Suspension

SHOCK ABSORBERS/ DAMPERS: WORKING PRINCIPLE, CLASSIFICATION AND FUNCTIONS

Shock absorbers are basically oil pumps. A piston is attached to the end of the piston rod and works against hydraulic fluid in the pressure tube. As the suspension travels up and down, the hydraulic fluid is forced through tiny holes, called orifices, inside the piston. However, these orifices let only a small amount of fluid through the piston. This slows down the piston, which in turn slows down spring and suspension movement.

All modern shock absorbers are velocity sensitive hydraulic damping devices – meaning the faster the suspension moves, the more resistance the shock absorber provides.
Because of this feature, shock absorbers adjust to road conditions. As a result, shock absorbers reduce the rate of:

• Bounce
• Roll or sway
• Brake dive and Acceleration squat

Shock absorbers work on the principle of fluid displacement on both the compression and extension cycle. A typical car or light truck will have more resistance during its extension cycle then its compression cycle. The compression cycle controls the motion of a vehicle’s unsprung weight, while extension controls the heavier sprung weight.

FUNCTIONS OF DAMPER

The main function of the shock absorber is to absorb the shocks and damp them as soon as possible so that a smooth ride can be obtained.

Some other important functions of shock absorber are
 It limits vehicle body movement
 It stabilizes our ride as discussed above
 It stabilizes vehicle tires which are disturbed due to sudden shock, hence it is very important for safety purpose also
 It also minimizes tire and body wear of the automobile and hence reduces overall maintenance cost
It may sound a simple job but this is the main thing on which the comfort level of your ride depends.

WORKING PRINCIPLE

To understand the shock absorber, it is very important to understand its working.

First of all, we should know that there are generally two types of shock absorbers one is hydraulic and another one is pneumatic. However, working of both the types of shock absorbers is same.

A shock absorber is generally coupled with a spring, which convert sudden shock waves into oscillatory motion. This oscillatory motion gives us instant relief from the shock but, nobody can have his or her whole ride with these oscillations.

Here is the need of shock absorber arises, it is used to damp those oscillations which are made by the springs.
A general shock absorber contains a perforated piston in a hydraulic chamber. The chamber is totally sealed and hence if piston has to make some movement the only way is to let the hydraulic liquid pass through it.

When a shock comes, piston has to move due to shock. When the piston moves than the hydraulic liquid in the shock absorber has to pass through it.

When the liquid is passed through the very tiny perforated holes in the piston the piston has to do some work against it. That work is done on that expense of the energy generated due to the shock and hence soon the shock absorber loses all the shock energy, which results into no oscillation and smooth ride.

SHOCK ABSORBER DESIGN TYPES

There are several shock absorber designs in use today:
1. Twin Tube Designs

• Gas Charged
• PSD (position sensitive damping)
• ASD (Acceleration Sensitive Damping)

2. Mono-Tube

A. Twin Tube – Gas Charged Design

The prime function of gas charging is to minimize aeration of the hydraulic fluid. The pressure of the nitrogen gas compresses air bubbles in the hydraulic fluid. This prevents the oil and air from mixing and creating foam. Foam affects performance because it can be compressed – fluid can not. With aeration reduced, the shock is able to react faster and more predictably, allowing for quicker response time and helping keep the tire firmly planted on the road surface.

Advantages:
• Improves handling by reducing roll, sway and dive
• Reduces aeration offering a greater range of control over a wider variety of road conditions as compared to non-gas units
• Reduced fade – shocks can lose damping capability as they heat up during use. Gas charged shocks could cut this loss of performance, called fade

B. Twin Tube – PSD Design

Ride engineers had to compromise between soft valving and firm valving. With soft valving, the fluid flows more easily. The result is a smoother ride, but with poor handling and a lot of roll/sway. When valving is firm, fluid flows less easily. Handling is improved, but the ride can become harsh.
With the advent of gas charging, ride engineers were able to open up the orifice controls of these valves and improve the balance between comfort and control capabilities available in traditional velocity sensitive dampers.
A leap beyond fluid velocity control is an advanced technology that takes into account the position of the valve within the pressure tube. This is called Position Sensitive Damping (PSD).
The key to this innovation is precision tapered grooves in the pressure tube. Every application is individually tuned, tailoring the length, depth, and taper of these grooves to ensure optimal ride comfort and added control. This in essence creates two zones within the pressure tube.
The first zone, the comfort zone, is where normal driving takes place.
The second zone, the control zone, is utilized during demanding driving situations.

