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Cómo funciona el control activo del balanceo

Comentar Publicado el jueves 25 de enero de 2018
Cómo funciona el control activo del balanceo

El control activo del balanceo es la variante de suspensión activa más sencilla y asequible, pero permite prevenir el vuelco, mejorar el confort y modular el subviraje con una sutileza exquisita.

Todos sabemos que los coches balancean en mayor o menor medida. Es algo que tenemos interiorizado, asumido. Sin embargo, eso no significa que sea un fenómeno sencillo de entender, ni fácil de subsanar. Los coches balancean debido a una combinación de razones físicas.

La primera de todas es que el chasis, el habitáculo y el tren motriz van apoyados sobre suspensiones. Al poder comprimirse, las suspensiones permiten que el conjunto de todo lo anterior, denominado como ´la masa suspendida´, bascule hacia los lados –también arriba y abajo, el denominado cabeceo, pero en esta ocasión vamos a centrarnos sólo en el balanceo–.

Al balancear, la masa suspendida bascula en torno a un eje imaginario longitudinal que pasa por dos puntos: los centros de balanceo delantero y trasero. La posición de esos puntos está determinada por la geometría de la suspensión. En el caso de un vehículo con ejes rígidos –por ejemplo, un todoterreno de corte radical como Jeep Wrangler– ese centro de balanceo se encuentra siempre en el centro del eje. En los coches con suspensiones más elaboradas, el centro de balanceo cambia un poco de posición durante el balanceo, pero se sigue situando aproximadamente entre las ruedas.

La mayor parte del peso del coche –y, por lo tanto, también su centro de gravedad– se sitúa por encima de ambos centros de balanceo. De manera que, cada vez que el coche aborda una curva, aparece una fuerza que obliga a toda la carrocería a bascular a lo largo de su eje de balanceo. Si el centro de gravedad de la masa suspendida de un coche estuviera a la misma altura que el eje de balanceo, el coche viraría plano. Y si estuviera por debajo, el vehículo se inclinaría ´al revés´ en las curvas... de forma parecida a alguien que se balancea en una hamaca. Es decir, el movimiento de balanceo de la carrocería es consecuencia de la aceleración lateral que esta experimenta... y ésta, a su vez, depende de la velocidad a la que se tome la curva y su radio.




Por qué no es bueno el balanceo

El balanceo de la carrocería es un movimiento indeseable porque provoca varios efectos negativos que vamos a analizar. El primero y más obvio de todos es que incrementa el riesgo de vuelco, especialmente en coches altos, en los que existe una mayor distancia entre el centro de gravedad y su eje de balanceo.

El segundo es que el movimiento que experimenta el eje virtual de balanceo a medida que aumenta el balanceo reduce la estabilidad del vehículo y hace que su comportamiento sea menos predecible para el conductor. Además, un balanceo excesivo afecta al confort de los pasajeros y a la confianza del conductor.

El tercero es que el balanceo afecta al ángulo de caída de las ruedas –el ángulo que forma con la vertical, en el punto de contacto con el asfalto, el plano vertical de simetría del neumático; ver esquema arriba a la izquierda–. Al reducir ese ángulo –llegando incluso a hacerlo negativo–, disminuye la superficie de neumático en contacto con la carretera y, con ella, la adherencia disponible.

La forma más común de paliar el balanceo de la carrocería es empleando barras estabilizadoras. Una estabilizadora es un tubo de acero con forma de U que interconecta las ruedas de un eje.

La barra estabilizadora compensa el balanceo porque, a medida que la suspensión de un lado se comprime, fuerza a la del lado contrario a comprimirse también. De hecho, una estabilizadora infinitamente rígida anularía el balanceo de la carrocería por completo. Técnicamente se dice que la barra estabilizadora ´incrementa la rigidez a balanceo del eje´.

Sin embargo, la barra estabilizadora no es una solución ´perfecta´. Una estabilizadora demasiado rígida somete a los ocupantes a constantes aceleraciones laterales que pueden provocar rápidamente un mareo. Además, la presencia de la estabilizadora se traduce en que cualquier bache abordado sólo con las ruedas de un lado tiene sobre la carrocería un efecto similar al de una aceleración lateral inexistente. Este hecho, denominado road copying o copiado de carretera, impide que la suspensión haga bien su trabajo, que consiste en minimizar los movimientos verticales de la carrocería.

