El brazo oscilante suele estar ubicado entre la rueda y la carrocería, y es un componente de seguridad relacionado con el conductor que transmite fuerza, reduce la transmisión de vibraciones y controla la dirección.
El brazo oscilante se ubica generalmente entre la rueda y la carrocería, y es un componente de seguridad para el conductor que transmite fuerza, reduce la transmisión de vibraciones y controla la dirección. Este artículo presenta el diseño estructural común del brazo oscilante en el mercado y compara y analiza la influencia de las diferentes estructuras en el proceso, la calidad y el precio.
La suspensión del chasis de un automóvil se divide, a grandes rasgos, en suspensión delantera y suspensión trasera. Ambas suspensiones cuentan con brazos oscilantes que conectan las ruedas con la carrocería. Estos brazos oscilantes suelen estar ubicados entre las ruedas y la carrocería.
La función del brazo oscilante de guía es conectar la rueda con el chasis, transmitir fuerza, reducir la transmisión de vibraciones y controlar la dirección. Es un componente de seguridad que involucra al conductor. El sistema de suspensión cuenta con elementos estructurales que transmiten fuerza, de modo que las ruedas se mueven con respecto a la carrocería siguiendo una trayectoria determinada. Estos elementos estructurales transmiten la carga, y el sistema de suspensión en su conjunto determina el comportamiento dinámico del vehículo.
Funciones comunes y diseño estructural del brazo oscilante del automóvil
1. Para cumplir con los requisitos de transferencia de carga, diseño y tecnología de la estructura del brazo oscilante
La mayoría de los automóviles modernos utilizan sistemas de suspensión independiente. Según su forma estructural, estos sistemas se clasifican en tipo horquilla, brazo oscilante, multibrazo, tipo vela y McPherson. En el sistema multibrazo, el brazo transversal y el brazo oscilante forman una estructura de dos fuerzas con dos puntos de conexión. Dos barras de dos fuerzas se ensamblan en la junta universal con un ángulo determinado, y las líneas que conectan estos puntos forman una estructura triangular. El brazo inferior de la suspensión delantera McPherson es un típico brazo oscilante de tres puntos con tres puntos de conexión. La línea que conecta estos tres puntos forma una estructura triangular estable capaz de soportar cargas en múltiples direcciones.
La estructura del brazo oscilante de dos fuerzas es simple, y el diseño estructural a menudo se determina de acuerdo con la diferente experiencia profesional y la conveniencia de procesamiento de cada empresa. Por ejemplo, la estructura de chapa metálica estampada (ver Figura 1), la estructura de diseño es una sola placa de acero sin soldadura, y la cavidad estructural tiene mayormente forma de "I"; la estructura de chapa metálica soldada (ver Figura 2), la estructura de diseño es una placa de acero soldada, y la cavidad estructural tiene más bien forma de "口"; o se utilizan placas de refuerzo local para soldar y fortalecer la posición peligrosa; la estructura procesada en máquina de forja de acero, la cavidad estructural es sólida, y la forma se ajusta principalmente de acuerdo con los requisitos de diseño del chasis; la estructura procesada en máquina de forja de aluminio (ver Figura 3), la cavidad estructural es sólida, y los requisitos de forma son similares a los de la forja de acero; la estructura de tubo de acero es simple en estructura, y la cavidad estructural es circular.
La estructura del brazo oscilante de tres puntos es compleja, y el diseño estructural a menudo se determina de acuerdo con los requisitos del OEM. En el análisis de simulación de movimiento, el brazo oscilante no puede interferir con otras partes, y la mayoría de ellas tienen requisitos de distancia mínima. Por ejemplo, la estructura de chapa metálica estampada se usa principalmente al mismo tiempo que la estructura de chapa metálica soldada, el orificio del arnés del sensor o el soporte de conexión de la biela de la barra estabilizadora, etc. cambiarán la estructura de diseño del brazo oscilante; la cavidad estructural todavía tiene forma de "boca", y la cavidad del brazo oscilante será una estructura cerrada es mejor que una estructura abierta. Estructura mecanizada por forja, la cavidad estructural es principalmente en forma de "I", que tiene las características tradicionales de resistencia a la torsión y a la flexión; estructura mecanizada por fundición, la forma y la cavidad estructural están equipadas principalmente con nervaduras de refuerzo y orificios de reducción de peso de acuerdo con las características de la fundición; estructura combinada de soldadura de chapa metálica con forja, debido a los requisitos de espacio de disposición del chasis del vehículo, la rótula está integrada en la forja, y la forja está conectada con la chapa metálica; La estructura de mecanizado de aluminio fundido-forjado proporciona una mejor utilización del material y una mayor productividad que el forjado, y tiene una resistencia del material superior a la de las piezas fundidas, lo que representa la aplicación de una nueva tecnología.
