sábado, 6 de septiembre de 2014
vibracion torsional
La mayor parte de los sistemas
reales tienen muchos grados de libertad. Se pueden hacer simplificaciones para
aproximar un sistema bastante complejo a uno con sólo uno o dos grados de
libertad, pero es importante saber las características de los sistemas de dos o
más grados de libertad y las diferencias en sus características de vibración.
Algunas son demasiado sutiles, puede haber más de dos frecuencias naturales,
una correspondiente a cada grado de libertad. Cada frecuencia puede también caracterizarse por un modo
principal que es descriptivo de la misma.
Estos sistemas pueden tratarse de
dos maneras. En una, se separan las propiedades elásticas y de inercia del
sistema en masas y resortes discretos. Se modela la dependencia espacial de la
masa y elasticidad distribuidos. Este método se conoce como el uso de masas
agrupadas y resortes agrupados o como de parámetros agrupados o simplemente
como de sistemas discretos. Se supone que todas las propiedades elásticas se
presentan en resortes sin masa, y que todas las propiedades inerciales se
presentan en masas puntuales. Hoy en día se hace el uso de métodos numéricos
para obtener soluciones. El problema de hacer discreto un sistema es también la
fuente de los errores más grandes. Debe tenerse en cuenta este hecho cuando se
evalúan los resultados.
En el segundo método, se
distribuyen espacialmente las propiedades elásticas e inerciales como un
sistema continuo, o como un sistema distribuido. Este método es más exacto,
pero los análisis quedan limitados a una escasa selección de problemas, tales
como los de las vigas uniformes o barras esbeltas.
Los primeros problemas hechos
discretos que se trataron como grupo, surgieron como resultado de la vibración
torsional en los cigüeñales de grandes máquinas de vapor reciprocantes, flechas
de transmisión y durante y después de la primera guerra mundial, en los
motogeneradores de los sistemas de propulsión marinos y submarinos.
Vibración forzada de sistemas torsionales
La vibración forzada de
estado estable puede ser manejada con simplicidad si no existe amortiguación.
Aún si se presenta la amortiguación se puede despreciar si la frecuencia de la
vibración forzada está lejos de una de las frecuencias resonantes entre 
Muchos casos de vibración forzada consisten
simplemente en un motor o máquina únicos que impulsan una flecha con engranes,
embragues, hélices o cualquier otra maquinaria impulsada. En tales casos cada masa
se mueve con el mismo movimiento armónico de la frecuencia forzante del
impulsor. La resistencia constante de una hélice impulsada, o de una tracción
sobre camino no constituye sino un desplazamiento constante del elemento
elástico. Esto produce el mismo efecto que el de una carga estática. La función
forzante proviene solamente del motor o máquina.
Muchos casos de vibración forzada consisten
simplemente en un motor o máquina únicos que impulsan una flecha con engranes,
embragues, hélices o cualquier otra maquinaria impulsada. En tales casos cada masa
se mueve con el mismo movimiento armónico de la frecuencia forzante del
impulsor. La resistencia constante de una hélice impulsada, o de una tracción
sobre camino no constituye sino un desplazamiento constante del elemento
elástico. Esto produce el mismo efecto que el de una carga estática. La función
forzante proviene solamente del motor o máquina.
Si consideramos dos o
más máquinas o motores en paralelo, o si consideramos un sistema de varias
masas en el que se fuerza a más de una masa, o si la fuerza impulsada es
variable, como en el caso de un compresor de aire reciprocante, podemos
superponer soluciones siempre que el sistema no tenga alinealidades. Habrá
probablemente una diferencia de fase en el movimiento de una masa con respecto
a otra y es más probable que se encuentre presente más de una frecuencia, pero
estos hechos se desprenderán de la solución.
viernes, 5 de septiembre de 2014
Vibraciones mecánicas por desbalance de ruedas.
Vibraciones
mecánicas por desbalance de ruedas.
El desbalance de las ruedas de un auto podemos observarlo
cuando la llanta y la rueda giran juntas con todo su peso distribuido y puede
observarse una pequeña oscilación al momento de estar girando. Podría
considerarse como un sistema de 3 grados de libertad.
