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Uso e importancia de las suspensiones hidroneum�ticas en veh�culos de carga

 

Use and importance of hydropneumatic suspensions in cargo vehicles

 

Utiliza��o e import�ncia das suspens�es hidropneum�ticas em ve�culos de carga

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: tobias.cueva190@ist17dejulio.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de julio de 2022 *Aceptado: 12 de agosto de 2022 * Publicado: 15 de septiembre de 2022

 

1. Instituto Superior Tecnol�gico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.
2. Instituto Superior Tecnol�gico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.
3. Instituto Superior Tecnol�gico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.

Resumen

En busca de mejorar el confort en la conducci�n, as� como la seguridad en el manejo en las cambiantes condiciones del terreno, el sistema de suspensi�n juega un papel destacado, en funci�n del tipo de sistema de suspensi�n que este instalado en el veh�culo, el peso de la carga puede incluir en el comportamiento de este, y por lo tanto en rendimiento y respuesta a las condiciones del entorno, es por ello que en este trabajo de investigaci�n se plantea como prop�sito evaluar la importancia y el uso de los sistemas de suspensi�n hidroneum�ticos en los veh�culos de carga, puesto que estos sistemas como se demostrara de manera conceptual en este trabajo, permite mejorar significativamente el comportamiento del veh�culo en diferentes condiciones, la metodolog�a empleada se enmarca en desarrollar una investigaci�n te�rica b�sica de tipo documental y descriptiva, basando en la revisi�n de literatura cient�fica.

Palabras Clave: suspensi�n hidroneum�tica; veh�culos de carga; aplicaciones.

 

Abstract

In search of improving driving comfort, as well as driving safety in changing terrain conditions, the suspension system plays an important role, depending on the type of suspension system that is installed in the vehicle, the weight of the load can include in its behavior, and therefore in performance and response to environmental conditions, that is why in this research work the purpose is to evaluate the importance and use of hydropneumatic suspension systems in cargo vehicles, since these systems, as demonstrated conceptually in this work, allow to significantly improve the behavior of the vehicle in different conditions, the methodology used is framed in developing a basic theoretical research of documentary and descriptive type, based on the review of scientific literature.

Keywords: hydropneumatic suspension; cargo vehicles; Applications.

 

Resumo

Em busca de melhorar o conforto de condu��o, bem como a seguran�a de condu��o em condi��es de terreno vari�veis, o sistema de suspens�o desempenha um papel importante, dependendo do tipo de sistema de suspens�o que est� instalado no ve�culo, o peso da carga pode incluir no seu comportamento, e, portanto, no desempenho e resposta �s condi��es ambientais, por isso neste trabalho de pesquisa o objetivo � avaliar a import�ncia e uso de sistemas de suspens�o hidropneum�tica em ve�culos de carga, uma vez que esses sistemas, conforme demonstrado conceitualmente neste trabalho, permitem melhorar significativamente a comportamento do ve�culo em diferentes condi��es, a metodologia utilizada est� enquadrada no desenvolvimento de uma pesquisa te�rica b�sica do tipo documental e descritiva, baseada na revis�o da literatura cient�fica.

Palavras-chave: suspens�o hidropneum�tica; ve�culos de carga; Formul�rios.

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Introducci�n

Los veh�culos de carga terrestre cumplen el prop�sito de trasladar mercanc�as, materias primas, productos y dem�s, de un lugar a otro, el tipo de veh�culo requerido depender� de la cantidad, tipo, peso de la carga, y la distancia a recorrer, sin embargo, en cualquier caso, la conducci�n y maniobrabilidad del veh�culo debe ser segura, y confortable.

En consecuencia, los veh�culos deben operar de manera consistente y con las mismas prestaciones en los distintos ambientes y terrenos por lo que estos, deben de contar con un sistema provea seguridad activa y a su vez aportar confort, permitiendo absorber las irregularidades del camino. Es aqu� donde el sistema de suspensi�n cumple con esto requerimientos, y del mismo modo garantiza el contacto de los neum�ticos con el pavimento (C�ceres, 2021).

En el mismo orden de idea, los veh�culos al estar sujeto a las condiciones topogr�ficas, los cambios de velocidad tanto al avanzar como en el momento del frenado, as� como, los cambios de direcci�n que realiza el conductor al maniobrar, las condiciones orogr�ficas y clim�ticas en el lugar donde este conduciendo, son factores que influye en su comportamiento, lo que, a su vez somete al sistema de suspensi�n a grandes exigencia que afecta el comportamiento din�mico del veh�culo (Arzola y Castro-Torres, 2019).