Advantages:

• Allows ride engineers to move beyond simple velocity sensitive valving and use the position of the piston to fine tune the ride characteristic.
• Adjusts more rapidly to changing road and weight conditions than standard shock absorbers
• Two shocks into one – comfort and control

C. Twin Tube -ASD Design (Reflex )

A new twist on the comfort/ control compromise is an innovative technology which provides greater control for handling while improving ride comfort called Acceleration Sensitive Damping (ASD).
This technology moves beyond traditional velocity sensitive damping to focus and address impact. This focus on impact is achieved by utilizing a new compression valve design. This compression valve is a mechanical closed loop system, which opens a bypass to fluid flow around the compression valve.

Advantages:
• Control is enhanced without sacrificing driver comfort
• Valve automatically adjusts to changes in the road condition
• Reduces ride harshness

2. Mono-tube design (Standard Types)

These are high-pressure gas shocks with only one tube, the pressure tube. Inside the pressure tube there are two pistons: a dividing piston and a working piston. The working piston and rod are very similar to the twin tube shock design. The difference in actual application is that a mono-tube shock absorber can be mounted upside down or right side up and will work either way. In addition to its mounting flexibility, mono-tube shocks are a significant component, along with the spring, in supporting vehicle weight. Another difference you may notice is that the mono-tube shock absorber does not have a base valve. Instead, all of the control during compression and extension takes place at the piston.
During operation, the dividing piston moves up and down as the piston rod moves in and out of the shock absorber, keeping the pressure tube full all times.

Advantages:

• Can be mounted upside down, reducing the unsprung weight
• May run cooler since the working tube is exposed to the air
• Original equipment many import and performance domestic passenger cars, SUV and light truck applications

El sistema de suspensión de un automóvil es una de las partes más críticas de un automóvil. A menudo pasa desapercibido ya que su funcionamiento es silencioso. Pero sin suspensión es difícil imaginarse conduciendo un coche. Entonces, ¿para qué sirve un sistema de suspensión en un coche?

La función principal del sistema de suspensión en un automóvil es mantener el vehículo estable anulando las fuerzas externas. Aquí, las fuerzas externas no son más que las fuerzas que siente la carrocería del coche debido a los baches, baches, etc., en la carretera. Además, la suspensión mantiene el coche estable en las curvas y a altas velocidades y ofrece un manejo superior.

Un sistema de varillajes mecánicos, resortes y amortiguadores que se utiliza para conectar las ruedas al chasis se conoce como sistema de suspensión. Por lo general, realiza dos trabajos: controlar el manejo y el frenado del vehículo por razones de seguridad y mantener a los pasajeros cómodos frente a golpes, vibraciones, etc.

También ayuda a mantener la altura correcta del vehículo y la alineación de las ruedas. También controla la dirección del vehículo y debe mantener la rueda en una dirección perpendicular para su máximo agarre. La suspensión también protege el vehículo y el equipaje de daños y desgaste. El diseño de la suspensión delantera y trasera de un automóvil puede ser diferente.

COMPONENTES DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN

Un sistema de suspensión, independientemente de su tipo, tiene algunos componentes principales en común que son:

1. Knuckle or Upright-

Es el componente del sistema de suspensión que está montado sobre el cubo de la rueda a través del cual las ruedas y la suspensión del vehículo se conectan entre sí mediante los enlaces provistos.
Se proporciona un muñón con el pivote central y los ángulos de avance que ayudan a las ruedas delanteras del vehículo a girar en dirección derecha o izquierda, lo que a su vez dirige el vehículo.
Una articulación proporciona alojamiento para el cojinete central sobre el cual gira el cubo de la rueda junto con la rotación de las ruedas.

2. Links

Los varillajes son las conexiones rígidas que se utilizan en el sistema de suspensión para conectar el bastidor principal del vehículo con la articulación de las ruedas a través de sujetadores mecánicos.

Según el tipo de suspensión, los enlaces utilizados son de 3 tipos:

i. Horquillas o brazo en A
Es el tipo de varillaje mecánico que tiene la forma del alfabeto A, el extremo puntiagudo del brazo en A está sujeto al nudillo y los otros 2 extremos del brazo en A están sujetos al bastidor principal del vehículo.
En función de la aplicación del vehículo, se utiliza un brazo A simple o un brazo A doble.

ii. Eje macizo o eje vivo.
Es el tipo de varillaje que se utiliza para conectar el bastidor principal del vehículo con el muñón de la rueda, esta es la carcasa del eje sólido que soporta el peso total del vehículo, este tipo de varillaje se puede ver en camiones.

III. Múltiples enlaces-
En lugar de utilizar doble horquilla o varillaje de eje sólido, varios automóviles de alta gama están adoptando un tipo de suspensión de vínculo múltiple en el que se utilizan múltiples vínculos sólidos para conectar el bastidor principal del vehículo al muñón de la rueda.