En el desbalance de las ruedas puede observarse una
manifestación de las vibraciones mecánicas y éste puede ser:
Estático: Ocurre cuando existe un desgaste radial
superficial que no es uniforme en la rueda y en la cual el largo del eje es despreciable a comparación del
diámetro de la rueda.
Se presentan vibraciones con una frecuencia de 1
vibración por RPM, además, si se analiza el espectro de vibración se podría
observar que la amplitud de la vibración es proporcional con la cantidad de
desbalance. Para corregir esto debe balancearse la rueda en línea con el centro
de gravedad de la misma con la masa adecuada, ya sea en el interior o exterior
de dicha rueda y a un ángulo correcto.
Dinámico: Ocurre con ruedas cuyos ejes son largos y en
las cuales existe tanto un desgaste radial como axial en la superficie de la
rueda.
Para corregir la falla se debe balancear la rueda en 2
planos con la masa adecuada en el interior o exterior de la misma y en los
ángulos correctos.
MASA-RESORTE-AMORTIGUADOR-EXITADOR
ANALISIS VIBRATORIO ¨MASA-RESORTE-AMORTIGUADOR-EXITADOR¨
Para
comprender el análisis de un sistema vibratorio empezaremos por conocer el
concepto de vibración el cual dice ¨un cuerpo vibra cuando experimenta cambios
alternativos, de tal modo que sus puntos oscilan sincrónicamente entorno a sus
posiciones de equilibrio, sin que el campo cambie de lugar.
De
aquí partimos a una definición simple de vibración mecánica en la cual podemos
decir que ¨vibración mecánica es el movimiento de una parte mecánica hacia
atrás y hacia adelante a partir de una posición de descanso¨.
Es
importante aclarar que para que un sistema vibre es necesario que posea por lo
menos un elemento inercial y elemento restaurador, al igual es de vital
importancia definir la causa de las vibraciones, es decir, si el cuerpo o
sistema vibra por condición natural o si existen fuerzas perturbadoras que
hacen vibrar al sistema.
En
al caso de un automóvil podemos aclarar que la causa de que el sistema vibre
serian las irregularidades que existen en el terreno en donde este se conduzca,
por lo tanto tenemos que este tipo de causas se engloban en las fuerzas
perturbadoras que hacen vibrar al sistema.
Ahora
para el área automotriz este tema tiende a ser de los mas importantes dado que
al tener un mejor amortiguamiento y eliminando lo mas que se puedan las vibraciones
que se producen entre el auto y el terreno en el que se maneja se hace mas
confortable el manejo para el tripulante además que se obtiene un mejor control
del automóvil y por lo tanto un mejor desempeño.
En
este caso empezáramos por desglosar uno a uno los elementos del sistema que son
masa, resorte, amortiguador y excitador.
MASA
La
masa es aquel elemento que captara o resivira en primera instancia las fuerzas
para que el sistema entre en una vibración en el caso de un automóvil este
viene siento la rueda (conjunto de rin-llanta).
RESORTES
En
el área automotriz y en general en cualquier sistema de vibraciones el tipo de
resorte más utilizado es el resorte helicoidal y se puede considerar como el
modelo representativo de la elasticidad de un sistema vibratorio.
Considerando
un resorte helicoidal de tipo ideal, es decir, aquel resorte cuya deformación
es lineal por lo menos en una región de trabajo, podemos establecer la ley de
Hooke de manera que ¨un elemento elástico recibe una deformación directamente
proporcional a la fuerza que soporte¨.
Lo
anterior lo podemos representar de la siguiente manera supongamos que al
resorte se le aplica una fuerza de 10N entonces este sufre una deformación de
1cm, ahora a este mismo resorte ahora se le aplica una fuerza de 20N y este
sufre una deformación de 2cm.
Del
análisis de este resorte ideal encontramos que existe una constante elástica:
F1/x1=F2/x2=K
Donde
K es la constante elástica; de aquí la relación entre la fuerza y la
deformación:
Fk=kx
Donde:
Fk:
Fuerza.
x:
Deformación.
k:
Constante de elasticidad.