Es por ello, que el sistema de suspensi�n es uno de los sietes sistemas principales de un veh�culo, puesto que est� dise�ado para garantizar el contacto de los neum�ticos con la calzada y mitigando las oscilaciones presentes en el veh�culo tales como: empuje, cabeceo, bamboleo, las cuales son provocadas principalmente por: irregularidades de la carretera, acci�n de masas giratorias (motor y transmisi�n) y acciones aerodin�micas (C�ceres, 2021).

En el mismo orden de idea, la suspensi�n tiene como prop�sito absorber la mayor cantidad de energ�a en forma de vibraciones, provocada por las irregularidades del terreno. Por lo que el sistema cuenta con un medio el�stico entre los neum�ticos y el bastidor, que se deformar� debido al propio peso del veh�culo y a su vez, absorber� energ�a debido a la inercia producida al elevarse o descender por las irregularidades de la calzada, y se liberar� al momento que regrese a la posici�n inicial.

Igualmente, el sistema de suspensi�n est� compuesto principalmente por 3 componentes o elementos, ver figura 1, los cuales son: el componente flexible o el�stico que lo constituye las ballestas, muelles helicoidales, las barras de torsi�n, y el coj�n neum�tico, siendo su funci�n es absorber la energ�a producida por las irregularidades del terreno. El componente disipativo que lo constituye los amortiguadores, y se encargan de controlar los rebotes que generan los elementos el�sticos. Por �ltimo, el componente estructural o de gu�a, los cual lo constituyen elementos tales como las barras estabilizadoras, tirantes de reacci�n o barras transversales (Limi�ana, 2021).

 

Figura 1

Componentes del sistema de suspensi�n

Autor: propia a partir de (Limi�ana, 2021)

Asimismo, el sistema de suspensi�n adem�s de su funci�n principal, tambi�n cumple con otras funciones tales como: transmitir la aceleraci�n, resistir el frenado, soportar el peso del veh�culo, presentar estabilidad en curvas (Bancayan, 2020).

En consecuencia. Se puede resumir que la funci�n del sistema de suspensi�n es soportar el peso de bastidor, todos los elementos y componentes del veh�culo, as� como el peso de los ocupantes y la carga, adem�s de facilitar la conducci�n, del mismo modo, proporcionar confort y seguridad a sus ocupantes y la carga. De igual modo, el sistema de suspensi�n mantiene unidas las masa suspendida y masa no suspendida, ver figura 2. El correcto funcionamiento del sistema de suspensi�n realiza las siguientes tareas (Alvarado-Soshina et al., 2022):

• Mantener el contacto de los neum�ticos y la calzada, as� como la altura de marcha.
• Disminuir los saltos del veh�culo por las irregularidades del camino y mantener el control.
• Conservar las ruedas alineadas
•  

Figura 2

Funci�n del sistema de suspensi�n, para sujetar la masa suspendida de la no suspendida

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Fuente: (Puyol y Vel�squez, 2019)

 

En este sentido, las suspensiones hidroneum�ticas, gracias a su dise�o compacto y flexibilidad, se a implementado en veh�culos comerciales de carretera y todoterreno, su rigidez neum�tica no lineal y amortiguaci�n hidr�ulica pueden proporcionar una mayor atenuaci�n de las vibraciones producto de las irregularidad del terreno, bajo grandes variaciones de carga �til, y a la vez permite un mejor rendimiento en el manejo a trav�s de interconexiones de ejes cruzados o intervenciones de control electr�nicos (Yin et al., 2018)

Por consiguiente, el prop�sito de este trabajo de investigaci�n es evaluar el uso y la importancia que tiene los sistemas de suspensi�n hidroneum�tica en veh�culos de carga, centrado los objetivo en describir de manera te�rica y documental los beneficios que presenta este tipo de suspensi�n en el transporte de carga. Por lo que se produjo una minuciosa revisi�n en la literatura cient�fica consiguiendo plasmar los basamentos generales de la importancia y empleo de las suspensiones hidroneum�ticas.