Compromiso entre adherencia y confort

Una forma de resolver esta aparente contradicción es controlar de forma activa el balanceo de la carrocería mediante un mecanismo que permita ajustar en tiempo real la rigidez a balanceo de las suspensiones.

El honor de haber comercializado en serie el primer control activo de balanceo le corresponde al Citroën Xantia Activa de 1995 y a su suspensión Hidractiva II. En el caso del Xantia, se realizaba un ´bloqueo hidráulico´ del balanceo; algo parecido a sustituir la estabilizadora elástica por un sistema hidráulico y, por lo tanto, casi infinitamente rígido, de manera que podríamos denominarlo más bien como un sistema ´semiactivo´. El Xantia Activa viraba plano... pero también era capaz de provocar terribles mareos en sus ocupantes –especialmente, en los de las plazas traseras–. Además, al estar asociado al particular sistema de suspensión hidroneumática de Citroën, apenas tenía papeletas para conseguir ´conquistar el mercado´.



Posteriormente, ha habido varias marcas que han intentado domar el balanceo de la carrocería... con más o menos éxito. En 2003, BMW lanzó su sistema de estabilizadoras activas en el Serie 5. El Dynamic Drive empleaba unas barras estabilizadoras con sendos actuadores electrohidráulicos intercalados que se alimentaban del sistema de dirección asistida electrohidráulica, y permitían modificar la rigidez a balanceo de ambas suspensiones. Fue el primer sistema de estabilizadoras activas ´de doble canal´ –porque cada eje se regulaba de manera independiente– de la historia. Y un par de años después, Aisin y Toyota comenzaron a hacer lo mismo en modelos de Lexus como el LS y de Toyota como el Crown, pero empleando un sistema electromecánico –más compacto y sencillo, y sin apenas repercusión sobre el consumo– que después acabaría incorporando también el propio BMW Serie 7.

Estas barras estabilizadoras activas electromecánicas eran una buena idea, aunque tenían el inconveniente de cualquier otro sistema alimentado por la ´triste´ red de 12 voltios de cualquier vehículo: con una potencia máxima de unos 3 kW a repartir entre dos ejes, podían compensar algo el balanceo... pero no podían llegar al punto de actuar de forma lo bastante instantánea y contundente como para anular el road copying o matizar milimétricamente la trayectoria del vehículo.

Mientras, fabricantes muy premium, como Audi –con su sistema hidráulico pasivo Dynamic Ride Control, actualmente disponible para los RS5, RS6 y RS7–, Porsche –con su sistema hidráulico de control activo del balanceo PDCC para el 911–, o McLaren se iban atreviendo sucesivamente a invertir el dinero y la energía necesarios para controlar mejor el balanceo.

El caso de McLaren es especialmente ilustrativo: su suspensión activa Proactive Chassis Control, desarrollada por Tenneco, es capaz de desacoplar por completo los movimientos de cabeceo y balanceo de la carrocería del funcionamiento ordinario de la suspensión, dotando a los modelos de sus Super Series de un tacto peculiar... pero indiscutiblemente confortable a la par que efectivo.

En cualquier caso, la llegada de los primeros modelos con una red de a bordo de 48 voltios está cambiando rápidamente este escenario, y poniendo el control activo de balanceo al alcance de vehículos algo menos exclusivos.

Por ejemplo, el proveedor alemán Schaeffler ha desarrollado unas barras estabilizadoras activas electromecánicas que, gracias a esos 48 voltios, son capaces de proporcionar hasta 1.200 Nm de par para contrarrestar el balanceo, con una rapidez de respuesta de hasta 4.500 Nm/s y un ángulo de torsión máximo de 30 grados. Dentro del pequeño cilindro intercalado en la barra estabilizadora (1) se aloja todo lo necesario para hacer esa palanca tan brutal: un motor de corriente continua (2) y un doble tren epicicloidal de engranajes (3). Estas barras ya se emplean en varios modelos basados en los kits modulares de carrocería MSB y MLBevo de Volkswagen, como son el Audi SQ7 y sus ´alter ego´ Bentley Bentayga y Porsche Cayenne, y el Porsche Panamera.



En el caso de vehículos todo camino como el Cayenne, estas barras mejoran el paso por curva, neutralizando el balanceo hasta alcanzar alrededor de 0,7 g de aceleración lateral, momento en el que comienzan a ´aflojar´ para proporcionar al conductor la sensación subjetiva de que se está alcanzando el límite de adherencia. En el Panamera, cuando se selecciona el modo más ´radical´ de conducción Sport +, la inclinación de la carrocería es literalmente de 0 grados hasta alcanzar 1,0g de aceleración lateral.

