su funcionamiento, pero hay bastantes más elementos elásticos de suspensión de los que después veremos otros.
Si te interesa, en estos dos enlaces; I y II, hay más información.
El objetivo de la suspensión es mantener permanentemente contacto entre los neumáticos y el suelo, si al trabajar la suspensión hay rebotes de ruedas no es posible y se pierde adherencia, estabilidad y capacidad de control del automóvil, tanto por el conductor como las ayudas técnicas a la conducción que pueda recibir, (ABS y sus derivados I, ABS y sus derivados II, ABS y sus derivados III y ayudas avanzadas a la conducción Conferencia ADAS)
- En baches (imágenes superiores con el coche de lado):
- Se ve un automóvil circulando por piso liso y a continuación con baches
- Al no disponer de control en los efectos de reacción de los muelles, estos siguen comprimiéndose y extendiéndose hasta recuperar el equilibrio cuando ya no haya baches.
- Las ruedas suben o bajan y rebotan tras superar los baches y la carrocería tiene repetidos movimientos verticales hasta recuperar el equilibrio en llano
- Estos efectos suponen pérdidas puntuales de contacto ruedas-suelo, alteraciones y desequilibrio entre fuerzas de apoyo de las ruedas sobre el suelo cuando hay contacto, con evidentes mermas de confort y estabilidad
- En frenadas o aceleraciones (imágenes centrales con el coche de lado) …:
- Circulando en llano a velocidad mantenida no hay movimientos que alteren la posición entre ruedas y carrocería
- Al frenar o acelerar, sin capacidad de control de las reacciones de los muelles, aparecen inclinaciones longitudinales bruscas que se reproducen en sentidos opuestos por las reacciones de los muelles e inercias, hasta que se deja de acelerar o frenar y que tras unas oscilaciones más se recupere la posición horizontal
- Cuando sucede lo explicado, las alteraciones de las fuerzas de apoyo de las ruedas delanteras y traseras sobre el suelo se desequilibran, lo que produce pérdidas de adherencia y capacidad de respuesta si se quiere cambiar de dirección, lo más probable es que el coche no siga la trayectoria indicada por el volante
- En curvas (imágenes inferiores con el coche de frente):
- En recta, el vehículo se mantiene horizontal sin alteraciones de posición entre ruedas y carrocería
- Al girar el volante para tomar curvas se producen bruscas inclinaciones transversales con efectos de rebote en sentido contrario, pues no hay capacidad de controlar las reacciones de los muelles y las inercias
- No incluimos la barra estabilizadora antibalanceo para centrarnos en la necesidad de los amortiguadores, en este enlace hay información sobre la estabilizadora activa, si quieres más detalles y seguir su evolución
- Las alteraciones de fuerzas de apoyo en los contactos de las ruedas exteriores e interiores con el suelo implican variaciones de adherencia, lo que entraña más riesgo al estar en curva con posibles pérdidas de estabilidad, saliéndose el vehículo de la trayectoria
- Al centrar el volante continúan las inclinaciones a uno y otro lado por las inercias y reacciones de los muelles, que van disminuyendo hasta recuperar de nuevo la posición correcta, con las consecuencias comentadas
Para evitar que se produzcan estos efectos en los vehículos con baches, oscilaciones o balanceos, se incorporan los amortiguadores.
Tienen la función de oponerse con más o menos fuerza a los movimientos de la carrocería y de las ruedas para que sean más suaves, eliminando o reduciendo los efectos de las reacciones de los muelles para recuperar lo antes posible el equilibrio, manteniendo permanentemente contacto entre neumáticos y suelo.
Antes de ver las aportaciones de los amortiguadores repasamos lo que sucede si no se dispone de estos, con diferentes tipos de elementos elásticos de suspensión.
Sin amortiguadores como apoyo a los elementos elásticos, hay pérdidas de contacto entre ruedas y suelo
Vemos cuatro automóviles de los que cada uno tiene diferentes elementos elásticos de suspensión.
Se representan estos en posición de altura normal de suspensión, compresión, extensión-compresión, extensión … y así seguirán después de actuar hasta recuperar su posición normal.