 

Metodolog�a

Con el objetivo de evaluar el uso y la importancia del sistema de suspensi�n hidroneum�tica en los veh�culos de carga, se plantea una metodolog�a que permita exponer de manera clara y con rigor acad�mico las caracter�sticas m�s resaltantes de las suspensiones hidroneum�ticas, por lo que esta investigaci�n se considera como una investigaci�n descriptiva, y a su vez, no experimental ya que no se pretende en ning�n caso manipular variables (Hern�ndez et al., 2014).

De igual modo, se espera conseguir como resultado un marco conceptual y general sobre el uso de este tipo de suspensiones por lo que esta investigaci�n al mismo tiempo se considera como una investigaci�n te�rica b�sica (Mej�as, 2005)

En el mismo orden de idea, considerando que la informaci�n mostrada en esta investigaci�n, las bases te�ricas expuesta en este trabajo son obtenidas mediante un an�lisis sistem�tico de trabajos con inter�s acad�mico, relacionados con los sistemas de suspensi�n hidroneum�tica, los cuales se consideraron los que proven�an de revistas indexadas, as� como, trabajo de grados a nivel de pregrado, maestr�as y doctorados de instituciones universitarias. Por lo cual este trabajo adem�s de ser de tipo descriptivo, te�rico b�sico tambi�n es considerado documental (Bernal, 2010).

Se usaron como herramienta para la b�squeda de la informaci�n, buscadores webs enfocados en art�culos cient�ficos y repositorios acad�micos, tales como Google acad�mico, MDPI, Springer, Resarchgate, usando las palabras claves, veh�culos de carga, suspensi�n hidroneum�tica, suspensiones, dise�o de suspensiones.

 

Resultados y discusi�n

El sistema de suspensi�n es uno de los componentes m�s importante de los veh�culos, puesto que este es el garante de mantener la estabilidad del veh�culo en los diferentes terrenos, y a su vez mantener el confort de los ocupantes y la carga, existe diferentes tipos o clases de suspensi�n, entre los cuales se tienen la suspensi�n pasiva, la suspensi�n semiactiva y la activa (Yang et al., 2021)

Asimismo, se puede entender que la suspensi�n pasiva se caracteriza por mantener constantes los valores de amortiguaci�n, es decir de ninguna manera se puede modificar sus prestaciones en funci�n de las condiciones de la carretera y carga del veh�culo (Limi�ana, 2021)

En el mismo orden de idea, la suspensi�n pasiva tambi�n se puede considerar como suspensi�n mec�nica, cuyo comportamiento esta asociado con sus componentes y esto se ven afectado o influenciado por el aumento de la carga del veh�culo, puesto que esta produce la deflexi�n est�tica del elemento el�stico (muelles helicoidales, por ejemplo), reduciendo significativamente el rango de carrera del resorte, provocando eventualmente golpes del neum�tico con la masa suspendida del veh�culo. El rango completo de deflexi�n del resorte es la suma de la deflexi�n est�tica y la deflexi�n din�mica (Paredes y Silva, 2019)

Asimismo, las suspensiones pasivas no son capaces de hacer frente a todas las exigencias a las que se somete los veh�culos. Por lo que, Actualmente, las tendencias en el desarrollo de los sistemas de suspensi�n de los veh�culos se encuentra los sistemas de suspensi�n semiactiva, activa y adaptativa que permiten ajustar los par�metros de suspensi�n a las condiciones espec�ficas de la carretera y al estilo de conducci�n (Kwon et al., 2020)

Igualmente, los par�metros estructurales de la suspensi�n pasiva, de ning�n modo se pueden modificar o ajusta, por lo que no considera el desempe�o din�mico. Por otro lado, la suspensi�n controlable es decir la suspensi�n semiactiva y la suspensi�n activa, se logra adecuar la amortiguaci�n o la rigidez del sistema de acuerdo con las condiciones de la carretera, obtener un �ptimo desempe�o en la conducci�n (Bancayan, 2020)

En efecto, existe sistemas de suspensi�n donde los componentes del sistema difieren con respecto a los sistemas de suspensi�n convencionales, dado que, no utilizan componente el�stico (muelles o ballestas) y as� como una variaci�n de los componentes disipativos (amortiguador), ver figura 3. Estos componentes son sustituidos por sistemas hidr�ulicos y/o neum�ticos que cumplen la funci�n de los amortiguadores y los muelles, al mismo tiempo, a trav�s de dispositivos electr�nicos permiten modificar su comportamiento por lo que se consideran sistemas de suspensi�n activa.