Como
podemos comprender en el caso de un automóvil no basta solo con tener un
sistema de vibraciones de solo masa-resorte ya que este solo sufriría un
desequilibrio al percibir las fuerzas que lo obligasen a moverse de manera
brusca y sin ningún control por lo tanto se necesita un elemento que trate de
hacer menos bruscas estas fuerzas para que el ocupante pueda tener un mejor
control del automóvil, que en este caso es el amortiguador.
AMORTIGUADOR
En
el área automotriz el amortiguador que mas suele utilizarse en los automóviles
es el amortiguador de tipo viscoso; este sistema de amortiguamiento ocurre
cuando un componente del sistema esta en contacto con otro a través de un
fluido viscoso, es decir, el amortiguador es el resultado de la fricción
viscosa entre el fluido y el componente, en este caso la fuerza es directamente
proporcional a la velocidad, por lo tanto para eliminar esta proporcionalidad
se agrega un termino proporcional el cual llamamos coeficiente de
amortiguamiento:
Fd=cx
EXITADOR
En
el caso de los automóviles en especial en el sistema de suspensión las
vibraciones que se intentan eliminar no son las que vienen del motor o transmisión,
etc; si no las que vienen del exterior (superficie donde se desplaza el
automóvil) a las cuales podemos clasificarlas como:
·
Perturbaciones instantáneas, que son
aquellas que aparecen como una perturbación y desaparecen inmediatamente.
·
Perturbaciones permanentes, que son
aquellas que siempre están presentes en el movimiento del cuerpo.
martes, 2 de septiembre de 2014
VIBRACIONES- ASIENTO AUTOMOTRIZ
Respuesta de un cojín de hule espuma
del asiento de un automóvil y su ocupante
En este ejemplo se estudiara la respuesta de un sistema no
lineal ante una entrada en escalón. El sistema es un asiento de automóvil y su ocupante,
como se observa en la figura .
Este sistema se somete a una entrada en escalón en la forma
de aceleración. La ecuación que rige las vibraciones de un asiento fabricado
con hule espuma de poliuretano con celdas abiertas para automóvil es:
Donde los coeficientes de la ecuación son:
En la tabla se proporcionan las cantidades físicas
relacionadas con los coeficientes y los valores numéricos de los distintos
parámetros para un tipo de asiento.
El segundo término del lado izquierdo de la igualdad de la
primera ecuación representa la perdida viscosa lineal ocasionada por el gas que
se encuentra en las celdas abiertas de la espuma y que es forzado a salir del
fondo del cojín. El tercer término
representa la resistencia del flujo turbulento del aire que escapa de las
celdas, y este es el modelo del amortiguamiento por fluido. Es cuarto termino
es la elasticidad no lineal de las paredes de las celdas y cualquier aire
atrapado que no escapa. Esta es una función determinada en forma empírica. La
cantidad a(t) es la aceleración de
entrada a la base del asiento. Se supone que la aceleración de la entrada e de
la forma a(t)=a0u(t),
donde ao es la
magnitud de la aceleración y u(t) es
la función escalón.
La primera ecuación es una diferencial ordinaria no lineal
cuya solución debe obtenerse en forma numérica. La solución de la ecuación
obtenida en forma numérica se utiliza para determinar la aceleración del
asiento del automóvil ac(t)
y la aceleración a escala acs(t):
Los
dos valores distintos que se escogieron
para la aceleración son ao =0.15m/s2 y ao
=0.60m/s2 . en las gráficas se muestran las respuestas de
aceleración del asiento del automóvil en el dominio del tiempo para dos valores
de distintos ao y dos valores diferentes de masa del sistema M.
Estas respuestas de aceleración en el dominio del tiempo se pasan luego al
dominio de la frecuencia
A partir de los registros de tiempo es evidente que, para
una masa dada de un sistema, a medida que se incrementa la magnitud de aceleración
de la base aumenta el periodo de oscilación durante la parte temprana del
movimiento. Esta característica se atribuye a la no linealidad del sistema.
