Instrucciones de uso del programa Simulador de Suspensiones

    Introducción de los datos de la bicicleta

    El primer paso para utilizar el programa Simulador de Suspensiones es definir las dimensiones de la bicicleta a analizar.

    Cuadro

    Esta es la parte más importante de la bicicleta, la que diferencia una bicicleta de otra, puesto que en el resto de componentes las distintas bicicletas son muy similares.

    Triángulo principal

    Lo primero será definir el triangulo principal (Error: Reference source not found), el cual variará en función de la talla del cuadro.

   D1: Longitud del tubo horizontal

   D2: Longitud del tubo vertical

   D3: Longitud del tubo diagonal

   D4: Longitud del tubo de dirección incluyendo la dirección (en la foto no se ha

incluido)

   A1: Angulo entre el tubo vertical y horizontal

   A2: Ángulo entre el tubo de sillín y el vertical

 

Figura 1 : Triangulo principal

    Este triangulo principal es la base a la cual se añaden el resto de las partes del cuadro, los distintos puntos de unión en el triángulo principal se definirán en coordenadas cartesianas donde el origen coincidirá con el eje pedalier y el eje Y tendrá la misma dirección que el tubo vertical.

   

Mecanismo de suspensión

    La primera parte que se le añade al triangulo principal es el mecanismo que otorga el grado de libertad que posibilita la acción de la suspensión. Aunque existan ciertas excepciones, el 99% de los sistemas del mercado tienen un mecanismo de 4 pivotes (sistema multipivote) o de sólo 1 pivote (sistema monopivote). El programa esta desarrollado para estudiar sólo estos dos tipos de suspensión además de cuadros rígidos (no se podrán estudiar sistemas como el de Maverick, GT I-drive , Yeti de railes,...).

    Sistema multipivote

    En un sistema multipivote dos de los 4 puntos de giro estarán situados en el triangulo principal. Normalmente al pivote más próximo al pedalier se le denominará el principal y se le asignarán las coordenadas X1 e Y1, siendo la excepción los casos en los que las punteras vayan unidos a la pieza articulada en el pivote más lejano al pedalier (diseños como el GT RTS, Mountain Cycle 9.5,...), y al otro pivote se le denominara la articulación de la bieleta, definiéndola mediante las coordenadas X2 e Y2 (Error: Reference source not found).

    A la pieza que parta de la articulación principal se le denominará “vaina” y vendrá definida por su longitud, D5. La vaina finalizará en otra articulación denominada “Horst link” (siendo estrictos, sólo se podría denominar de esta forma, si las punteras no estuvieran situadas en esta pieza, pero en este trabajo se le denominará de la misma forma aún cuando sí lo estén), a la cual se enlaza la siguiente pieza de longitud D6 denominada “tirante”. La pieza que resta para definir el mecanismo es la “bieleta”, la cual esta articulada tanto a los tirantes como al triangulo principal y viene definido por la distancia D7. También será necesario definir el sentido de giro de la bieleta respecto de la articulación de la bieleta ante un desplazamiento ascendente de la rueda, introduciendo un 1 en el caso de que el giro sea en sentido horario (Specialized FSR, Kona, Cannondale Scalpel,...) o un –1 si el giro es en sentido antihorario (Jamis, Mondraker MR, Santa Cruz Blur,...).

 

Figura 2 : Sistema de suspensión

   

Sistema monopivote

    En el caso de un sistema monopivote, sólo habrá una articulación, la articulación principal y vendrá definida por X1 e Y1. Del mismo modo el mecanismo estará formado por una única pieza, las “vainas”, las cuales vendrán definidas por la distancia que hay desde la articulación principal al eje de la rueda. Para utilizar el programa, a las demás dimensiones (X2, Y2, longitud de los tirantes, longitud de la bieleta y sentido de giro de la bieleta) se les asignará un valor nulo.

    Cuadro rígido

    En el caso de un cuadro rígido no existirá ninguna articulación. La única medida a considerar será la longitud de las “vainas”, la cual será tomada desde el eje pedalier al eje de la rueda trasera. El resto de las dimensiones (X1, Y1, X2, Y2, longitud de los tirantes, longitud de la bieleta y sentido de giro de la bieleta) serán consideradas nulas en el programa.