En este sentido, en caso de suspensi�n hidroneum�tica o neum�tica, la deflexi�n est�tica no depende de la carga, por lo que el rango completo de la carga del resorte es igual a la deflexi�n din�mica. De ning�n modo se presenta la disminuci�n de la distancia entre la masa suspendida y el neum�tico con el aumento de la carga est�tica, como ocurre con los sistemas de suspensi�n pasiva ya expuestos anteriormente (Paredes y Silva, 2019) y (Yang et al., 2021)

 

Figura 3.

Esquema b�sico de un sistema de suspensi�n hidroneum�tica

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Fuente: (Limi�ana, 2021)

 

Por consiguiente, los sistemas de suspensi�n hidroneum�tica y neum�tica son ampliamente empleados en veh�culos de alto rendimiento, as� como en camiones, tanto r�gidos como articulados conocidos tambi�n como tractocami�n y remolques o semirremolques, autobuses, puesto que permite un comportamiento al conducir seguro, confortable y uniforme sin considerar si se encuentra cargado o no el veh�culo, disminuyendo por lo tanto los da�os al asfalto de la calzada (Arce, 2019)

En el mismo orden de idea, los sistemas de suspensi�n hidroneum�ticos, ver figura 4, al contar con varios sensores electr�nicos y sistema de control, se logra dar seguimiento a trav�s de la computadora, factores como el peso del veh�culo, la velocidad, �ngulo de direcci�n, fuerza de frenado, y la aceleraci�n. De este modo al procesar los datos obtenidos de los sensores, la computadora env�a, se�ales a las v�lvulas de control de flujo del sistema logrando que el sistema de suspensi�n tenga un comportamiento m�s r�gido o m�s suave (Rodr�guez, 2018).

Adem�s, el sistema de suspensi�n hidroneum�tica no solamente se emplea para el transporte de carga, ni veh�culos de altas prestaciones, sino tambi�n se pueden emplear en veh�culos m�dicos, tales como las ambulancias, donde las vibraciones y la inestabilidad del veh�culo en movimiento f�cilmente puede producir n�useas en el paciente, y por tanto deterioro de la salud de estes, puestos que son particularmente sensible incluso a la m�nima intensidad de vibraci�n. Por lo que el rendimiento general para el paciente acostado se puede mejorar significativamente mediante la optimizaci�n de par�metros del sistema de suspensi�n hidroneum�tico (Tan et al., 2019)

De igual modo, las suspensiones hidroneum�ticas son ampliamente utilizadas en los veh�culos especiales equipados con orugas, puesto que deben adaptarse a terrenos dif�ciles, as� como a cargas irregulares y manteniendo la maniobrabilidad y sin disminuir el rendimiento de conducci�n. Gracias a un excelente comportamiento, los veh�culos con orugas pueden manejar mejor la divergencia entre la comodidad en la conducci�n y la estabilidad (Qin et al., 2021)

Dentro de este marco, se puede decir que el rendimiento del sistema de suspensi�n tiene un efecto directo en la comodidad, la estabilidad y la seguridad de conducci�n de un veh�culo durante la conducci�n, lo cual es una parte importante del desarrollo de los veh�culos, de igual modo, permite brindar seguridad a los ocupantes, al propio veh�culo, y a la carga que traslada el cami�n o transporte de carga. Visto de otra forma, tanto la cabina del cami�n como el remolque, de ning�n modo estar� sometido a cualquier clase de vibraciones causadas por la carretera y/o terreno (Rodr�guez, 2018)

Siguiendo el caso de los veh�culos especiales como los veh�culos con orugas, se han realizado un conjunto de dise�o de sistema de suspensi�n hidroneum�tica para el chasis de orugas de un veh�culo de carretera-ferrocarril, puesto que en imprescindible que este pueda adaptarse a la superficie accidentada y desigual de la carretera junto al ferrocarril. Por lo que gracias a un sistema de modelado y una verificaci�n experimental se ha logrado demostrar que el rendimiento de conducci�n del veh�culo mejora notablemente, teniendo en cuenta los factores como el di�metro de la tuber�a de amortiguaci�n, la longitud de la tuber�a de amortiguaci�n, el volumen de gas contenido en el sistema. Concluyendo que, para este caso, es importante encontrar el di�metro �ptimo de la tuber�a de amortiguaci�n y el volumen de gas adecuado del cilindro hidroneum�tico (Qin et al., 2021).