Este incremento en el periodo de oscilación se refleja como un decremento en la
frecuencia a la cual presenta la amplitud máxima del espectro asociado. El
periodo de oscilación de un sistema no lineal puede aumentar o disminuir a
medida que la amplitud de la respuesta se incrementa. Al analizar las graficas hay que notar que la
magnitud de la aceleración maxima aumenta cuando se incrementa la magnitud de
la aceleración de la base en el caso de un sistema masa.
MASA-RESORTE
SISTEMA MASA-RESORTE
El sistema masa-resorte consiste en una
masa “m” unida a un resorte, que a su vez se halla fijo a una pared.
El resorte es un
elemento muy común en máquinas. Tiene una longitud normal, en ausencia de
fuerzas externas. Cuando se le aplican fuerzas se deforma alargándose o
acortándose en una magnitud “x” llamada “deformación”.
Cada resorte se caracteriza mediante una constante “k” que es igual a la fuerza por unidad de deformación que hay
que aplicarle. La fuerza que ejercerá
el resorte es igual y opuesta a la fuerza externa aplicada (si el
resorte deformado está en reposo) y se
llama fuerza recuperadora elástica.
Si se tiene un cuerpo de
masa “m” unido a un resorte en la posición de equilibrio, y mediante una fuerza
externa lo apartamos, hasta una deformación “x = + A” y luego lo soltamos, el
cuerpo empezará a moverse como un Movimiento Armónico Simple (M.A.S) oscilando
en torno a la posición de equilibrio.
Llegará entonces hasta
una deformación “x = -A”. En este caso la deformación negativa indica que el
resorte está comprimido. La fuerza será máxima pero positiva, tratando de volver
al cuerpo a su posición de equilibrio.
MASA-RESORTE-AMORTIGUADOR
MASA-RESORTE-AMORTIGUADOR
En la física, la amortiguación es un efecto
que reduce la amplitud de las oscilaciones en un sistema oscilatorio, en
particular el oscilador
armónico. Este efecto está relacionado linealmente con la
velocidad de las oscilaciones. Esta restricción conduce a una ecuación
diferencial lineal de movimiento, y una solución analítica sencilla.
En la mecánica, la amortiguación se pueden
realizar con un amortiguador. Este dispositivo utiliza el arrastre viscoso de
un fluido, tal como aceite, para proporcionar una resistencia que está
relacionado linealmente con la velocidad. La fuerza de amortiguación Fc se
expresa de la siguiente manera:
donde c es el coeficiente de amortiguamiento
viscoso, dada en unidades de segundos newton por metro o simplemente kilogramos
por segundo. En aplicaciones de ingeniería a menudo es deseable para linealizar
las fuerzas de arrastre no lineales. Esto puede por encontrar un coeficiente de
trabajo equivalente en el caso de la armónica forzar. En los casos no
armónicas, las restricciones a la velocidad pueden provocar linealización
exacta.
Generalmente, amortiguadas osciladores
armónicos satisfacen la ecuación diferencial de segundo orden:
donde? 0 es la frecuencia angular del oscilador no
amortiguado y? es una constante llamada coeficiente de amortiguamiento.
El valor del coeficiente de amortiguamiento?
determina el comportamiento del sistema. Un oscilador armónico amortiguado puede ser:
- Overdamped: El sistema vuelve al
equilibrio sin oscilar. Los valores
más altos del coeficiente de amortiguamiento? volver al equilibrio más
lentamente.
- Críticamente amortiguado: El
sistema vuelve al equilibrio tan pronto como sea posible sin oscilante.
Esto a menudo se desea para la amortiguación de los sistemas, tales como
puertas.
- Subamortiguado: El sistema oscila
con la amplitud que disminuye gradualmente a cero.
- No amortiguado: El sistema oscila
a su frecuencia de resonancia natural.
Definición
En la física y la ingeniería, la
amortiguación puede ser modelado matemáticamente como una fuerza sincrónica con
la velocidad del objeto, pero en dirección opuesta a ella. Si tal fuerza es
también proporcional a la velocidad, como para un simple amortiguador viscoso
mecánica, la fuerza puede estar relacionado con la velocidad por
donde c
es el coeficiente de amortiguamiento, en unidades de newton-segundo por metro.
