Este tipo de suspensión se esta utilizando desde hace pocos años sobre todo en vehículos de alta gama. La suspensión neumática basa su funcionamiento en las propiedades que ofrece el aire sometido a presión. En esta suspensión, se sustituye el resorte mecánico (muelle, ballesta o barra de torsión) por un fuelle o cojín de aire que varia su rigidez.
La suspensión neumática permite:
- Adaptar la carrocería a distintas alturas en función de las necesidades de marcha.
- Adaptar la suspensión y la amortiguación a la situación de la calzada y a la forma de conducir.
Se caracteriza por su elevada flexibilidad, notable capacidad de amortiguación de las vibraciones y por la autorregulación del sistema que permite mantener constante la distancia entre el chasis y la superficie de carretera independientemente de la carga presente en el vehículo.
La suspensión neumática es un sistema complejo y de coste elevado, ya que integra numerosos componentes y necesita de una instalación de aire comprimido para su funcionamiento. Esta suspensión es muy utilizada en vehículos industriales (autobuses, camiones, etc). Automóviles que utilizan esta suspensión tenemos: Audi A8, Mercedes de la Clase E, S, R, etc. y algunos todo terreno como el VW Touareg, el Range Rover y el Audi Q7 entre otros.
La suspensión neumática se puede aplicar tanto en el eje trasero o integral a la cuatro ruedas. Con esta suspensión se puede variar la altura de la carrocería manual o automáticamente en función de la velocidad, de las características de la calzada y el estilo de conducción. Se conecta o desconecta la suspensión en las patas telescópicas con un volumen de aire adicional.
Suspensión neumática integral
Esta suspensión se aplica a las cuatro ruedas, mantiene la altura del vehículo a un valor teórico constante mediante un sistema de amortiguación neumática en el eje delantero y en el eje trasero, independiente de la carga. La distancia entre el eje y la carrocería es determinada por cuatro sensores de altura llamados transmisores de nivel del vehículo.
En el caso de existir diferencias con respecto al valor teórico, mediante el compresor y las electroválvulas de suspensión se varía el volumen de aire en el muelle neumático, que vuelve a regular la altura de la carrocería hasta alcanzar el valor teórico.
Como ejemplo utilizaremos como base la suspensión neumática montada en el automóvil de la marca Audi y modelo A8.
Niveles de equipamiento del vehículo
Para el Audi A8 estará disponible el tren de rodaje standard (adaptive air suspension) y el tren de rodaje deportivo (adaptive air suspension sport).
Tren de rodaje standard:
Se pueden seleccionar los siguientes programas de forma manual o automática:
Modo «automatic»:
Nivel básico del vehículo, tarado orientado hacia el confort con una familia de características de amortiguación adaptada correspondientemente. A partir de los 120 km/h se produce 30 segundos más tarde un descenso de 25 mm («descenso para autopista»). Con este nivel rebajado mejoran las condiciones aerodinámicas y se reduce el consumo de combustible.
Modo «confort»:
Altura del vehículo igual que en el modo «automatic»; una menor amortiguación que en el modo «automatic» en el margen de velocidades inferiores, combinado con un aumento del confort de conducción en comparación con el modo «automatic».No se produce el descenso automático para autopista.
Modo «dynamic»:
El nivel del vehículo se encuentra 20 mm por debajo del modo «automatic». Se ajusta automáticamente una familia de características de amortiguación con tarado deportivo. A partir de una velocidad de 120 km/h se produce 30 segundos después otro descenso de 5 mm («descenso para autopista»).
Modo «lift»:
Altura del vehículo elevada 25 mm con respecto al modo «automatic»; tarado orientado hacia el confort, igual que en el modo «automatic».
Tren de rodaje deportivo:
Modo «automatic»:
El nivel del vehículo equivale al del modo «dynamic» en el caso del tren de rodaje standard; tarado deportivo y una familia de características de amortiguación correspondientemente adaptada (un tarado más confortable que en el modo «dynamic»). 30 segundos después de superar los 120 km/h se produce otro descenso de 5 mm («descenso para autopista»).
Modo «dynamic»:
El nivel del vehículo equivale al del modo «automatic» de este tren de rodaje deportivo; tarado deportivo-tenso con la familia de características de amortiguación correspondientemente adaptada. 30 segundos después de superar los 120 km/h se produce un descenso de 5 mm («descenso para autopista»).