2. Reducir la transmisión de vibraciones al cuerpo y el diseño estructural del elemento elástico en el punto de conexión del brazo oscilante.
Dado que la superficie de la carretera por la que circula el coche no puede ser completamente plana, la fuerza de reacción vertical que actúa sobre las ruedas suele ser considerable, especialmente al circular a alta velocidad sobre una superficie irregular. Esta fuerza de impacto también provoca incomodidad en el conductor. Por ello, se instalan elementos elásticos en el sistema de suspensión, transformando la conexión rígida en elástica. Tras el impacto, el elemento elástico genera vibraciones continuas que resultan incómodas para el conductor. Por lo tanto, el sistema de suspensión necesita elementos de amortiguación para reducir rápidamente la amplitud de las vibraciones.
Los puntos de conexión en el diseño estructural del brazo oscilante son mediante elementos elásticos y rótulas. Los elementos elásticos amortiguan las vibraciones y proporcionan un número reducido de grados de libertad de rotación y oscilación. En los automóviles, se suelen utilizar casquillos de goma como componentes elásticos, así como casquillos hidráulicos y bisagras transversales.
Figura 2 Brazo oscilante para soldadura de chapa metálica
La estructura del buje de goma suele consistir en un tubo de acero con revestimiento exterior de goma, o bien en una estructura tipo sándwich compuesta por tubo de acero, goma y otro tubo de acero. El tubo interior de acero debe cumplir con ciertos requisitos de resistencia a la presión y diámetro, y es común que presente estrías antideslizantes en ambos extremos. La capa de goma se fabrica con una composición y un diseño que se adaptan a los diferentes requisitos de rigidez.
El anillo de acero más externo suele tener un ángulo de entrada específico, lo que facilita el ajuste a presión.
El buje hidráulico posee una estructura compleja y es un producto de alto valor añadido dentro de su categoría, cuyo proceso de fabricación es complejo. Presenta una cavidad interna de caucho que contiene aceite. El diseño de la cavidad se realiza de acuerdo con los requisitos de rendimiento del buje. Si se produce una fuga de aceite, el buje se daña. Los bujes hidráulicos proporcionan una curva de rigidez óptima, lo que influye en la maniobrabilidad general del vehículo.
La bisagra transversal tiene una estructura compleja y es una pieza compuesta de goma y rótula. Ofrece mayor durabilidad que el buje, mayor ángulo de oscilación y rotación, una curva de rigidez especial y cumple con los requisitos de rendimiento del vehículo. Las bisagras transversales dañadas generan ruido en la cabina cuando el vehículo está en movimiento.
3. Con el movimiento de la rueda, el diseño estructural del elemento oscilante en el punto de conexión del brazo oscilante
La superficie irregular de la carretera provoca que las ruedas oscilen verticalmente con respecto a la carrocería (chasis). Al mismo tiempo, las ruedas se mueven (girando, en línea recta, etc.), lo que exige que su trayectoria cumpla con ciertos requisitos. El brazo oscilante y la junta universal suelen estar conectados mediante una rótula.
La rótula del brazo oscilante ofrece un ángulo de giro superior a ±18° y una rotación de 360°. Cumple plenamente con los requisitos de excentricidad de la rueda y de dirección. Además, la rótula cuenta con una garantía de 2 años o 60 000 km para el vehículo completo y de 3 años o 80 000 km para el resto del mismo.
Según los diferentes métodos de conexión entre el brazo oscilante y la rótula (articulación esférica), se pueden dividir en conexión atornillada o remachada, donde la rótula tiene una brida; conexión a presión, donde la rótula no tiene brida; e integrada, donde el brazo oscilante y la rótula están en una sola pieza. Para estructuras de chapa metálica simple y estructuras soldadas de múltiples chapas metálicas, los dos primeros tipos de conexión son los más utilizados; el último tipo de conexión, como la forja de acero, la forja de aluminio y el hierro fundido, es el más utilizado.
La bisagra de rótula debe cumplir con los requisitos de resistencia al desgaste bajo carga, ya que su ángulo de trabajo es mayor que el del buje, lo que implica una mayor vida útil. Por lo tanto, se requiere que la bisagra de rótula se diseñe como una estructura combinada, que incluya una buena lubricación del movimiento y un sistema de lubricación a prueba de polvo y agua.