    Punteras

    Las punteras son las piezas del cuadro donde se sujeta la rueda trasera, por lo tanto la trayectoria de la rueda trasera dependerá de la unión de las punteras respecto al mecanismo de suspensión. Las punteras podrán ir ancladas a las vainas o a los tirantes. El punto común a estas dos piezas es el Horst-link, y por ello será el punto de referencia a la hora de definir la posición de las punteras. La posición de las punteras será definida por una distancia, D8, y un ángulo, A3 (La referencia de 0º vendrá definida por la línea ficticia que va desde el Horst link a la otra articulación de la pieza donde se encuentran las punteras) (Error: Reference source not found). Para el caso de un sistema monopivote o cuadro rígido, ambas dimensiones serán consideradas nulas.

Figura 3: Punteras

    Anclajes del amortiguador

    Con los datos introducidos hasta el momento, la trayectoría de la rueda trasera queda definida, y con ello gran parte de las características del sistema de suspensión. Lo único que queda por definir es el modo de uso (progresividad) de esta trayectoria, lo cual

dependerá del amortiguador usado pero también como se enlaza este amortiguador al mecanismo de suspensión. En el programa desarrollado uno de los anclajes del amortiguador debe ir unido necesariamente al cuadro, mientras que el otro puede ir unido a las vainas o a la bieleta (Debido a esto no se podrán estudiar diseños de suspensión como el de las Mondraker MR, Merida Transmission, Specialized Epic, GT LTS,...)

    El anclaje al cuadro se definirá mediante las coordenadas X3 e Y3 tomando como referencia las mismas coordenadas utilizadas para definir las articulaciones del triangulo principal. El otro anclaje se definirá mediante una distancia, D9, y un ángulo, A4, tomando como referencia el punto de articulación de esta pieza respecto al triangulo principal (La referencia de 0º vendrá definida por la línea ficticia que va desde la articulación referencia a la otra articulación) (Error: Reference source not found). En caso de tratarse de un cuadro rígido, no habrá amortiguador ni anclajes, pero para que el programa funcione adecuadamente se supondrá que existe un anclaje en el triangulo principal con unas coordenadas X3 = 100 e Y3 = D2, y un anclaje en las vainas en el punto donde se une el tubo vertical con el horizontal.

       

Figura 4: Anclajes del amortiguador

    Amortiguador y horquilla

    Si bien el cuadro es el alma de una bicicleta, su carácter no queda definido hasta que se complementa con un amortiguador y una horquilla. Por el lado geométrico, la longitud del amortiguador, D10, junto con la longitud de la horquilla, D11, y su avance, D12, fijan las cotas caracteristicas de la bicicleta (Error: Reference source not found). Por otro lado la carrera del amortiguador define el recorrido total de la suspensión trasera (en el caso de amortiguadores que trabajen en extensión, la carrera será negativa), mientras que el recorrido de la horquilla definirá el recorrido total de la suspensión delantera (el programa sólo es capaz de trabajar con diseños de suspensión telescópicos sin articulaciones, diseños con paralelogramos como el de Whyte o el de BMW no podrán analizarse).

Figura 5 : Amortiguador y horquilla

    Posicionamiento sobre la bicicleta

    El posicionamiento sobre la bicicleta se definirá mediante las medidas indicadas en la Error: Reference source not found:

        D13: Longitud de la tija (desde el cierre del cuadro hasta los raíles del sillín)

        D14: Retraso de la tija (desde el centro del tubo de la tija hasta el centro del anclaje de los raíles)

        A5: Ángulo del sillín (ángulo del plano superior del sillín respecto a la tija)

        D15: Altura del sillín (distancia desde los raíles al plano superior del sillín)

        D16: Avance del sillín (distancia entre el anclaje en los raíles al punto de apoyo del cuerpo)

        D17: Altura de la potencia (distancia desde la dirección al centro de la potencia, incluyendo los separadores)

        D18: Longitud de la potencia (desde el centro de la potencia al centro del manillar)