Modo «comfort»:
El nivel del vehículo equivale al del modo «automatic» de este tren de rodaje deportivo; una amortiguación más baja que en el modo «automatic» a velocidades inferiores. No se produce ningún descenso para autopista.
Modo «lift»:
Nivel del vehículo elevado 25 mm en comparación con el del modo «automatic» del tren de rodaje deportivo; tarado de orientación deportiva.
Componentes de la suspensión
Brazo muelle/amortiguador
La estructura básica de los cuatro brazos telescópicos muelle/amortiguador es idéntica.
El brazo de suspensión esta formado por dos partes:
- Una neumática que sustituye al muelle de las suspensiones mecánicas convencionales y que sirve principalmente para nivelar la carrocería.
- Una suspensión de reglaje continuo de la amortiguación, que utiliza amortiguadores de tarado variable a través de unas electroválvulas que controlan el paso del aceite.
Muelle neumático
Estructura:
El muelle neumático es una versión guiada exteriormente, es decir, que va abrazada por un cilindro de aluminio. Para evitar la penetración de humedad entre el cilindro y la balona hay un manguito de junta que cierra la zona entre el émbolo de desarrollo de la balona y el cilindro. El manguito de junta puede ser sustituido; la balona no es substituible por separado. En caso de avería se tiene que sustituir el brazo muelle/amortiguador completo.
Para establecer la mayor capacidad útil posible en el maletero, con una anchura óptima para efectos de carga se procede a limitar a una cota mínima el diámetro de las balonas en el eje trasero. Para satisfacer las exigencias de confort se requiere un volumen mínimo de aire. La solución de este conflicto entre objetivos consiste en integrar un depósito para un volumen de aire adicional, comunicado con el amortiguador.
Funcionamiento:
El muelle neumático no sólo viene a sustituir al muelle de acero; en comparación con éste ofrece también ventajas esenciales. El nuevo guiado exterior del muelle neumático por medio de un cilindro de aluminio permite reducir el espesor de pared de la balona. Esto se traduce en una respuesta más sensible ante irregularidades
del pavimento.
Amortiguador
Estructura:
Se monta un amortiguador bitubo de gas presurizado con reglaje eléctrico continuo (continuous damping control = amortiguador CDC). La válvula amortiguadora principal (3) en el émbolo (1) es pretensada mecánicamente por un muelle (4). Sobre la válvula está dispuesta una bobina electromagnética (5); el cable de conexión pasa hacia fuera a través de la varilla de émbolo hueca.
Funcionamiento:
La fuerza de amortiguación viene determinada esencialmente por la resistencia que oponen las válvulas al flujo del aceite interno. Cuanto mayor es la resistencia al flujo del aceite que las traspasa, tanto mayor es la fuerza de amortiguación.
Principio de funcionamiento tomando como ejemplo la etapa de contracción (= amortiguación en etapa de compresión):
La unidad de émbolo (1) completa se desplaza hacia abajo en el tubo cilíndrico (2), a una velocidad (v). La presión del aceite aumenta en la cámara bajo la válvula amortiguadora principal (3). La bobina electromagnética (5) recibe corriente. La fuerza electromagnética FM actúa en contra de la fuerza de muelle FF y la
contrarresta parcialmente.
Si la suma de la fuerza electromagnética y la fuerza de la presión del aceite (FM+FP) supera a la fuerza de muelle FF se genera una fuerza resultante FR, a través de la cual se produce la apertura de la válvula. La magnitud de la fuerza electromagnética es regulable en función de la intensidad de corriente eléctrica aplicada. Cuanto mayor es la intensidad de la corriente, tanto menor es la resistencia al flujo y la fuerza de amortiguación.
La fuerza de amortiguación máxima viene dada cuando se deja de excitar la bobina electromagnética. Para obtener la menor fuerza de amortiguación se aplica una corriente de aprox. 1.800 mA a la bobina electromagnética.
En la función de emergencia no se excita eléctricamente la bobina electromagnética. En ese caso queda ajustada la fuerza de amortiguación máxima, con lo cual se establecen unas condiciones dinámicas fiables.
Grupo de alimentación de aire
El grupo de alimentación de aire se instala en la parte delantera izquierda del vano motor. De esta forma se evitan influencias negativas en las condiciones acústicas del habitáculo. Asimismo se puede realizar así una refrigeración más eficaz. Esto aumenta la posible duración de la conexión para el compresor y la calidad de la regulación.