Figura 3. Brazo oscilante de aluminio forjado.
El impacto del diseño del basculante en la calidad y el precio.
1. Factor de calidad: cuanto más ligero, mejor.
La frecuencia natural del cuerpo (también conocida como frecuencia de vibración libre del sistema de suspensión), determinada por la rigidez de la suspensión y la masa soportada por el muelle (masa suspendida), es uno de los indicadores de rendimiento importantes del sistema de suspensión que afecta al confort de marcha del vehículo. La frecuencia de vibración vertical del cuerpo humano es la frecuencia de su movimiento vertical al caminar, que oscila entre 1 y 1,6 Hz. La frecuencia natural del cuerpo debe ser lo más cercana posible a este rango de frecuencias. Cuando la rigidez del sistema de suspensión es constante, cuanto menor sea la masa suspendida, menor será la deformación vertical de la suspensión y mayor será la frecuencia natural.
Cuando la carga vertical es constante, cuanto menor sea la rigidez de la suspensión, menor será la frecuencia natural del coche y mayor será el espacio necesario para que la rueda salte hacia arriba y hacia abajo.
Cuando las condiciones de la carretera y la velocidad del vehículo son las mismas, cuanto menor sea la masa no suspendida, menor será la carga de impacto sobre el sistema de suspensión. La masa no suspendida incluye la masa de la rueda, la junta universal, la masa del brazo guía, etc.
En general, el basculante de aluminio es el más ligero y el de hierro fundido el más pesado. Los demás se sitúan en un punto intermedio.
Dado que la masa de un conjunto de brazos oscilantes suele ser inferior a 10 kg, en comparación con un vehículo que pesa más de 1000 kg, la masa del brazo oscilante tiene poco efecto en el consumo de combustible.
2. Factor precio: depende del plan de diseño.
Cuantos más requisitos, mayor es el coste. Partiendo de la base de que la resistencia estructural y la rigidez del brazo oscilante cumplen los requisitos, las tolerancias de fabricación, la dificultad del proceso de fabricación, el tipo y la disponibilidad del material, y los requisitos de corrosión superficial afectan directamente al precio. Por ejemplo, en cuanto a los factores anticorrosión: el recubrimiento electrogalvanizado, mediante pasivación superficial y otros tratamientos, puede alcanzar aproximadamente 144 h; la protección superficial se divide en recubrimiento de pintura electroforética catódica, que puede alcanzar 240 h de resistencia a la corrosión mediante el ajuste del espesor del recubrimiento y los métodos de tratamiento; recubrimiento de zinc-hierro o zinc-níquel, que puede cumplir los requisitos de las pruebas anticorrosión de más de 500 h. A medida que aumentan los requisitos de las pruebas de corrosión, también aumenta el coste de la pieza.
El coste puede reducirse comparando los esquemas de diseño y estructura del brazo oscilante.
Como todos sabemos, las distintas configuraciones de puntos de anclaje ofrecen un rendimiento de conducción diferente. En particular, cabe destacar que una misma configuración de puntos de anclaje, pero con diferentes diseños de conexión, puede implicar costes distintos.
Existen tres tipos de conexión entre las piezas estructurales y las rótulas: conexión mediante piezas estándar (tornillos, tuercas o remaches), conexión por ajuste a presión e integración. En comparación con la conexión estándar, la conexión por ajuste a presión reduce la cantidad de piezas, como tornillos, tuercas, remaches y otras. La integración en una sola pieza, en comparación con la conexión por ajuste a presión, reduce el número de piezas de la carcasa de la rótula.
Existen dos formas de conexión entre el elemento estructural y el elemento elástico: los elementos elásticos delantero y trasero son axialmente paralelos y axialmente perpendiculares. Los diferentes métodos determinan diferentes procesos de ensamblaje. Por ejemplo, la dirección de prensado del buje es la misma y perpendicular al cuerpo del brazo oscilante. Se puede utilizar una prensa de doble cabezal de una sola estación para prensar los bujes delantero y trasero al mismo tiempo, ahorrando mano de obra, equipo y tiempo. Si la dirección de instalación es inconsistente (vertical), se puede utilizar una prensa de doble cabezal de una sola estación para prensar e instalar el buje sucesivamente, ahorrando mano de obra y equipo. Cuando el buje está diseñado para ser prensado desde el interior, se requieren dos estaciones y dos prensas para prensar el buje sucesivamente.