        A6: Ángulo de la potencia (ángulo de la potencia respecto a la perpendicular de la dirección)

        D19: Altura del manillar (distancia entre el anclaje del manillar y el apoyo de las manos)

        A7: Ángulo del manillar (ángulo del manillar respecto de la continuación de la potencia)

 

Figura 6: Posicionamiento

    Sistema de frenada

    El sistema de frenada consiste en una transmisión (hidráulica o mediante cable) de energía desde las manetas del manillar al elemento de frenada (pastillas o zapatas), el cual fricciona contra la pista de frenado (disco o llanta) creando la fuerza de frenada. En esta transmisión de energía se da una multiplicación de las fuerzas (fuerza de rozamiento aplicada sobre la pista de frenada respecto a la fuerza aplicada sobre las manetas de freno) que debe ser definida para analizar los distintos sistemas de frenado (en caso de que no se sepa, se podrá introducir cualquier valor de forma estimada, pero entonces se perderá la posibilidad de estudiar el efecto de fuerzas precisas aplicadas sobre). Posteriormente esta fuerza de frenado será transmitida al terreno decelerando la bicicleta, en función de la relación del radio de las pistas de frenado (D21 y D22; la medida se toma en el punto donde contacta el centro del elemento de frenada) respecto del radio externo de la rueda (D20) (Error: Reference source not found).

Figura 7 : Sistema de frenada

    Sistema de transmisión

    En cuanto a la transmisión, normalmente será suficiente con medir la longitud de las bielas, D23, el paso de la cadena y contar el número de dientes del plato y piñón escogidos.

    Pero en el caso especial de utilizar un pedalier Rotor (Error: Reference source not found), también habrá que introducir la excentricidad de los platos respecto al eje pedalier, D24, el ángulo de esta excentricidad respecto al eje x (utilizando las mismas coordenadas utilizadas para definir las articulaciones y el anclaje del triángulo principal), A8, longitud de las bieletas, D25, radio de anclaje de las bieletas en el plato, D26, y la distancia de anclaje de las bieletas en las bielas, D27.

Figura 8 : Bielas Rotor

    En el caso de utilizar un sistema de cambio integrado en el buje haría falta además introducir la multiplicación de este buje, esto es, la cantidad de vueltas que da la rueda por cada giro del piñón.

    En el programa Simulador de Suspensiones se puede observar que las casillas referidas a los dientes del plato, dientes del piñón y la multiplicación del buje tienen el fondo verde, mientras que el resto de los datos tienen el fondo azul. Los valores en azul,

son fijos para cada bicicleta, mientras que los verdes pueden variar en la misma bicicleta, más aún se recomienda variarlos y analizar cada bicicleta en distintas configuraciones.

    Como obtener los datos necesarios

    Existen varias formas de obtener estas dimensiones. Si se dispone de la bicicleta, el mejor método será medirlas directamente, si por el contrario se quiere analizar una bicicleta que no se tiene, lo más sencillo y preciso es buscar los datos en catálogos de los fabricantes.

    La mayoría de los datos, excepto los que respectan al cuadro pueden encontrarse en estos catálogos, pero los datos de las dimensiones de los cuadros habrá que conseguirlos de otro modo. Para medir los datos del cuadro se puede coger una foto de la bicicleta que se quiera analizar y medir sobre ella, tanto a mano como mediante el Autocad o cualquier otra herramienta informática, y después escalar las medidas en función de una medida conocida obtenida del catálogo. Para utilizar este método con precisión hace falta que la bicicleta esté lo menos girada posible, siendo a poder ser los ejes de las ruedas perpendiculares al plano de la fotografía escogida.

    Esta metodología resulta muy similar a la utilizada por el programa Linkage. El program Linkage desarrollado por Gergely Kovacs es una herramienta muy interesante para el análisis de las trayectorias de distintos diseños de cuadro, cuyo uso esta bastante extendido entre los aficionados a las bicicletas, motivo por el cual se puede acceder a una gran biblioteca de datos sobre las dimensiones de diferentes cuadros desarrollados por distintos usuarios. Utilizando el programa Conversor del Linkage se podrán obtener los datos necesarios para el programa Simulador de suspensiones a través de los datos disponibles en el Linkage, más unos cuantos más. Para ello hay que abrir el archivo de Linkage del modelo que se pretende analizar, y presionar el botón “Edit” que aparece en la barra de herramientas, con lo que se despliegan los datos del cuadro (Error: Reference source not found).