Funcionamiento:
Para proteger el compresor contra un posible sobrecalentamiento se procede a desactivarlo si es necesario (temperatura excesiva en la culata). La presión estática máxima del sistema es de 16 bares.
Bloque de válvulas electromagnéticas
El bloque de válvulas electromagnéticas incluye el sensor de presión y las válvulas para excitar los muelles neumáticos y el acumulador de presión. Va instalado en el paso de rueda entre el guardabarros y el pilar A en el lado izquierdo del vehículo.
Acumulador de presión
El acumulador de presión se encuentra entre el piso del maletero y el silenciador final, por el lado izquierdo del vehículo.
Estructura:
El acumulador de presión es de aluminio. Tiene una capacidad de 5,8 ltr. y una presión de servicio máxima de 16 bares.
Funcionamiento:
El objetivo del acumulador es limitar al mínimo posible la conexión del compresor.
Para que los ciclos de regulaciones ascendentes puedan llevarse a cabo exclusivamente a través del acumulador de presión es preciso que exista una diferencia de presión mínima de 3 bares entre el acumulador de presión y el muelle neumático.
Funcionamiento de la suspensión neumática
Este sistema mantiene constante el nivel de la carrocería al valor elegido por el conductor, independientemente de la carga. Para hacerlo el sistema utiliza un compresor que envía aire a las patas telescópicas por medio de las electroválvulas, hasta que se ha ajustado el nivel del vehículo. El nivel de la carrocería en el eje delantero y en el eje trasero es registrado por los sensores de nivel y es transmitido a la unidad de control.
Cada bloque de suspensión o pata telescópica está comandada por una electroválvula que abre y cierra el paso de la presión de aire. Las electroválvulas de suspensión se excitan electricamente por parejas (eje delantero y eje trasero).
El circuito neumático funciona básicamente teniendo en cuenta dos periodos de funcionamiento: presurización y despresurización.
Periodo de presurización
Al ser cargados los muelles neumáticos a través del acumulador de presión, la válvula (10) abre las válvulas (9) correspondientes por ejes. El acumulador de presión (12) se carga haciendo que el compresor (1) alimente aire a través de la válvula (10) abierta.Si el vehículo se encuentra en posición lateralmente desigual también se excitan individualmente las válvulas (9a – 9d) de una lado hasta compensar esta posición..Las válvulas (9a, 9b y 9c, 9d) son excitadas eléctricamente por parejas (eje delantero y eje trasero).El aire es aspirado por el compresor (1) a través del filtro (8) y el silenciador adicional (7). El aire comprimido pasa a través del deshidratador (2), la válvula de retención 3a y las válvulas 9 hacia los muelles neumáticos.
Despresurización
Las válvulas (9a, 9b y 9c, 9d) y la electroválvula de descarga (5) abren. El caudal del aire puede pasar a través de la válvula de descarga (5) y abre así la válvula de descarga (6) neumáticamente pilotada.El caudal del aire abandona el sistema a través de la válvula de descarga (6), el silenciador adicional (7) y el filtro de aire (8). El agente secante se regenera al pasar el aire por el deshidratador (2).
Función posición de bloqueo
Si la unidad de control detecta una descarga de todas las ruedas estando parado el vehículo, se cierran entonces las electroválvulas de las patas telescopicas. Con ello, el vehículo permanece en el nivel momentáneo. Ello es necesario, por ejemplo, al efectuar un cambio de rueda o en trabajos de reparación sobre plataforma elevadora.
Sensor de temperatura del compresor
Se trata de una resistencia NTC en un pequeño cuerpo de vidrio. El sensor detecta la temperatura en la culata del compresor.
Su resistencia se reduce a medida que aumenta la temperatura (NTC: coeficiente negativo de temperatura). Esta variación de la resistencia es analizada por la unidad de control.
El tiempo máximo de funcionamiento del compresor se calcula en función de la temperatura momentánea.
Sensor de presión
Mide las presiones en los brazos telescópicos de los ejes delantero y trasero y en el acumulador de presión El sensor va empotrado en el bloque de válvulas electromagnéticas y no está al acceso por fuera.
Funcionamiento:
El sensor trabaja según el principio de medición capacitiva:
La presión (p) a medir produce una desviación en una membrana de cerámica. Debido a ello varía la distancia entre un electrodo (1) instalado en la membrana y un electrodo contrario (2) que se encuentra fijo sobre la carcasa del sensor.