Esta fuerza se puede utilizar como una
aproximación a la fricción causada por arrastre. Mientras que la fricción se
relaciona con, si la velocidad de limitación de un pequeño rango, este efecto
no lineal puede ser pequeña. En tal situación, un coeficiente de fricción
linealizado se puede determinar que produce poco de error en comparación con la
solución de segundo orden.
Esta relación es perfectamente análogo a la
resistencia eléctrica como se describe por la ley de Ohm.
Ejemplo: masa-resorte-amortiguador
Un sistema masa-resorte-amortiguador ideal,
con masa m, primavera k constante y amortiguador viscoso de coeficiente de
amortiguación c está sujeto a una fuerza oscilatoria
y una fuerza de amortiguación
Los valores pueden estar en cualquier sistema
coherente de unidades, por ejemplo, en unidades del SI, m en kilogramos, k en
newtons por metro, y c en Newton-metros por segundo o kilogramos por segundo.
El tratamiento de la masa como un cuerpo
libre y la aplicación de la segunda ley de Newton, la fuerza Ftot total del
cuerpo es
donde a es la aceleración de la masa y x es
el desplazamiento de la masa respecto a un punto de referencia fijo.
Desde Ftot = Fs Fd,
Esta ecuación diferencial puede ser
reorganizado en
Los siguientes parámetros se definen a
continuación:
El primer parámetro? 0, se llama la
frecuencia natural del sistema. El segundo parámetro,?, Se llama el factor de
amortiguamiento. La frecuencia natural representa una frecuencia angular,
expresado en radianes por segundo. El coeficiente de amortiguamiento es una
cantidad adimensional.
La ecuación diferencial se convierte ahora
Continuando, podemos resolver la ecuación,
suponiendo una solución x tal que:
Donde el parámetro? es, en general, un número
complejo.
Sustituyendo esta solución supone en la
ecuación diferencial se obtiene
Que es la ecuación característica.
Resolviendo la ecuación característica dará
dos raíces, y -. La solución de la ecuación diferencial es por lo tanto
En la que A y B se determinan por las
condiciones iniciales del sistema:
Comportamiento del sistema
El comportamiento del sistema depende de los
valores relativos de los dos parámetros fundamentales, la frecuencia natural? 0
y el coeficiente de amortiguamiento? En particular, el comportamiento
cualitativo del sistema depende de manera crucial de si la ecuación cuadrática
para? tiene una solución real, dos soluciones reales, o dos soluciones
complejas conjugadas.
Amortiguamiento crítico
¿Cuándo? = 1, hay una raíz doble?, Que es
real. El sistema se dice que está críticamente amortiguado. A converge sistema
críticamente amortiguado a cero tan rápido como sea posible sin oscilar. Un
ejemplo de amortiguamiento crítico es más cerca de la puerta visto a muchas
puertas con bisagras en edificios públicos. Los mecanismos de retroceso en la
mayoría de las armas de fuego también se amortiguan críticamente para que
vuelvan a su posición original, después de que el retroceso debido a la
cocción, en el menor tiempo posible.
? En este caso, con una sola raíz, no es en
adición a la solución solución TE t:
solución TE t:
Donde y son determinados por las condiciones
iniciales del sistema:
El exceso de amortiguación
¿Cuándo? > 1, el sistema está
sobre-amortiguado y hay dos raíces reales diferentes. Una sobre-amortiguado de
puerta más cerca tardarán más tiempo para cerrar de una puerta críticamente
amortiguado haría.
La solución a la ecuación de movimiento es:
Donde y son determinados por las condiciones
iniciales del sistema:
VIBRACIONES EN EL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
Conocer
el porque de la existencia de vibraciones en los motores de combustión, es el
primer paso para lograr su compensación o eliminación de los efectos que las
producen.
Para
llevar este punto a cabo debe realizarse un estudio de las masas en movimiento
describiendo su desplazamiento y analizando la variación de velocidades y
aceleración a las que son sometidas durante su funcionamiento.
La
aparición del fenómeno de vibración en máquinas es un problema que muchas veces
Resulta
de difícil solución para el ingeniero.
Estos
problemas suceden tanto en la fase de proyecto como en la fase de uso normal
Fase
de uso normal:
•el
problema de las vibraciones
podrá
aparecer por muchos motivos.