 

Figura 9 : Datos del Linkage

    De todos estos datos serán los seleccionados mediante cuadros rojos los que nos serán útiles para obtener los datos que necesitamos. El primer dato obtenido (arriba a la izquierda) nos indica el tipo de cuadro (en el Linkage, los datos se introducen de distinta forma dependiendo del tipo de cuadro), dato mediante el cual escogeremos la hoja del programa de conversión adecuado. En esta hoja se introducirán el resto de los datos seleccionados además de unos cuantos más. Entre ellos el ángulo de sillín, la longitud del tubo de sillín y el ángulo de la tija respecto al tubo de sillín, cuya única utilidad es definir la geometría de la bicicleta (no tienen influencia en el comportamiento de las suspensiones). El primero de estos datos es fácil de obtener en los catálogos, el segundo resulta más dificultoso (en caso de no encontrarlo se puede aproximar por la talla del cuadro en pulgadas) y el tercero no suele aparecer normalmente (en la mayoría de los casos será 0). Otros datos a introducir más importantes serán el sentido de giro de la bieleta (se obtiene visualmente) y la carrera del amortiguador (fácilmente obtenible de catálogos). Con todos estos datos el programa Conversor del Linkage nos dará los datos del cuadro, del amortiguador y de la horquilla requeridos por el programa Simulador de Suspensiones, permitiendo variar alguno de los datos de forma independiente a las demás si así se quisiera (introducir otra horquilla por ejemplo).

    Resultados del montaje

    Con los datos introducidos, el programa realizará una representación esquemática de la bicicleta (Error: Reference source not found), además de definir las dimensiones características de la misma, así como definir otros datos geométricos importantes como las trayectorias de ciertos puntos claves.

Figura 10: Características geométricas de la bicicleta

    Reglaje de las suspensiones

    Para realizar el reglaje de las suspensiones, lo primero será introducir los datos del ciclista (la pendiente del terreno será del 0% para el reglaje de las suspensiones), esto es, el peso del mismo y la posición del centro de gravedad, que es donde se aplica este peso. El centro de gravedad se definirá mediante las distancias del mismo respecto al apoyo en el sillín y el apoyo en el manillar (en función de la posición del ciclista (sentado, de pie,...) estas distancias pueden variar, y por ello el fondo de estos valores esta en verde).

    El próximo paso será regular las suspensiones de igual forma que en la realidad, mediante un método de ensayo-error. Para empezar el reglaje, habrá que seleccionar el carácter que se le quiere dar a la bicicleta, para lo cual habrá que seleccionar el SAG, tanto para el amortiguador, como para la horquilla, e introducir estos datos en el programa Simulador de Suspensiones. Después se empezará a probar con distintos valores de la rigidez para el amortiguador y la horquilla hasta lograr el SAG requerido (El SAG logrado aparece justo debajo del SAG requerido). Si son de muelles, la rigidez será constante y la fuerza vendrá definida por la formula , pero si se trata de

aire, las suspensiones adquieran una mayor progresividad definiéndose la fuerza mediante la formula .

    El hundimiento de las suspensiones provoca que las características geométricas de la

bicicleta cambien, es por ello que el programa las vuelve a representar en el estado

actual.

    Reacciones en las suspensiones al frenar o pedalear

    Basándose en el reglaje de las suspensiones realizado con anterioridad (también se

puede introducir una pendiente descendente o ascendente pero sin variar los reglajes

realizados en llano) se puede estudiar como interactúa la suspensión al frenar o

pedalear. En el caso de que se cambie la pendiente, también cambiará el hundimiento de

cada suspensión (debido al cambio en el reparto de pesos), por lo que hace falta corregir

el "SAG" de cada suspensión. El "SAG" correcto se obtendrá mediante iteración.