Los electrodos constituyen por si mismo un condensador. Cuanto menor es la distancia de los electrodos tanto mayor es la capacidad del condensador.
La capacidad es medida por el sistema electrónico integrado y transformada en una señal lineal de salida.
Mediante una excitación correspondiente de las electroválvulases posible determinar las presiones de los muelles neumáticos y del acumulador.
Sensor de aceleración
Para poder ajustar la amortiguación óptima en cada situación es preciso conocer el desarrollo cronológico de los movimientos de la carrocería (masa amortiguada) y de los componentes de los ejes (masa no amortiguada).
Las aceleraciones de la carrocería se miden con ayuda de tres sensores.
Dos de ellos se encuentran en las torretas de los brazos telescópicos delanteros; el tercero se halla en el guardarrueda trasero derecho.
La aceleración de los componentes de los ejes (masas no amortiguadas) se determina por análisis de las señales procedentes de los sensores de nivel del vehículo.
Sensores de aceleración de la carrocería
Los sensores van atornillados a la carrocería por medio de soportes. El sensor y el soporte están unidos por medio de engarce. Consta de varias capas de silicio y vidrio. La capa intermedia de silicio está diseñada en forma de una lengüeta en alojamiento elástico (masa seísmica). La sensibilidad del sensor viene determinada, en esencia, por el coeficiente de rigidez/elasticidad y la masa de la lengüeta.
Funcionamiento:
La masa sísmica con recubrimiento de metal se utiliza como electrodo móvil, que, conjuntamente con el contraelectrodo superior e inferior, constituye respectivamente un condensador.
La capacidad de este condensador depende de las superficies de los electrodos y su distancia mutua.
Estados de funcionamiento:
Estado de reposo:
La masa seísmica se encuentra centrada exactamente entre los contraelectrodos.Las capacidades de ambos condensadores C1 y C2 son idénticas.
Estado acelerado:
Debido a efectos de inercia, la masa seísmica sale de su posición central. La distancia de los electrodos varía. La capacidad aumenta a medida que se reduce la distancia.En nuestro ejemplo aumenta la capacidad del condensador C2 en comparación con la del estado de reposo, mientras que la del condensador C1 disminuye.La tensión de alimentación es aportada por la unidad de control para el sistema de suspensión neumática. Las tensiones momentáneas correspondientes a la aceleración de la carrocería se pueden consultar a través de bloques de valores de medición.
Sensores de nivel del vehículo
Los cuatro sensores son de un mismo diseño, mientras que las sujeciones y bieletas de acoplamiento son específicas por lados y ejes.
Funcionamiento:
Los sensores detectan la distancia entre los brazos oscilantes del eje y la carrocería, y con ello la altura de nivel del vehículo. La detección se realiza ahora con frecuencias de 800 Hz (en el allroad 200 Hz). Esta tasa de captación es suficiente para determinar la aceleración de las masas no amortiguadas.
Concepto general de regulación
El cambio de nivel se realiza básicamente por ejes, corrigiéndose las diferencias de nivel entre los lados izquierdo y derecho del vehículo (p. ej. causadas por cargas en un solo lado).
Al circular a velocidades por debajo de 35 km/h se emplea preferentemente el acumulador de presión a manera de fuente de energía. Esto presupone una suficiente diferencia de presión de 3 bares como mínimo entre el acumulador de presión y el muelle neumático.
Operación de cambio de nivel:
Ascenso: Primero asciende el eje trasero y luego el eje delantero
- Descenso: Primero desciende el eje delantero y luego el eje trasero
Se ha previsto este orden, para descartar fiablemente la posibilidad de deslumbrar a terceros con motivo de los ciclos de regulación en caso de averiarse la regulación del alcance luminoso de los faros.
El sistema de regulación del alcance luminoso se emplea exclusivamente en vehículos con faros de xenón.
Concepto de regulación para tren de rodaje standard
Modo «automatic» (nivel básico)
La amortiguación se realiza orientada hacia el confort. 30 segundos después de superar los 120 km/h se produce el descenso automático de para circulación por autopista.La reelevación al nivel básico se efectúa de forma automática si se lleva una velocidad a 70 km/h durante 120 segundos o si la velocidad baja por debajo de 35 km/h.
Modo «dynamic» (–20 mm)
Se pone en vigor una familia de características de amortiguación tensa sobre todo el rango de velocidad.Si la velocidad de marcha supera los 120 km/h se realiza 30 segundos más tarde automáticamente un descenso adicional de 5 mm (autopista).La reelevación al nivel deportivo se efectúa de forma automática si se mantiene durante 120 segundos una velocidad inferior a 70 km/h o si se baja por debajo de los 35 km/h.