Por
ejemplo:
•Por
no haber contado con un correcto mantenimiento preventivo
•Debido
a una calibración errónea
•por
un fallo o desgaste en los soportes en los que se coloca dicho motor.
Análisis de vibraciones en el motor:
Existen dos grupos dentro del fenómeno de
vibración:
ØLa
transmisión de vibraciones del motor a la base como un todo.
ØLas
oscilaciones torsionales en el cigüeñal y en el sistema de ejes de la máquina
motriz
A
través del estudio de las vibraciones, se puede determinar cuales serian las
partes de un motor de combustión interna que deberían ser investigadas para
reducir los efectos de las mismas.
GRADOS DE LIBERTAD
Sistemas
Vibratorios de un Grado de Libertad Sujetos a Vibración Libre No Amortiguada
·
Coordenadas principales para 2 grados de libertad
SISTEMA VIBRATORIO DE VARIOS GRADOS DE LIBERTAD
GRADOS DE LIBERTAD
Sistema Vibratorio de un Grado de Libertad
Amortiguado
La variable que determina la posición del sistema se denomina y “y” es en general una función del tiempo, denotada por y(t). En estos sistemas, existe un elemento másico o de inercia que se supone que es totalmente rígido y que no disipa energía, existen también un elemento elástico, un resorte, que se supone de masa despreciable y que tampoco no disipa energía, finalmente, en el sistema , existe un elemento disipador de energía, un amortiguador, que se supone de masa despreciable y totalmente rígido.
Este es un ejemplo de la discretizacion de las propiedades continuas de un sistema vibratorio real.
La variable que determina la posición del sistema se denomina y “y” es en general una función del tiempo, denotada por y(t). En estos sistemas, existe un elemento másico o de inercia que se supone que es totalmente rígido y que no disipa energía, existen también un elemento elástico, un resorte, que se supone de masa despreciable y que tampoco no disipa energía, finalmente, en el sistema , existe un elemento disipador de energía, un amortiguador, que se supone de masa despreciable y totalmente rígido.
Este es un ejemplo de la discretizacion de las propiedades continuas de un sistema vibratorio real.
El número de grados de libertad,
necesarios para el análisis vibratorio mecánico, es el número de coordenadas
cinemáticamente independiente, especificando el movimiento de cada partícula
contenida en el sistema; el número de grados se determina por:
No. G.L. = No. De masas X No. de posibles movimientos de cada masa.
Así, un sistema de 2 grados de
libertad, requiere de 2 coordenadas cinemáticamente independientes para definir
completamente su configuración; para cada coordenada se pueden escribir 2
ecuaciones de movimiento, una para cada grado de libertad. Esas 2 ecuaciones
generalmente se presentan en forma de ecuaciones diferenciales acopladas, en
cada ecuación se involucran las 2 coordenadas independientes.
Si se supone soluciones armónicas
para cada ecuación de movimiento, se obtendrán 2 frecuencias naturales. La
configuración de un sistema se especifica por un grupo de coordenadas
independientes (Una longitud, un ángulo o 2 longitudes). A los grupos de
coordenadas utilizadas se llama coordenadas generalizadas, estas ecuaciones
están normalmente acopladas, pero se podrá encontrar ecuaciones que contengan
sólo una coordenada. Al grupo de coordenadas de las ecuaciones acopladas se
llaman coordenadas principales.
SISTEMA VIBRATORIO DE VARIOS GRADOS DE LIBERTAD
Si la estructura toma una única
forma durante su movimiento, el modelo de un grado de libertad proporciona la
respuesta dinámica exacta. Cuando la estructura toma más de una posible forma
durante el movimiento, la solución obtenida de un modelo de un grado será una
aproximación al comportamiento dinámico real.