Primero se supondrá un SAG tanto para el amortiguador, como la horquilla,

introduciendo estos valores el programa devolverá unos nuevos valores justo debajo del

"SAG" introducido. Los valores inicialmente introducidos serán sustituidos por los

devueltos por el programa, al mismo tiempo que cambia el valor introducido también

variará el valor devuelto por el programa. Se procederá con esta iteración hasta que el

valor devuelto por el programa coincida con el valor introducido (de 2 a 4 iteraciones).

El programa Simulador de Suspensiones indicará el cambio geométrico experimentado

por la bicicleta debido a la pendiente.

    De querer analizar lo que sucede en una frenada, hay que introducir el dato de la

fuerza aplicada sobre la maneta del freno, mientras que en el caso de querer analizar lo

que sucede al pedalear habrá que introducir la potencia transmitida y la cadencia con la

cual se transmite. En ambos casos aparecerán unas fuerzas añadidas sobre la bicicleta

que alterarán el "SAG" del amortiguador y de la horquilla. En este caso la regulación

del "SAG" se ha de realizar dos veces (Se realiza iterando del modo anteriormente

explicado); el caso de que se este pedaleando, primero se itera teniendo en cuenta solo

el efecto de la fuerza sobre los pedales y posteriormente considerando también el efecto

de la tensión de la cadena, y en el caso de la frenada, primero se estudia la interacción

en función de la trayectoria y posteriormente se considera también el efecto del giro de

la pinza de freno.

    En este nuevo equilibrio de fuerzas, el programa Simulador de Suspensiones

volverá a representar las características geométricas actualizadas de la bicicleta.

    En el caso de que se haya analizado la frenada el programa Simulador de

Suspensiones también devolverá la desaceleración obtenida (este dato no será real, si

los datos de multiplicación de fuerzas y fuerza aplicada sobre la maneta no son reales),

el retroceso de las bielas (en el caso de que el retroceso fuera negativo, el mismo no

llegaría a producirse, sino que la cadena perdería tensión, quedándose colgando entre el

plato y piñón), el aumento del ángulo de dirección, la compresión de la horquilla

delantera, la extensión de la suspensión trasera y una cuantificación de la interacción de

la frenada con la suspensión.

    En el caso de analizar el pedaleo el programa Simulador de Suspensiones graficará

las oscilaciones de ambas suspensiones a la vez que indica la amplitud de las mismas. El

programa también devuelve el acortamiento de la cadena experimentado y cuantifica

cierto rendimiento de la transmisión en función de este acortamiento (si el rendimiento

es mayor a 100, significa que la cadena se alarga, lo que provoca un cierto avance en

vacío).

    Absorción de impactos

    Tal como se ha expuesto en la teoría se supondrá una absorción ideal de los impactos.

Los impactos serán representados como una cierta cantidad de energía a absorber

(positiva si son baches, negativo si son agujeros), aunque en la realidad muchos

impactos estarían mejor representados mediante un desplazamiento a absorber.

    En el caso de estar pedaleando el programa indicará el porcentaje de energía que ha

absorbido el amortiguador (el resto de la energía será absorbida por la cadena en su

extensión). Este porcentaje deberá de obtenerse de forma iterativa de igual modo que se

obtuvieron los valores del "SAG" en el apartado anterior (si el porcentaje es mayor a

100, indicaría que la cadena pierde tensión, provocando un cierto vacío en el avance).

Tras la iteración, el programa también devolverá los recorridos verticales utilizados

tanto por la suspensión delantera como la trasera para absorber los impactos, del mismo

modo que avisará en el caso que se produjese un tope (en compresión o extensión).

    En el caso de que no se estuviera pedaleando (tanto cuando se frena o no), la energía

absorbida por el amortiguador será del 100%, por lo que el primer paso será introducir

este dato. Tras introducir este dato el programa devolverá el retroceso experimentado en

el plato (si el retroceso fuera negativo, el mismo no llegaría a producirse, sino que la

cadena perdería tensión, quedándose colgando entre el plato y piñón) así como los

recorridos utilizados en ambas suspensiones.

    El programa también representara esquemáticamente como se produce la absorción

del impacto.