Amortiguadores

1.1. Introducción teórica
Los amortiguadores son dispositivos utilizados para disipar energía en sistemas dinámicos (e.g. con movimiento vibratorio). Una de las aplicaciones más comunes de amortiguadores es en la suspensión de vehículos. Sin el amortiguador, sería imposible que los vehículos en la actualidad pudieran viajar a velocidades de autopista, ya que cuando la suspensión del vehículo seacerca a entrar en resonancia con la excitación producida por la carretera, el movimiento de la cabina puede llegar a ser incontrolable. Un vehículo con amortiguadores dañados (muy baja amortiguación) es más difícil de controlar debido a los grandes movimientos de la cabina. También se genera un excesivo rebote de los cauchos sobre la carretera, lo cual a su vez implica menos agarre del caucho alpiso y por lo tanto menor capacidad del vehículo para cruzar y frenar.
Existen muchos tipos de amortiguadores, así como también existen muchos tipos de aplicaciones y condiciones de trabajo (no sólo automotrices) donde se necesita amortiguación. En la presente práctica se trabajará con un amortiguador de aplicación automotriz, por tanto se ahondará en la teoría correspondiente.
Flujos yfuerzas en un amortiguador hidráulico telescópico

Los amortiguadores automotrices tienen más de un siglo de evolución. Los primeros funcionaron con fricción seca. Luego que se descubrieron las ventajas de la fricción dinámica con fluidos, se diseñaron diferentes configuraciones. La configuración telescópica ha sido la más exitosa debido a su simplicidad, desempeño y bajo costo. La Fig. 1 muestra laconfiguración general de un amortiguador telescópico. El arreglo puede ser diferente, pero el principio de funcionamiento es el mismo.

Donde:

QFC Caudal por la cabeza de compresión en compresión
QPC Caudal por el pistón en compresión
QFE Caudal por la cabeza de compresión en extensión
QPE Caudal por el pistón en extensión

La fuerza axial resultante sobre el pistón durante encompresión es:



Donde:
PC Presión en la cámara de compresión
PE Presión en la cámara de extensión
AP Área transversal del pistón
AE Área transversal del eje

La fuerza axial resultante sobre el pistón durante extensión es:

Si se conocen los cambios de presión generados por los flujos a través de las válvulas, entonces se pueden calcular las presionesde cada cámara en cada caso y por tanto la fuerza generada por el amortiguador.
Otro aspecto relevante a resaltar es que este tipo de amortiguadores necesita una cámara de aire para que el aceite pueda ser desplazado por el volumen del eje que va entrando en el cilindro principal. Si la cámara de aire está cerrada (i.e. no tiene salida a la atmósfera), el aire se comprime a medida que el ejeentra en el cilindro principal. Este aire comprimido genera una fuerza que intenta expulsar al eje del cilindro. El aire comprimido actúa entonces como si fuera un resorte en paralelo con el amortiguador. Usar aire (ó nitrógeno) pre comprimido tiene el beneficio de evitar la cavitación en las válvulas.

Parámetros básicos de un amortiguador

Los parámetros básicos que definen el comportamientode un amortiguador son: La curva característica (Gráfica F(V), es decir Fuerza Vs. Velocidad), el coeficiente de amortiguación promedio y la relación compresión/extensión. La Fig. 2 muestra la curva característica de un amortiguador para vehículo de carrera. En esta figura, fuerza positiva se refiere a la fuerza generada por el amortiguador en extensión y la negativa en compresión. Se observantres curvas en extensión y compresión porque este amortiguador para vehículo de carrera es ajustable, por tanto al cambiársele la configuración en las válvulas, cambia su comportamiento. La aproximación lineal presentada en la Fig. 2 se usa para estimar la constante de amortiguación. La pendiente de esa recta representa una aproximación de la constante de amortiguación.

Para análisis dinámicos...