Las estructuras no siempre pueden
ser descritas por un modelo de un grado y, en general, tienen que ser
representadas por modelos de varios grados. En realidad, las estructuras son
modelos continuos y como tales, poseen un número infinito de grados de
libertad. Los métodos analíticos existentes que describen el comportamiento dinámico
de las estructuras continuas, son bastantes complejos, debido a que requieren
análisis matemático considerable, como la solución de ecuaciones diferenciales
parciales y además son aplicables solo a estructuras reales simples.
transmisicion de la vibracion y modelos de suspension
.- Resortes
Los resortes amortiguan
vibraciones e impactos desde la superficie de la pista para prevenir que ellos
sean transmitidos directamente a la carrocería. Hay 3 tipo de resortes:
muelles, en forma de placas, resortes en espiral, en la forma de vértice y
barras tipo de resortes de barra de torsión.
Amortiguadores
Los
amortiguadores rápidamente suprimen los balanceos de la carrocería cuando estos
empiezan a ocurrir. Comúnmente, un amortiguador tiene un pistón interno, unos
pequeños agujeros (orificios) que ofrecen resistencia al flujo de aceite a
través de este orificio cuando el pistón se mueve, además origina que el
amortiguador absorba los movimientos de balanceo de la carrocería.
Puesto
que las suspensiones de los vehículos son los sistemas con mayor
responsabilidad en la atenuación de las vibraciones, producidas por el camino y
la forma de operación del vehículo, los análisis de simulación se encaminan con
un enfoque especial a estos componentes. Los modelos de simulación permiten
determinar no sólo la respuesta preliminar de un tipo de suspensión, sino la
combinación de varios tipos en un solo vehículo. Además, los resultados de
estos análisis pueden sugerir los puntos más adecuados para la instrumentación,
para el caso de requerirse medir vibración en un vehículo real, lo que a su
vez, arrojaría datos para la validación de los modelos.
Como
una secuencia en la investigación de la vibración en el transporte, los
resultados de la simulación pueden dar la pauta para definir las
características de la vibración, aplicables en un sistema de vibración de
laboratorio. Estas características permitirían particularizar el efecto sobre
componentes modulares de la carga, es decir, los efectos que las
irregularidades del camino producen en los pasajeros.
Por
ejemplo, en el caso de la industria de transporte de frutas y productos
perecederos, la magnitud del daño por magullamiento de una fruta se debe
principalmente al número de veces que una fuerza se aplica en la misma zona,
más que a la magnitud ésta.
Por
esta razón, se deduce que el tipo de suspensión del vehículo de transporte
puede tener mucha influencia para el caso de frutas de consistencia suave,
mientras que en otras sería menos importante la frecuencia del impacto, pero
resaltaría la magnitud de la fuerza.
En
el caso específico de México, se emplean vehículos de transporte pesado
equipados ya sea con suspensión de aire, de muelles o híbridas. En el caso de
vehículos articulados, es común encontrar que el tractor tenga suspensión de
aire y los semi-remolques de muelles, o viceversa.
3.-
Modelos de Suspensiones en Vehículos
Para
ilustrar la modelación de los tipos de suspensiones y su aplicación en diversas
configuraciones vehiculares, se presenta someramente la simulación del
comportamiento de una suspensión de aire y otra de muelles. Estas suspensiones
se modelan en un vehículo unitario tipo C3 (camión de 3 ejes, eje direccional y
tándem trasero) y en un vehículo articulado tipo T3-S2 (combinación de 5 ejes,
3 en el tractor y un tándem en el semi-remolque). Como ejemplos de resultados
de la simulación, se puede obtener el desplazamiento y la aceleración del
compartimiento de carga.
Para
estos casos, se utilizó un programa comercial de simulación de dinámica del
cuerpo rígido con representación en un plano, denominado Working Model, [18]. La suspensión de muelles
que se tomó como referencia es la llamada "walking beam" (Figura 17), mientras que la
suspensión de aire corresponde al tipo de ejes de carga (Figura 18). Para todos
los casos, la suspensión delantera aplicada a las configuraciones sobre el eje
direccional, es del tipo de muelles, como el representado en la Figura 19. Los
parámetros de estas suspensiones se tomaron de valores típicos reportados en el
documento DOT HS 807 185 [19].
La suspensión Hydrolastic y La suspensión Hydragas.
La suspensión
Hydrolastic.