En relaci�n con la idea anterior, la aplicaci�n y/o evaluaci�n de la suspensi�n hidroneum�ticas en veh�culos de carga del tipo articulados con direcci�n en el bastidor, los cuales se emplean ampliamente en los sectores de la agricultura, la construcci�n, la silvicultura y la miner�a por sus mejores prestaciones de tracci�n y movilidad/maniobrabilidad en todoterreno. Es por ello que estos veh�culos est�n presenta vibraciones en marcha de gran magnitud y l�mites de estabilidad direccional, lo que a su vez provocan una exposici�n considerable de los operadores a vibraciones (Rakheja et al., 2019)

Siguiendo lo antes planteado, se han propuesto muchos dise�os de suspensiones para mejorar el rendimiento de conducci�n del veh�culo, mientras que sus implementaciones en veh�culos todoterreno se han visto limitadas, por lo que se han empleado el uso de la suspensi�n hidroneum�tica obteniendo resultados importante, como que se puede preservar los l�mites de la estabilidad direccional, al mismo tiempo se reduce la vibraci�n a la que est� expuesto los operadores en casi un 30%, en comparaci�n con otros veh�culos que no cuentan con este sistema (Rakheja et al., 2019)

Igualmente, con el desarrollo veh�culos aut�nomos, y los requerimientos para los veh�culos inteligentes han aumentado, por lo que un sistema de suspensi�n controlable muy favorable, por los que los sistemas de suspensi�n activa son ampliamente utilizados, por lo que Wang et al. (2018) desarrollaron una pala cargadora o payloader con suspensi�n hidroneum�tica interconectada para lograr un mejor rendimiento de conducci�n. Los resultados muestran que el control de los par�metros de suspensi�n hidroneum�tica sobre la base del reconocimiento del nivel de la carretera puede mejorar efectivamente las prestaciones de la pala cargadora.

 

 

 

 

Figura 4

Esquema general de un sistema de suspensi�n hidroneum�ticas

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Fuente: (Campbell, 1981)

 

Es conveniente explicar que, para los veh�culos de transporte pesado es muy importante un dise�o de suspensi�n adecuado en comparaci�n a los veh�culos turismo debido a que el comportamiento din�mico es bastante diferente. Debido a la alta frecuencia del manejo en condiciones de todo terreno. Igualmente, los comportamientos de cabeceo y balanceo de los veh�culos pueden influir significativamente en el rendimiento (Kwon et al., 2020).

Por otro lado, la suspensi�n hidroneum�tica presenta ciertas ventajas si se compara con otros sistemas de suspensiones tales como ahorro de espacio, peso ligero y un dise�o flexible debido a las caracter�sticas de amortiguaci�n y resorte no lineal. No obstante, tambi�n presenta desventajas, especialmente en t�rminos de costo y mantenimiento. Por lo que, y como se ha comentado anteriormente este sistema de suspensi�n es montado principalmente en veh�culos especiales, como veh�culos comerciales pesados o militares (Kwon et al., 2020).

Es importante comentar que el sistema de suspensi�n el n�cleo principal es la bomba hidr�ulica, ver figura 4, adem�s cuenta con un circuito hidr�ulico que consta de tuber�as que suministra el aceite a presi�n y un sistema de tuber�a de retorno, adem�s cuentan con varios sensores, dispositivos de control, que permite controlar y monitorear el comportamiento de la suspensi�n (Campbell, 1981).

 

Conclusi�n

En el marco de los expresado acerca de los sistemas de suspensi�n hidroneum�ticas, se puede resolver que este tipo de sistema representa un avance significativo en el confort en el manejo en el transporte de carga, puesto presenta muy interesantes y significativas ventajas desde el punto de vista de la seguridad en la conducci�n, confort de los ocupantes y la carga, as� como la adaptaci�n del veh�culo tanto a las condiciones del terreno, del mismo modo a las caracter�sticas de la carga. De igual manera, este tipo de sistema de suspensi�n es aplicable a una gran cantidad de veh�culos tanto de carga, de aplicaciones especiales, y a veh�culos del tipo turismo y de altas prestaciones. Adem�s, gracias a los an�lisis de la hidr�ulica, la f�sica y las matem�ticas adecuadas juntos con sistemas de computaci�n, se pueden obtener datos que permiten dise�ar y optimizar los sistemas de suspensi�n hidr�ulicas. �

 

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(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).