Vemos los elementos elásticos con sus efectos de reacción:
- En el todoterreno (Daihatsu Rocky), por supuesto 4×4, los dos ejes rígidos van sustentados con ballestas longitudinales de varias hojas. El rozamiento entre las hojas al trabajar la suspensión hace cierto efecto de amortiguación, pero insuficiente
- En el coche con muelles (Hot Rod), estos sustentan dos ejes rígidos y son motrices las ruedas traseras
- Las barras de torsión son longitudinales en este automóvil descapotable de dos plazas (BMW 507), delante la suspensión es independiente, detrás por eje rígido y son motrices las ruedas traseras
- Los conjuntos neumáticos en este vehículo SUV o todocamino (Lexus 350h), se implantan en suspensiones independientes delante y detrás, son motrices las ruedas delanteras permanentemente y auto conectables las traseras
Se representa en la imagen inferior, con cualquiera de los elementos elásticos que hemos visto, el comportamiento de una rueda circulando de derecha a izquierda como indica la flecha del recorrido; en piso llano, con bache que la hace subir, llano, bache que la hace bajar y después de nuevo se llega al piso llano:
- Circulando en piso con baches se producen rebotes de las ruedas por las reacciones de los elementos elásticos, ballestas, muelles, barras de torsión o conjuntos neumáticos, y las inercias de la carrocería lo que implica pérdidas puntuales de contacto entre los neumáticos y el suelo, además de alterar el equilibrio de sus fuerzas de apoyo sobre el suelo, lo que reduce la adherencia, estabilidad y capacidad de control. Se observa como la rueda pierde contacto con el suelo por los rebotes e inercias
- En oscilaciones, balanceos y movimientos descontrolados de ruedas que se van repitiendo, la adherencia queda tan mermada que las ruedas tienen grandes dificultades para seguir la trayectoria correcta
Estos efectos en los contactos entre ruedas y suelo más las inercias descontroladas reducen sensiblemente la seguridad activa o primaria.
Con amortiguadores de apoyo a los elementos elásticos hay menos balanceos, oscilaciones o rebotes de rueda
Seguimos con los mismos coches y sus elementos elásticos de suspensión que se han visto en la anterior diapositiva:
- Todoterreno 4×4 con ejes rígidos y ballestas longitudinales
- Hot Rod con ejes rígidos sustentados por muelles y ruedas traseras motrices
- Descapotable de dos plazas con suspensión independiente delante y eje rígido detrás con barras de torsión longitudinales y propulsión (tracción trasera)
- Todocamino (SUV) con suspensión independiente en las cuatro ruedas y conjuntos neumáticos con tracción (delantera) y propulsión (tracción trasera) auto conectable
Vemos en cada vehículo los elementos elásticos que equipa con la inclusión de los amortiguadores, y en detalle el elemento elástico en reposo (altura normal) y su amortiguador; ballesta, muelle, barra de torsión y conjunto neumático.
El funcionamiento del amortiguador se explica después.
En la imagen inferior se ven las posiciones de la rueda circulando de derecha a izquierda tal como resalta la flecha:
- El efecto del amortiguador que se opone con cierta fuerza a las actuaciones del elemento elástico y mantiene la presión de apoyo de la rueda sobre el piso, sin perder contacto
- Al subir la rueda por el primer bache la suspensión se comprime y el amortiguador ofrece resistencia empujando la rueda hacia abajo, al superar la mayor altura del bache y descender el amortiguador reduce el efecto de rebote, y lo sigue haciendo al llegar al piso plano haciendo que la rueda siga en contacto con el piso
- En el siguiente bache sucede lo mismo controlando el amortiguador primero el descenso suavizado de la rueda y el ascenso a continuación
- Las repercusiones de los amortiguadores en oscilaciones y balanceos son similares, disminuyendo la brusquedad de los movimientos y recuperando rápidamente el equilibrio
Como se deduce, el nombre de amortiguador define claramente su función de amortiguar los movimientos de las ruedas con relación a la carrocería para que sean suaves y progresivos, evitando alteraciones bruscas de presión entre los neumáticos y el suelo, manteniendo el contacto imprescindible para la estabilidad.
Elementos y funcionamiento del amortiguador
La primera versión del amortiguador era mecánica y funcionaba por la fricción entre discos de diferente material.
Se desgastaba rápidamente y requería ajustes frecuentes para mantera cierta eficacia.