Controlar la dinámica con el balanceo

De forma que las barras estabilizadoras activas ayudan a evitar que coches demasiado altos no acaben volcados, consiguen mejorar el confort desacoplando las suspensiones de ambos lados cuando se circula en línea recta y mejoran marginalmente la adherencia y la velocidad de paso por curva. Sin embargo, no acaban de parecer algo de lo que EVO se deba de ocupar demasiado... ¿dónde está el truco?

La gracia de los modernos sistemas de control del balanceo reside en que son capaces de alterar el equilibrio dinámico del coche para, de esta forma, ajustar su comportamiento y trayectoria. ¿Recordáis la manida frase de ´ahuecar el acelerador para redondear la trayectoria"? Pues las estabilizadoras activas permiten realizar ese mismo proceso... de forma casi digital.

Veamos un poco más en profundidad cómo funciona esta parte de la dinámica del vehículo. Como hemos dicho antes, las estabilizadoras activas permiten alterar el reparto de cargas entre las ruedas de un mismo eje. Es decir, permiten descargar o cargar la rueda exterior al giro, lo cual reduce o aumenta respectivamente la adherencia de ese eje.

Así, por ejemplo, incrementar la rigidez de la estabilizadora trasera disminuye el subviraje debido a la reducción en la adherencia del tren trasero, que se traduce en un incremento en el ritmo al gira el tren trasero –la denominada tasa de guiñada– del tren trasero. Eso permite abordar la curva más deprisa y girando menos la dirección. En última instancia, este cambio permite alcanzar aceleraciones laterales más elevadas... y una velocidad máxima de paso por curva superior. Cuando se incrementa la rigidez de la estabilizadora delantera ocurre el proceso inverso: el tren delantero pierde adherencia, el subviraje aumenta y el coche se vuelve más manso y controlable. A cambio, se reduce la aceleración lateral máxima, y se requiere más giro de volante para abordar la misma curva.

Al poder actuar de forma independiente sobre la adherencia del eje delantero y trasero, estos sistemas permiten dosificar el comportamiento subvirador del coche, generando la impresión de que el margen de dirección disponible para modular el subviraje es mucho más amplio del real. O dicho de otro modo, estos sistemas brindan la posibilidad de entrar sobrevirando levemente en todas las curvas... y salir de ellas subvirando serena y controladamente. Es decir, procuran exactamente la clase de comportamiento que exacerba la confianza del conductor y conquista de inmediato su corazoncito... con la ventaja de resultar sensiblemente más sencillo de implementar y poner a punto que un sistema de dirección a las cuatro ruedas.

Así funciona el sistema antibalanceo

Los dos esquemas superiores de la derecha  ilustran cómo puede afectar al equilibrio del vehículo la transferencia de carga entre ruedas del mismo eje.
Para que un coche tome una curva, es necesario que actúe sobre el eje delantero y trasero una fuerza lateral. Normalmente, esta fuerza es idéntica en ambos ejes, los dos giran al mismo ritmo, y el coche adopta una actitud ´neutra´ al abordar la curva.

Cuando nos acercamos al límite de adherencia –a partir de 0,7 g de aceleración lateral–, estas fuerzas comienzan a descompensarse. La suspensión de todos los coches está diseñada de manera que la fuerza lateral máxima que puede soportar el eje delantero sea menor que la que puede resistir el trasero. El resultado es el denominado subviraje: como el eje delantero no puede hacer tanta fuerza como el trasero para girar... el coche comienza a ´irse de morro´.



Las estabilizadoras activas permiten transferir carga de la rueda exterior –que tiene mayor adherencia– a la interior –que tiene menos–, disminuyendo así la fuerza transversal máxima que puede soportar el eje. En el tren delantero, eso incrementa el subviraje; en el trasero, lo reduce.

En las gráficas de la derecha se aprecia como, en comparación con unas barras estabilizadoras pasivas convencionales,  las estabilizadoras activas del Porsche Panamera pueden tanto reducir los valores de aceleración lateral que experimentan los ocupantes –cuya oscilación es responsable del mareo– como reducir el balanceo de la carrocería... de forma más agresiva cuanto más deportivo es el programa de conducción seleccionado.



 
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