El brazo oscilante suele estar situado entre el volante y la carrocería, y es un componente de seguridad relacionado con el conductor que transmite fuerza, debilita la transmisión de vibraciones y controla la dirección.
El basculante, generalmente ubicado entre el volante y la carrocería, 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 basculante en el mercado y compara y analiza la influencia de diferentes estructuras en el proceso, la calidad y el precio.
La suspensión del chasis de un automóvil se divide, a grandes rasgos, en delantera y trasera. Tanto la delantera como la trasera cuentan con brazos oscilantes que conectan las ruedas a la carrocería. Los brazos oscilantes suelen estar ubicados entre las ruedas y la carrocería.
La función del brazo oscilante guía es conectar la rueda al 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 componentes estructurales que transmiten fuerza, de modo que las ruedas se mueven con respecto a la carrocería siguiendo una trayectoria específica. Estos componentes estructurales transmiten la carga, y todo el sistema de suspensión es responsable de la maniobrabilidad del vehículo.
Funciones comunes y diseño de la estructura 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 independientes. Según sus diferentes formas estructurales, los sistemas de suspensión independientes se pueden dividir en tipo horquilla, tipo brazo de arrastre, tipo multibrazo, tipo bujía y tipo McPherson. El brazo transversal y el brazo de arrastre conforman una estructura de doble fuerza para un solo brazo en el multibrazo, con dos puntos de conexión. Dos barras de doble fuerza se ensamblan en la junta universal en un ángulo determinado, y las líneas de conexión de los puntos de conexión forman una estructura triangular. El brazo inferior de la suspensión delantera MacPherson es un basculante de tres puntos típico con tres puntos de conexión. La línea que une los tres puntos de conexión forma una estructura triangular estable que puede soportar cargas en múltiples direcciones.
La estructura del brazo oscilante de dos fuerzas es simple, y su diseño se determina a menudo según la experiencia profesional y la conveniencia de procesamiento de cada empresa. Por ejemplo, la estructura de chapa estampada (ver Figura 1), diseñada con una sola placa de acero sin soldadura, presenta una cavidad estructural mayormente en forma de "I"; la estructura de chapa soldada (ver Figura 2), diseñada con una placa de acero soldada, presenta una cavidad estructural mayormente en forma de "口"; o bien, se utilizan placas de refuerzo locales para soldar y reforzar la posición peligrosa; la estructura de procesamiento de la máquina de forja de acero, con una cavidad estructural sólida, cuya forma se ajusta principalmente a los requisitos de diseño del chasis; la estructura de procesamiento de la máquina de forja de aluminio (ver Figura 3), con una cavidad estructural sólida, cuyos requisitos de forma son similares a los de la forja de acero; la estructura de tubería de acero, con una estructura simple, presenta una cavidad estructural circular.
La estructura del basculante de tres puntos es compleja, y su diseño suele determinarse según los requisitos del fabricante original (OEM). En el análisis de simulación de movimiento, el basculante no interfiere con otras piezas, y la mayoría de ellas tienen requisitos de distancia mínima. Por ejemplo, la estructura de chapa estampada se utiliza habitualmente junto con la estructura soldada de chapa, el orificio del arnés del sensor o el soporte de conexión de la biela de la barra estabilizadora, etc., modificarán la estructura del basculante. La cavidad estructural conserva la forma de "boca", y una estructura cerrada es mejor que una abierta. En la estructura mecanizada por forja, la cavidad estructural suele tener forma de "I", con las características tradicionales de resistencia a la torsión y la flexión. En la estructura mecanizada por fundición, la forma y la cavidad estructural suelen estar equipadas con nervaduras de refuerzo y orificios para reducir el peso según las características de la fundición. En la soldadura de chapa, la estructura combinada con el forjado, debido a las necesidades de espacio del chasis del vehículo, integra la rótula en el forjado y este se conecta a la chapa. La estructura de mecanizado de aluminio forjado y fundido proporciona una mejor utilización del material y productividad que la forja, y es superior a la resistencia del material de las piezas fundidas, lo que constituye la aplicación de 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 sobre la que circula el vehículo no puede ser completamente plana, la fuerza de reacción vertical que actúa sobre las ruedas suele ser impactante, especialmente al conducir a alta velocidad en superficies en mal estado. Esta fuerza de impacto también provoca incomodidad en el conductor. El sistema de suspensión incorpora elementos elásticos que transforman la conexión rígida en elástica. Tras el impacto, el elemento elástico genera vibración, la cual incomoda al conductor. Por lo tanto, el sistema de suspensión necesita elementos de amortiguación para reducir rápidamente la amplitud de la vibración.
Los puntos de conexión en el diseño estructural del basculante son la conexión de los elementos elásticos y la conexión de la rótula. Los elementos elásticos proporcionan amortiguación de vibraciones y un pequeño número de grados de libertad de rotación y oscilación. Los bujes de goma se utilizan a menudo como componentes elásticos en automóviles, al igual que los bujes hidráulicos y las rótulas.
Figura 2 Brazo oscilante para soldadura de chapa metálica
La estructura del buje de caucho suele ser un tubo de acero con un exterior de caucho, o una estructura tipo sándwich de tubo de acero, caucho y acero. El tubo de acero interior requiere resistencia a la presión y diámetro, y estrías antideslizantes son comunes en ambos extremos. La capa de caucho adapta la fórmula del material y la estructura de diseño a los diferentes requisitos de rigidez.