Esta suspensión
fue utilizada por primera vez en 1962 en el proyecto ADO16 de Alec Issigonis
que daría lugar al Morris 1100 y todos sus derivados.
Alex Moulton
intentó con esta suspensión y con bastante éxito un sistema con el
funcionamiento y comodidad de la suspensión hidroneumática del Citroën DS
“Tiburón” de forma más barata para darle a un vehículo pequeño y de poco peso
una aceptable calidad de marcha.
El sistema de
Moulton reemplaza a los amortiguadores y muelles de una suspensión convencional
por émbolos desplazadores neumáticos bastante compactos que se interconectan
entre las ruedas delanteras y traseras en cada lado del vehículo.
Cada desplazador tiene en su interior un muelle de
caucho y la amotiguación esta asegurada por el desplazamiento de un fluido
(aceite hidráulico) que pasa a través de válvulas de goma. El fluido desplazado
por las imperfecciones del terreno pasa a través del desplazador de cada pareja
de ruedas delantera-trasera, permitiéndose así la interacción dinámica entre
las ruedas anteriores y posteriores
La suspensión
Hydragas.
La suspensión
Hydragas es una evolución de la Hydrolastic que fue introducida en 1971 en el
Austin Allegro y como el sistema anterior, trataba de aumentar la comodidad,
seguridad y efectividad de la amortiguación interconectando la suspensión del
frente y de la trasera del vehículo. La Hydragas cumpliría la misma función y
daría las mismas ventajas de la suspensión hydropneumatic de Citroën pero a un
precio inferior y sin su complejidad.
En este caso, los
desplazadores serían dos esferas presurizadas que contendrían nitrógeno,
reemplazando a los muelles de una suspensión convencional. Para presurizar el
gas en los desplazadores, hay que presurizar primero el fluido hidráulico del
circuito y entonces conectar el desplazador al del otro eje. Así, al contrario
que en el sistema de suspensión de Citroën en que el fluido hidráulico esta
continuamente presurizado por una bomba a motor y regulado por un control de
presión central, en la suspensión Hydragas, todo el proceso se produce a través
de procesos físicos naturales.
VIBRACIONES EN EL VEHICULO
Vibraciones mecánicas en el vehículo
Las vibraciones
mecánicas en el vehículo se presentan principalmente en el momento en que entra
en funcionamiento el sistema de la suspensión debido a las irregularidades que
pudiera presentar el terreno.
Si los elementos
del sistema de suspensión se encuentran en buen estado los periodos de
oscilación del mismo corresponderán al de balanceo normal del cuerpo humano que
comprende valores entre 0.5 segundos y 1 segundo correspondientes a valores de
frecuencia de 2Hz y 1Hz respectivamente; por lo que serán tolerados por el
pasajero sin perjuicio para la sensación de confort, por lo cual resulta de
vital importancia mantener lo más invariable posible este rango.
La suspensión es
uno de los elementos más importantes dentro del concepto de vehículo en lo que
respecta a seguridad y confort de sus ocupantes. Sin embargo muchas veces
dejamos de lado el mantenimiento de la suspensión, olvidando que al estar
constituida por elementos elásticos y sometida a cargas continuas es
susceptible al desgaste y la fatiga, lo que origina grandes problemas como es
el aumento en la frecuencia de oscilación que se traduce en incomodidad e
inseguridad para los ocupantes del vehículo. Siendo necesario señalar que hoy
en día el 40% de los accidentes debido a fallas mecánicas están asociados a
problemas de la suspensión.
Así mismo el
aumento en la frecuencia de oscilación produce el desgaste de los componentes
mecánicos móviles.
|
|
Periodo de
Oscilación(s)/Frecuencia(Hz)
|
|
 
Impresión de
Confort
 |
  
Tolerancia
Física
 |
|||
|
0.2 / 5
|
Mala
|
Intolerable
|
|||||
|
0.4 / 2.5
|
Mala
|
Intolerable
|
|||||
|
0.5 / 2
|
Confortable
|
Tolerable
|
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0.9 / 1.1
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Confortable
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Tolerable
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1.0 / 1
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Confortable
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Tolerable
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1.26 / 0.8
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Excesivamente
confortable
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Tendencia al
mareo
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