El componente de un coche de F1 más humilde, pero con más rendimiento

En esta columna a veces tratamos temas bastante complejos e intentamos explicarlos en un contexto de Fórmula 1. En otras ocasiones, el tema puede parecer sencillo, pero los matices añaden complejidad. Del mismo modo, siempre intentamos responder a las preguntas que plantean los lectores, así pues, vamos a profundizar en un tema que ocupa a los muelles de torsión.

Antes de responder, veamos en qué consisten los muelles. Un muelle es simplemente un componente plástico que almacena energía mecánica y ejerce una fuerza cuando se desvía.

El tipo de muelle que la mayoría de la gente conoce es el helicoidal, que puede encontrarse en cualquier elemento, desde la suspensión de un coche hasta en un bolígrafo retráctil. Si el muelle está hecho de alambre de un diámetro constante y las espiras están espaciadas uniformemente, entonces, el muelle tiene una rigidez o índice de elasticidad constante, lo que normalmente se expresa en newtons por milímetro o libras por pulgada. Así, si tuviéramos un muelle con un índice de 175 N/mm y pusiéramos 175 newtons, unos 18 kilogramos, en su extremo, se desviaría 1 mm.

Lo que mucha gente no sabe es que, aunque el muelle se deforme en línea recta, lo hace porque cada parte de la bobina se retuerce. Por lo tanto, la propiedad del material que determina la rigidez es el módulo de cizallamiento y no el módulo elástico. Esa es la razón por la que el ahorro del peso que supone utilizar titanio para los muelles no es tan grande como cabría esperar, mientras que la relación resistencia/peso del titanio es significativamente mejor que la del acero, la relación del módulo cizalla/peso del titanio con respecto al acero es solo ligeramente mejor.

Habiendo visto que un muelle helicoidal alcanza su rigidez por la torsión del alambre del que está formado, podemos entender que un que un muelle de barra de torsión no es más que un muelle helicoidal desenrollado. Hay otras sutilezas, como las condiciones de los extremos, pero una barra de torsión tiene dos ventajas claras.

La primera es que, si se considera cualquier dispositivo que se retuerce, la flexión máxima se produce en la superficie exterior, y en algún punto alrededor de la mitad de la sección no se está produciendo ninguna torsión. Así que tiene sentido quitar el material del centro, que está haciendo poco trabajo.

Con una barra de torsión recta, se trata de una operación de mecanizado relativamente sencilla, pero cabe imaginar que con un muelle helicoidal sería mucho más difícil. De este modo, la barra de torsión ahorra peso con respecto a un muelle helicoidal convencional.

La segunda ventaja de una barra de torsión está en el embalaje. Todos los coches utilizan algún tipo de suspensión push o pullrod que acciona un balancín para activar los mecanismos del muelle y el amortiguador. Introducir una barra de torsión por el centro del balancín y estriarla a la vez que se ancla al chasis o la caja de cambios en el otro extremo es una instalación mucho más ordenada que un voluminoso muelle helicoidal fijado en otra parte del balancín.

Sin embargo, esos no son los únicos muelles que se pueden encontrar en un monoplaza de Fórmula 1. A menudo se utilizan unos muelles de disco o arandelas Belleville en los muelles centrales. Aunque son un poco pesados, tienen la ventaja de ser compactos en una zona donde el espacio es escaso, y también se pueden hacer fácilmente progresivos o de velocidad creciente.

Las cargas aerodinámicas aumentan con la velocidad del coche, por lo que resulta útil disponer de un muelle que se vuelva progresivamente más rígido a medida que se desvía. Eso se puede conseguir geométricamente mediante una colocación adecuada del muelle y de las fijaciones de la biela push o pullrod en el balancín, o mediante un muelle de dureza progresiva.

Los muelles de disco lo consiguen mediante una pila de arandelas de grosor variable dispuestas de tal forma que los muelles menos rígidos se bloquean progresivamente, dejando que los muelles más rígidos soporten la carga.

Una de las ventajas que tenía el Benetton de Michael Schumacher en 1994 y 1995 era que el monoplaza estaba suspendido sobre muelles de disco, y nosotros escribimos con códigos informáticos que nos permitirían calcular cómo apilar los muelles para obtener las alturas de conducción deseadas a diferentes velocidades para aprovechar el mejor mapa aerodinámico. Todos los equipos lo hicieron con las suspensiones activas, pero en aquel entonces, fueron los únicos que lo explotaron de aquella forma hasta tener un sistema de suspensión pasiva.

Por supuesto, hay otras maneras de conseguir una suspensión progresivamente rígida, y una que se lleva utilizando desde hace muchos años es el uso de gomas de parachoque. Se tratan de dispositivos elastoméricos moldeados que se comprimen gradualmente, pero que, debido a su forma, producen una fuerza no lineal en función de su desplazamiento.

El último tipo de muelle que se usa en la Fórmula 1 es el resorte de gas. Es uno de los favoritos de muchos, y se utilizaba tanto en monoplaza con suspensión activa como pasiva.

Tiene la gran ventaja de ser muy progresivo y fácilmente ajustable mediante la alteración de la presión del gas, y a veces su volumen, para lograr solo el aumento de la tasa requerida. Tiene algunas desventajas, principalmente el hecho de que el índice del muelle cambia con la temperatura, pero eso se compensa fácilmente.

Fue de uso común hasta 2022, cuando la FIA decretó que eran demasiado complejos y capaces de "ocultar" características no deseadas. Nunca pareció que fuera así, pero los equipos se ven ahora obligados a recurrir a un inventario de muelles mecánicos pesados y caros. Sin embargo, el resorte de gas no está completamente muerto, ya que todos los motores los utilizan en lugar de los muelles helicoidales para cerrar las válvulas de admisión y escape.

En este contexto, son infinitamente superiores porque no son propensos al rebote de la válvula que, durante mucho tiempo, fue el factor limitante de la velocidad del propulsor.

El humilde muelle, a primera vista de una de las piezas más sencillas de un coche de Fórmula 1, esconde atributos que, cuando se utilizan correctamente, contribuyen en gran medida a mejorar el rendimiento.

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