El anillo de acero más externo a menudo tiene un requisito de ángulo de entrada, lo que favorece el ajuste a presión.
El buje hidráulico tiene una estructura compleja y es un producto con un proceso complejo y un alto valor añadido en la categoría de bujes. El caucho contiene una cavidad que contiene aceite. El diseño de la estructura de la cavidad se realiza según los requisitos de rendimiento del buje. Si hay fugas de aceite, el buje se daña. Los bujes hidráulicos pueden proporcionar una mejor curva de rigidez, lo que mejora la maniobrabilidad general del vehículo.
La bisagra transversal tiene una estructura compleja y está compuesta de caucho y bisagras de bola. Ofrece mayor durabilidad que el buje, mayor ángulo de giro y rotación, una curva de rigidez especial y cumple con los requisitos de rendimiento de todo el 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 irregularidad de la carretera provoca que las ruedas salten hacia arriba y hacia abajo con respecto a la carrocería (chasis), y al mismo tiempo se mueven, como al girar, seguir una línea recta, etc., lo que exige que su trayectoria cumpla ciertos requisitos. El basculante y la junta universal están conectados principalmente mediante una articulación esférica.
La articulación esférica del brazo oscilante proporciona un ángulo de giro superior a ±18° y un ángulo de rotación de 360°. Cumple plenamente con los requisitos de descentramiento de las ruedas y dirección. Además, cumple con los requisitos de garantía de 2 años o 60 000 km y 3 años o 80 000 km para todo el vehículo.
Según los diferentes métodos de conexión entre el brazo oscilante y la rótula (rótula), se puede dividir en conexión mediante perno o remache (la rótula tiene brida); conexión por interferencia a presión (la rótula no tiene brida); y conexión integrada (brazo oscilante y rótula, todo en uno). Para estructuras de chapa metálica simple y estructuras soldadas de varias chapas metálicas, los dos primeros tipos de conexión son más comunes; el segundo tipo de conexión, como la forja de acero, la forja de aluminio y la fundición, es más común.
La bisagra esférica debe ser resistente al desgaste bajo carga. Debido a su mayor ángulo de trabajo que el del buje, su vida útil es mayor. Por lo tanto, debe diseñarse con una estructura combinada que incluya una buena lubricación del eje de giro y un sistema de lubricación a prueba de polvo y agua.
Figura 3 Brazo oscilante forjado de aluminio
El impacto del diseño del brazo oscilante en la calidad y el precio
1. Factor de calidad: cuanto más ligero, mejor.
La frecuencia natural de la carrocería (también conocida como frecuencia de vibración libre del sistema de vibración), determinada por la rigidez de la suspensión y la masa soportada por el resorte (masa suspendida), es uno de los indicadores de rendimiento más importantes del sistema de suspensión que influye en la comodidad de conducción del vehículo. La frecuencia de vibración vertical utilizada por el cuerpo humano es la frecuencia de movimiento vertical del cuerpo al caminar, que oscila entre 1 y 1,6 Hz. La frecuencia natural debe ser lo más cercana posible a este rango de frecuencia. Cuando la rigidez del sistema de suspensión se mantiene 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 automóvil 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 iguales, 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 y la masa del brazo guía, etc.
En general, el basculante de aluminio tiene la masa más ligera, mientras que el de hierro fundido tiene la mayor. Otros se encuentran 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 con una masa de 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 se cumplan, mayor será el coste. Si la resistencia estructural y la rigidez del brazo oscilante cumplen los requisitos, las tolerancias de fabricación, la complejidad del proceso de fabricación, el tipo y la disponibilidad del material, y los requisitos de corrosión superficial influyen directamente en el precio. Por ejemplo, en cuanto a los factores anticorrosivos, el recubrimiento electrogalvanizado, mediante pasivación superficial y otros tratamientos, puede alcanzar unas 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; y el recubrimiento de zinc-hierro o zinc-níquel, que puede cumplir con los requisitos de las pruebas anticorrosivas de más de 500 h. A medida que aumentan los requisitos de las pruebas de corrosión, también aumenta el coste de la pieza.
El costo se puede reducir comparando los esquemas de diseño y estructura del brazo oscilante.
Como todos sabemos, las diferentes configuraciones de puntos duros ofrecen un rendimiento de conducción distinto. En particular, cabe destacar que la misma configuración de puntos duros y diferentes diseños de puntos de conexión pueden tener costos diferentes.
Existen tres tipos de conexión entre las piezas estructurales y las rótulas: mediante piezas estándar (pernos, tuercas o remaches), ajuste a presión e integración. En comparación con la conexión estándar, la conexión por ajuste a presión reduce el número de piezas, como pernos, tuercas, remaches y otras. La conexión de una sola pieza integrada, 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. Diferentes métodos determinan distintos procesos de montaje. Por ejemplo, la dirección de prensado del buje es la misma y perpendicular al cuerpo del basculante. Se puede utilizar una prensa de doble cabezal de una sola estación para ajustar a presión los bujes delantero y trasero simultáneamente, ahorrando mano de obra, equipo y tiempo. Si la dirección de instalación es irregular (vertical), se puede utilizar una prensa de doble cabezal de una sola estación para presionar e instalar el buje sucesivamente, ahorrando mano de obra y equipo. Si el buje está diseñado para presionarse desde el interior, se requieren dos estaciones y dos prensas para ajustarlo a presión sucesivamente.