Modo «comfort» (nivel básico)
La amortiguación se regula de un modo aún más orientado hacia el confort que en el modo «automatic», sobre todo en el rango de velocidad inferior.No se realiza ningún descenso automático para circulación por autopista.
Modo «lift» (+25 mm)
Este modo sólo puede ser seleccionado al circular a una velocidad inferior a 80 km/h.A partir de los 100 km/h se abandona automáticamente este modo operativo. El modo anteriormente seleccionado («automatic», «dynamic» o «comfort») se pone en vigor en ese caso.Incluso si posteriormente la velocidad vuelve a descender por debajo de 80 km/h no se pasa automáticamente al modo «lift».
Concepto de regulación para tren de rodaje deportivo
Diferencias con respecto al tren de rodaje standard:
- Mismas alturas de nivel p. modos «dynamic», «automatic» y «comfort» a velocid. <120 km/h, pero siendo diferentes las familias de características de la amortiguación
- Nivel básico del vehículo 20 mm más bajo que en el tren de rodaje standard
- Tarado modificado, con orientación deportiva para los muelles y la amortiguación
Concepto de regulación en estados operativos específicos
Circulación por curva
La regulación se interrumpe al circular en una curva y se reanuda a continuación. La circulación por curvas se detecta a través de las señales del sensor de ángulo de dirección y del sensor de aceleración transversal. Las fuerzas de amortiguación se adaptan a las condiciones de la marcha. De esa forma se anulan eficazmente los movimientos de la carrocería que resultan indeseables desde puntos de vista del comportamiento dinámico (p. ej. balanceos).
Funciones del sistema
Operaciones de frenado
Sobre todo al frenar con intervención de los sistemas ABS/ESP se incluye la regulación de la amortiguación, la cual actúa en función de la presión aplicada para la frenada. De este modo se limitan al mínimo los movimientos de cabeceo y balanceo de la carrocería.
Operaciones de arrancada
En las fases de arrancada se producen sobre todo movimientos de cabeceo debidos a la inercia de las masas de la carrocería. Mediante fuerzas de amortiguación adecuadas y adaptadas a cada situación se limitan al mínimo este tipo de movimientos.
Modo anticipado y modo activo post-marcha
Las diferencias con respecto a la altura teórica antes de iniciar la marcha o bien antes de conectar el encendido se compensan por regulación. Al accionar la manilla de la puerta, el capó trasero o el borne 15 se reexcita en caso dado el sistema que pudiera encontrarse en el modo desexcitado en espera, y pasa al modo anticipado.
Una diferencia de altura, causada p. ej. al bajarse del vehículo o al descargarlo después de la desconexión del encendido, se compensa por regulación en el modo activo postmarcha.
Modo desexcitado
60 segundos después de haberse encontrado en el modo activo post-marcha sin haber recibido señales de entrada, el sistema pasa al modo desexcitado, con una reducción del consumo energético. El modo desexcitado se abandona brevemente al cabo de 2, 5 y 10 horas, para verificar una vez más la altura del nivel.
Si existen diferencias de altura con respecto al valor teórico se compensan en caso dado con ayuda del acumulador de presión (p. ej. diferencia de altura debida al enfriamiento del aire en los muelles neumáticos).
Modo para elevador
El sistema detecta que el vehículo se encuentra en el taller a bordo de un elevador para reparación del vehículo, al analizar las señales de los sensores de nivel del vehículo y la duración del ciclo de regulación correctiva en el vehículo parado.
No se inscribe ninguna avería en la memoria. Este modo operativo no se visualiza a través del testigo luminoso.
Señal para regulación del alcance luminoso
La unidad de control para regulación de nivel transmite los datos actuales de altura de la carrocería en las cuatro ruedas a la unidad de control para regulación del alcance luminoso, en un mensaje a través del CAN-Bus.
Previo análisis de estas señales, la unidad de control para regulación del alcance luminoso calcula el reglaje necesario para la corrección de los faros.
El número entre paréntesis detrás de los contenidos del mensaje señala la unidad de control que procesa la información correspondiente: p. ej. excitación testigo de aviso procesada por parte de la unidad de control núm. 5, J285.
Esquema eléctrico del sistema de suspensión