Este sistema evolucionó al amortiguador hidráulico, que se basa en la resistencia que ofrece un líquido a pasar por un estrecho orificio al ser empujado, vamos a describirlo y ver como funciona:
- Cuerpo del amortiguador, se ve desde el exterior, además del eje del que ahora hablamos
- Dentro del cuerpo hay un pistón acoplando a un eje que sale del cuerpo por una de las partes, en este caso la inferior
- En el paso del eje por el cuerpo hay un retén exterior de estanqueidad para evitar fugas de aceite desde el interior del cuerpo
- El pistón tiene varios orificios que le atraviesan, son pasos de aceite de determinada sección
- Hay un retén del pistón en su circunferencia exterior para que sea estanco con respecto al interior del cuerpo por donde se va a desplazar
- El pistón divide en dos cámaras el interior del cuerpo en las que hay aceite, con algunas particularidades
- Cámara inferior de aceite con el eje del pistón en su interior; al desplazarse verticalmente el pistón, su eje entra y sale de la cámara ocupando más o menos volumen respectivamente
- Cámara superior de aceite sin elementos en su interior; en está cámara no está el eje, por lo que si el pistón se encontrara a la mitad de recorrido hay más volumen en la cámara superior de aceite que en la inferior. Sobre la cámara superior de aceite está la cámara de compensación, que ahora se explica
- Cámara de compensación de aire o gas; su denominación indica que su función va a ser compensar las variaciones de volúmenes entre las cámaras de aceite inferior, con el eje, y la superior sin nada en su interior. La cámara de compensación está sobre la cámara superior en la que no incide el eje, ambas cámaras de aceite y de compensación están separadas por una junta de estanqueidad, retén interior. En el interior de la cámara de compensación puede haber aire o gas a presión, nitrógeno
- El amortiguador asienta por una parte en la carrocería y por la otra en un elemento móvil de suspensión, se ven los apoyos en la imagen del amortiguador de la izquierda y en las de la derecha montado en la suspensión del automóvil, que es independiente de dos brazos paralelos con muelle
- En este caso por la parte alta del cuerpo apoya en la carrocería por el silentbloc superior
- Por la parte baja, el eje apoya mediante el silentbloc inferior en el brazo superior de suspensión
- En las imágenes de la suspensión de la derecha se la ve en la de arriba en reposo, resaltando los topes de suspensión, son tacos de goma, que evitan golpes a llegar la suspensión a sus recorridos extremos de compresión o extensión
- En las dos imágenes inferiores se ve a la izquierda la suspensión comprimida y a la derecha extendida. Al tener que pasar el aceite de una a otra cámara por los pasos del pistón se obtiene el efecto de amortiguación, más “duro” sin son estrechos y menos si son “anchos”, estos son los detalles de funcionamiento:
- Suspensión comprimida (imagen inferior izquierda); la cámara de compensación (aire o gas) está comprimida para hacer sitio al aceite que pasa desde la cámara superior sin el eje a la inferior con el eje. El volumen de aceite que pasa de la cámara superior a la inferior no cabría en esta por el volumen que ocupa el eje, al comprimirse la cámara de compensación se gana este volumen necesario
- Suspensión extendida (imagen inferior derecha); la cámara de compensación (aire o gas) está expandida para ocupar el volumen de aceite de la cámara inferior que llega en menor volumen del que queda libre en la superior al no haber eje
La suspensión que vemos en las imágenes es independiente con dos brazos paralelos, hay bastantes más tipos de suspensión que puedes ver en este enlace.
Los topes de suspensión actúan antes de que el amortiguador llegue a sus máximos recorridos, de no ser así se dañaría rápidamente.
Para disponer de más confort al aproximarse el amortiguador a sus recorridos extremos de compresión y extensión se puede complementar con topes hidráulicos, hacen un efecto de amortiguación adicional al acercarse la suspensión a sus extremos de recorrido, antes de los topes de goma.
Con la amortiguación adaptativa de dureza variable se modifica sobre la marcha el equilibrio confort-estabilidad.
Amortiguador de doble efecto
En lo que se ha explicado de amortiguación se ha visto que los pasos en el pistón entre las cámaras de aceite superior e inferior actúan tanto en compresión como extensión, es decir la dureza del amortiguador es la misma en ambos recorridos.