3. Amortiguadores o resortes.

Son los componentes mecánicos flexibles que se utilizan para absorber los impactos proporcionados por las condiciones de la carretera y se colocan entre los varillajes (espoleta. Eje sólido, enlaces múltiples) y el bastidor principal de modo que el impacto de la carretera se minimice antes de transmitirse al bastidor principal de un vehículo.

Según la aplicación y el tipo de suspensión, los amortiguadores utilizados son de muchos tipos que son:

i. Amortiguador tipo resorte y amortiguador-
Es el tipo de amortiguador en el que se utiliza un pistón neumático o hidráulico conocido como amortiguador que proporciona amortiguación absorbiendo los impactos de la carretera.

Este amortiguador está rodeado por un resorte helicoidal de compresión que es una restricción mecánica elástica que se comprime cuando el golpe aplica fuerza y retrocede o recupera su forma y tamaño originales cuando se elimina la fuerza.

Se utiliza para mantener la superficie de contacto de los neumáticos con la carretera proporcionando rigidez (resistencia a la compresión), además mantiene el amortiguador en su longitud original después de absorber el impacto.

Ballesta
Es el tipo de resorte en el que una serie de placas de metal dúctil llamadas láminas están dispuestas en un patrón especial, es decir, una sobre una en orden ascendente de su longitud, las láminas del amortiguador de láminas están pretensadas de tal manera que cuando el choque es transferidas por las ruedas, estas hojas pretensadas al ser dúctiles intentan recuperar su forma original, es decir, enderezarse. Por lo que el impacto es absorbido por las hojas.

Este tipo de amortiguador se puede ver fácilmente en camiones en la carretera en los que se utiliza un amortiguador de ballesta entre el eje sólido o vivo y el bastidor principal del vehículo.

Aire
Es el último tipo de amortiguador que se puede ver fácilmente en los autobuses Volvo; en los amortiguadores de resorte neumático la amortiguación del impacto es una función de la compresión del aire, lo que significa que se utiliza aire como amortiguador.
El aire necesario para diferentes condiciones de carga es controlado y monitoreado por la unidad de control eléctrico del vehículo.

TIPOS DE SISTEMA DE SUSPENSIÓN

1) SISTEMA DE SUSPENSIÓN INDEPENDIENTE

Este sistema significa que la suspensión está configurada de tal manera que permite que las ruedas del lado izquierdo y derecho del vehículo se muevan verticalmente de forma independiente hacia arriba y hacia abajo mientras se conduce sobre una superficie irregular. Una fuerza que actúa sobre una sola rueda no afecta a la otra ya que no existe ningún vínculo mecánico entre los dos cubos del mismo vehículo. En la mayoría de los vehículos se emplea en las ruedas delanteras.
Este tipo de suspensión suele ofrecer una mejor calidad de marcha y manejo debido a que tiene menos peso no suspendido. La principal ventaja de la suspensión independiente es que requiere menos espacio, proporciona una maniobrabilidad más fácil, peso reducido, etc. Ejemplos de suspensión independiente son

i. Double Wishbones

It is an independent suspension system design using two wishbone-shaped arms(called A-ARM in USA and WISHBONE in the UNITED KINGDOM)to locate the wheel. Each wishbone or arm has two mounting points to the chassis and one joint at the knuckle. The angle movements of the compressing and rebounding wheels can be managed by using arms of unequal length.
The main advantage of the double-wishbone suspensions is that they allow easy adjustments of camber, toe and other properties. This type of suspension also provides increasing negative camber gain all the way to full jounce travel. On the other hand, it takes more space and is slightly more complex than the other system like Macpherson strut. It also offers less design choice.

ii. MacPherson Strut

Opción de la suspensión de doble horquilla. La principal ventaja del MacPherson es que todas las piezas que proporcionan la suspensión y el control de las ruedas se pueden combinar en un solo conjunto.

Facilita la instalación en motor transversal. Este diseño es muy popular debido a su sencillez y bajo coste de fabricación. La desventaja es que es más difícil aislar del ruido de la carretera. Para ello es necesario un soporte de puntal superior, que debe estar lo más desacoplado posible. También requiere una mayor altura libre.