Amortiguador de doble efecto con pasos de aceite de sección diferente y válvulas en cada sentido (los tres dibujos de la izquierda):
- Se mejora el equilibrio entre confort y estabilidad si se hace que los pasos de aceite tengan distinta sección y que actúen cada uno en un único sentido, para lo que disponen de válvulas que controlan la circulación del aceite por distintos pasos en compresión o extensión
- En el amortiguador de la izquierda, con aire en la cámara de compensación, se aprecia que el paso de compresión es de mayor sección y el paso de extensión de menos sección, cada paso está controlado por válvulas que actúan en sentidos opuestos
- En las dos imágenes más pequeñas a la derecha de la anterior se ven dos posiciones del amortiguador, extendido y comprimido
- Suspensión y amortiguador extendidos:
- Abre la válvula de extensión por presión de aceite en la cámara inferior que pasa a la cámara superior
- Al ser de menor sección el efecto de amortiguación en extensión es más “duro”
- Se aprecia que la cámara de compensación de aire aumenta de volumen
- Si pasa aceite a elevada velocidad se crean burbujas
- Suspensión y amortiguador comprimidos:
- Abre la válvula de compresión por aumento de presión en la cámara superior que pasa a la cámara inferior
- Al ser de más sección el efecto de amortiguación en compresión es más “blando”
- El volumen en la cámara de compensación de aire disminuye
- Si pasa aceite a elevada velocidad se crean burbujas
Amortiguador de gas
Aunque se denomine así sigue funcionando como el hidráulico de doble efecto, con la sustitución del aire por gas a presión en la cámara de compensación, suele ser nitrógeno, dibujo grande de la derecha:
- El paso de aceite entre las cámaras por los pasos del pistón puede generar burbujas, si la velocidad del aceite es elevada o el trabajo de la suspensión es intensivo el aumento de temperatura incrementa este efecto, al ser comprimibles las burbujas se altera el funcionamiento del amortiguador reduciendo su eficacia. Se representan las burbujas en los dos dibujos pequeños de la izquierda sobre el amortiguador hidráulico
- Dibujo grande de la derecha; al haber gas a presión en la cámara de compensación, si aparecen burbujas son comprimidas por la presión del gas manteniendo la eficacia del amortiguador. Se representa el amortiguador de gas en compresión y extensión en los dibujos pequeños de la derecha, sin burbujas
- En la imagen inferior se representa un automóvil en aceleración con dos posibles montajes de amortiguadores, hidráulico (cámara de compensación con aire) y amortiguador de gas (cámara de compensación con gas a presión)
- Según los objetivos se pueden montar amortiguadores hidráulicos en el eje que menos variaciones de suspensión tenga, sería lo más probable el delantero, y amortiguadores de gas en el trasero pues habrá más variaciones y trabajo de la suspensión según la ocupación y equipaje, o los cuatro amortiguadores de gas
Necesidad de reducir la longitud del amortiguador de gas
Vamos a comentar aspectos relacionados con la longitud del amortiguador de gas que nos llevará más adelante al amortiguador de gas bi tubo, para lo que utilizamos dos vehículos muy diferentes, un camión pequeño (Peugeot, Citroën, Ford, …) y un coche deportivo (Honda NSX)
Camión pequeño con amortiguador de gas
- La cámara de compensación con gas a presión está a continuación de las cámaras de aceite
- La longitud de la cámara de compensación se suma a las de aceite
- En este vehículo la longitud del amortiguador de gas no afecta pues la altura disponible es más que suficiente
- Este tipo de amortiguador de gas con las cámaras de aceite y de compensación una a continuación de otra es monotubo
Coche deportivo
- La altura de la carrocería sobre el suelo es reducida
- Las suspensiones son duras y de poco recorrido comparadas con un coche de turismo con más capacidad de ocupantes y equipaje
- Con la altura de carrocería disponible no caben por longitud amortiguadores de gas monotubo, si se montan se ha de reducir su altura mermando su eficacia, no admisible en este coche de altas prestaciones
- Es posible disminuir la longitud del amortiguador de gas conservando su eficacia, es decir manteniendo el volumen de las cámaras de aceite, va a ser el amortiguador de gas bi tubo. En las imágenes del amortiguador de gas de la derecha se comparan el amortiguador de gas mono tubo y bi tubo
- En el amortiguador de gas bi tubo las cámaras de aceite son como las del mono tubo hidráulico y la cámara de compensación de gas está alrededor del cuerpo, rodeando a las de aceite
- Al estar el aceite rodeado por la cámara de compensación, más separado del aire exterior, su refrigeración es peor aumentando su temperatura en uso intensivo
Vemos a continuación en detalle el amortiguador de gas bi tubo y la solución para evitar exceso de calentamiento del aceite.