2) SISTEMA DE SUSPENSIÓN DEPENDIENTE

EN Suspensión dependiente hay un enlace rígido entre las dos ruedas del mismo eje. Una fuerza que actúa sobre una rueda afectará a la rueda opuesta. Por cada movimiento de la rueda provocado por la carretera, las irregularidades afectan también a la rueda acoplada.
Se emplea principalmente en vehículos pesados. Puede soportar golpes con mayor capacidad que la suspensión independiente. Ejemplo de este sistema es

I. Eje macizo.
Un eje macizo o un eje de viga es un tipo de suspensión dependiente. Se utiliza principalmente en ruedas traseras en las que el eje trasero está soportado y ubicado por dos ballestas. El movimiento vertical de una rueda influye en la otra. Son sencillos y económicos de fabricar.
Son tan rígidos que no hay cambios en el ancho de vía, la convergencia y la inclinación en un bache lleno, lo que ayuda a reducir el desgaste de los neumáticos. La principal desventaja es que la masa de la viga está incluida en el peso no suspendido del vehículo, lo que da como resultado una baja calidad de marcha. La capacidad para tomar curvas también es pobre debido al ángulo de caída cero.

3) SISTEMA SEMIINDEPENDIENTE

Este tipo de sistema tiene características tanto de suspensión dependiente como independiente. En la suspensión semiindependiente, las ruedas se mueven entre sí como en la suspensión independiente, pero la posición de una rueda tiene algún efecto sobre la otra. Esto se hace girando las piezas de suspensión. Ejemplo de semiindependiente es

i. Haz giratorio
La suspensión de viga de torsión también se conoce como eje de viga de torsión. Estos se basan principalmente en miembros en forma de C o H. La viga transversal en forma de H mantiene unidos los dos brazos de arrastre y proporciona rigidez a la suspensión.
Se utiliza principalmente en la rueda trasera de los coches. Es muy favorable por su bajo coste y es muy duradero. Tiene un diseño sencillo y es muy ligero. Pero, por otro lado, el ángulo de caída es limitado y la rigidez del balanceo tampoco es muy fácil. Las características de los dedos pueden ser inadecuadas.

La barra estabilizadora de la suspensión de un vehículo es una barra de acero con propiedades de naturaleza elástica, que se encuentra fijada en sus extremos a cada soporte de la suspensión de cada lado del mismo eje.

Todo vehículo circulando a velocidad por una curva se ve sometido a una fuerza centrífuga que hace que se incline hacia un costado, que puede generar una sensación de molestia en los ocupantes del vehículo, además de poder existir un peligro real de vuelco del vehículo si la velocidad fuera inadecuadamente excesiva.

Esto es así debido a la fuerza centrífuga que actúa sobre el vehículo, que es de dirección radial y ejerce un empuje sobre el vehículo que tira de él hacia el exterior de la curva.

Esta fuerza genera una transferencia de carga en el vehículo que hace inclinar a la carrocería de tal forma que una parte de la suspensión, la situada en el lado exterior a la curva, se comprima, mientras que la otra parte de la suspensión del vehículo, la situada hacia el interior de la curva, se expanda corriendo el riesgo de despegar la rueda de este lado del pavimento.

Este hecho, es decir, que las ruedas de un lado del vehículo tiendan a subir, mientras que las ruedas del otro lado tiendan a bajar comprimiéndose contra el suelo, va a generar un par de torsión que es absorbido por la barra estabilizadora, impidiendo que la carrocería se incline excesivamente hacia un lado y ejerciendo una resistencia al balanceo del vehículo.

Así, el movimiento vertical hacia arriba de la rueda situada del lado interior de la curva se transmite a la otra rueda del eje a través de la barra estabilizadora, que tiende a bajar la carrocería de ese lado comprimiendo el muelle de la suspensión, de manera que se consigue sumar la acción de los dos muelles, ayudando a mantener la estabilidad del vehículo.

Por ello, la barra estabilizadora se considera un componente elástico de la suspensión dado que actúa en parte también como muelle, especialmente cuando actúa sobre la rueda del lado del eje que tiende a subir.

Este mismo efecto se produce, no sólo cuando el vehículo toma una curva, sino cuando por ejemplo, una de las ruedas encuentra un bache o cualquier obstáculo, creando, al bajar o subir la rueda, un par de torsión en la barra que hace que la carrocería se mantenga en posición horizontal. De esta forma, como se ha dicho, se consigue sumar la acción de los dos muelles.

Por tanto, la barra estabilizadora de la suspensión de un vehículo trabaja a torsión, compensando los esfuerzos generados de una rueda sobre la otra del eje mediante una transferencia de peso de la rueda que se comprime hacia la rueda del lado que tiende a elevarse, aumentando así su adherencia.

De este modo, se evita que el muelle de un lado de la suspensión se comprima excesivamente, mientras que el otro muelle se expanda, pudiendo hacer perder el contacto de la rueda con el piso.