Detalles del amortiguador de gas bi tubo con cámara de compensación externa
Imágenes 1, 2, 3 y 4
- En la imagen 1 se ve un amortiguador de gas de doble efecto mono tubo en reposo, es la referencia que ya conocemos para comparar con los que vamos a explicar
- La imagen 2 es de un amortiguador de gas de doble efecto bi tubo en reposo:
- La cámara de compensación con gas a presión comunica con la cámara superior de aceite, pero está colocada alrededor del cuerpo del amortiguador de gas, no sumando su altura a las de las cámaras de aceite
- La junta de estanqueidad, retén de la cámara de compensación, que separa la cámara superior de aceite de la de compensación está en la circunferencia exterior que separa ambas cámaras
- Gran parte del aceite en el cuerpo del amortiguador de gas no está próximo al contacto con el aire exterior, lo que dificulta su capacidad de evacuar el calor
- La imagen 3 corresponde a la compresión del amortiguador y la 4 a la extensión. En ambas se aprecia como la cámara de compensación reduce su volumen y lo aumenta respectivamente para compensar las alteraciones de volumen en las cámaras superior e inferior de aceite como ya se ha visto
Amortiguador de gas bi tubo con cámara de compensación externa, imágenes 5, 6 y 7
Imagen 5
- Se observa como el aceite de la cámara superior sale por un conducto a la cámara de compensación, en un depósito externo junto al amortiguador de gas
- Al estar el aceite en contacto con el cuerpo del amortiguador de gas se enfría mejor al poder evacuar el calor al exterior
- Se puede aumentar el recorrido del pistón si la suspensión del vehículo lo requiere
Imágenes 6 y 7
- En la imagen 6 está el amortiguador de gas extendido y en la 7 comprimido; se ve la actuación de la cámara de compensación con gas a presión, tal como se ha explicado
- Este tipo de amortiguador de gas, que en realidad es mono tubo con cámara de compensación externa, permite amplios recorridos de suspensión y capacidad de adaptar el volumen de la cámara de compensación en diseño sin que aumente la longitud del amortiguador, además de mantener buena refrigeración del aceite
Por su versatilidad es útil para muy diferentes tipos de vehículos como se ve a continuación.
Aplicaciones estimativas de diferentes tipos de amortiguadores
Estos seis vehículos representan distintas necesidades; por capacidad de ocupantes, carga y utilización.
Veamos algunas opciones didácticas de la selección y diseño de amortiguadores para cada uno:
- Coupé de hace ya años (Ford Capri); podía montar motores desde media a alta potencia y por entonces se utilizaba el amortiguador hidráulico, tras su evolución en las versiones más potentes se utilizaría el amortiguador de gas
- Coupé deportivo (Nissan GTR); es un automóvil de muy altas prestaciones que necesita una suspensión más eficiente, por lo que le hemos equipado con amortiguador de gas bi tubo con cámara de compensación externa
- Coche de turismo de tres cuerpos con cinco plazas y amplio maletero (Audi A4); amortiguador de gas mono tubo delante y detrás amortiguador de gas bi tubo por el posible mayor trabajo de la suspensión trasera, este parece un equipamiento equilibrado
- Todo terreno en versión con motor potente (Jeep Grand Cherokee); se necesita capacidad todoterreno con amplios recorridos de suspensión a la vez que estabilidad en carretera, no queda otra solución que recurrir como idea al equipamiento más eficiente con cuatro amortiguadores de gas bi tubo con cámara de compensación externa
- Todoterreno extremo (Land Rover Defender 110); en principio podría se suficiente con amortiguador de gas bi tubo en las cuatro ruedas. Si el uso va a ser muy exigente por el terreno de circulación y/o carga transportada se recurriría para más seguridad y eficacia al amortiguador de gas bi tubo con cámara de compensación externa
- Furgoneta (Citroën, Peugeot, Renault, …); en principio podría ser suficiente con amortiguador de gas, mono tubo delante y bi tubo detrás por el mayor recorrido de suspensión y carga a transportar. Si se aumentan las exigencias de carga se podría montar detrás amortiguador de gas con cámara de compensación externa
Hay bastantes aspectos que afectan al comportamiento y estabilidad de los vehículos, vamos a comentar dos:
- El buen estado de los amortiguadores es determinante, pero al irse deteriorando progresivamente el conductor puede no apreciarlo, en caso de brusca maniobra su desgaste excesivo provoca desequilibrios que pueden no ser posibles de corregir con las ayudas electrónicas a la conducción.
- Otro aspecto que influye en la estabilidad de base de un vehículo es su diseño, en el que el reparto entre la masa suspendida y no suspendida determina sus capacidades de estabilidad y comportamiento en diferentes situaciones.
