Subviraje y sobreviraje

El subviraje y el sobreviraje son términos de dinámica de vehículos que se utilizan para describir la sensibilidad del vehículo a los cambios en el ángulo de dirección asociados con los cambios en la aceleración lateral. Esta sensibilidad está definida para una carretera nivelada para una condición de funcionamiento en estado estable dada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) en el documento J670 ^[1] y por la Organización Internacional de Normalización (ISO) en el documento 8855 ^[2] . Si el vehículo está subvirando o sobrevirando depende de la tasa de cambio del ángulo de subviraje. El ángulo de subviraje es la cantidad de dirección adicional (en las ruedas de la carretera, no en el volante) que se debe agregar en cualquier maniobra en estado estable dada más allá del ángulo de dirección de Ackermann. El ángulo de dirección de Ackermann es el ángulo de dirección en el que el vehículo viajaría alrededor de una curva cuando no se requiere aceleración lateral (a una velocidad insignificantemente baja).

El gradiente de subviraje (U) es la tasa de cambio del ángulo de subviraje con respecto a la aceleración lateral en una carretera nivelada para una condición de funcionamiento en estado estable determinada.

El vehículo está en subviraje si el gradiente de subviraje es positivo, en sobreviraje si el gradiente de subviraje es negativo y en dirección neutra si el gradiente de subviraje es cero.

Los entusiastas de los automóviles y los deportes de motor a menudo utilizan la terminología de manera informal en revistas y blogs para describir la respuesta del vehículo a la dirección en una variedad de maniobras.

Se pueden utilizar varias pruebas para determinar el gradiente de subviraje: radio constante (repetir pruebas a diferentes velocidades), velocidad constante (repetir pruebas con diferentes ángulos de dirección) o dirección constante (repetir pruebas a diferentes velocidades). La ISO proporciona descripciones formales de estos tres tipos de pruebas. ^[3] Gillespie explica en detalle dos de los métodos de medición. ^[4]

Los resultados dependen del tipo de prueba, por lo que simplemente dar un valor en grados/g no es suficiente; también es necesario indicar el tipo de procedimiento utilizado para medir el gradiente.

Los vehículos son sistemas inherentemente no lineales y es normal que U varíe a lo largo del rango de prueba. Es posible que un vehículo muestre subviraje en algunas condiciones y sobreviraje en otras. Por lo tanto, es necesario especificar la velocidad y la aceleración lateral siempre que se informen las características de subviraje/sobreviraje.

Muchas propiedades del vehículo afectan el gradiente de subviraje, entre ellas la rigidez de los neumáticos en las curvas, el empuje de la inclinación , la flexibilidad de la dirección por fuerza lateral , el par de autoalineación , la transferencia de peso lateral y la flexibilidad en el sistema de dirección. La distribución del peso afecta la fuerza normal sobre cada neumático y, por lo tanto, su agarre. Estas contribuciones individuales se pueden identificar analíticamente o por medición en un análisis de Bundorf .

Hay que tener mucho cuidado para evitar confundir el comportamiento de subviraje/sobreviraje con el comportamiento límite de un vehículo. Las leyes físicas son muy diferentes. Tienen diferentes implicaciones de manejo y diferentes causas. La primera se relaciona con los efectos de distorsión de los neumáticos debido al deslizamiento y los ángulos de inclinación a medida que se alcanzan niveles crecientes de aceleración lateral. La segunda se relaciona con el caso de fricción límite en el que las ruedas delanteras o traseras se saturan primero. Es mejor utilizar los términos descriptivos de los pilotos de carreras "empujar (arar) y soltar (girar)" para el comportamiento límite, de modo que estos conceptos no se confundan. ^[5]

Los neumáticos transmiten fuerzas laterales (de lado a lado) y longitudinales (de adelante hacia atrás) al suelo. La fuerza de tracción total (agarre) disponible para un neumático es la suma vectorial de las fuerzas laterales y longitudinales, una función de la fuerza normal y el coeficiente de fricción. Si las fuerzas laterales y longitudinales que se presentan en el neumático durante las operaciones exceden la fuerza de tracción disponible del neumático, se dice que el neumático está saturado y perderá su agarre al suelo y comenzará a resbalar.

El empuje (arado) puede entenderse como una condición en la que, al tomar una curva, los neumáticos delanteros se saturan antes que los traseros y patinan primero. Como los neumáticos delanteros no pueden proporcionar ninguna fuerza lateral adicional y los traseros sí, la parte delantera del vehículo seguirá una trayectoria de mayor radio que la trasera y, si no hay cambios en el ángulo de dirección (es decir, el volante permanece en la misma posición), la parte delantera del vehículo se deslizará hacia el exterior de la curva.

Si las ruedas traseras se saturan antes que las delanteras, las delanteras mantendrán la parte delantera del vehículo en la trayectoria deseada, pero las traseras resbalarán y seguirán una trayectoria con un radio mayor. La parte trasera se balanceará hacia afuera y el vehículo girará hacia el interior de la curva. Si no se cambia el ángulo de dirección, las ruedas delanteras trazarán un círculo cada vez más pequeño mientras que las traseras continúan balanceándose alrededor de la parte delantera del coche. Esto es lo que sucede cuando un coche "se sale de control". A un coche susceptible de perder el equilibrio se lo conoce a veces como "tail happy", como en la forma en que un perro mueve la cola cuando está contento y un problema común es el derrape .

En la conducción en el mundo real, hay cambios continuos en la velocidad, la aceleración (frenado o aceleración del vehículo), el ángulo de dirección, etc. Todos estos cambios alteran constantemente la distribución de la carga del vehículo, lo que, junto con los cambios en las temperaturas de los neumáticos y las condiciones de la superficie de la carretera, modifica constantemente la fuerza de tracción máxima disponible en cada neumático. Sin embargo, por lo general, son los cambios en el centro de masa los que provocan la saturación de los neumáticos e informan sobre las características de manejo límite.

Si el centro de masas se desplaza hacia delante, el gradiente de subviraje tiende a aumentar debido a la sensibilidad de la carga de los neumáticos . Cuando el centro de masas se desplaza hacia atrás, el gradiente de subviraje tiende a disminuir. El desplazamiento del centro de masas es proporcional a la aceleración y se ve afectado por la altura del centro de masas. Al frenar, una mayor parte del peso (carga) del vehículo recae sobre los neumáticos delanteros y una menor sobre los traseros. Por el contrario, cuando el vehículo acelera, ocurre lo contrario, el peso se desplaza hacia los neumáticos traseros. De manera similar, a medida que el centro de masas de la carga se desplaza de un lado al otro, cambia la tracción de los neumáticos interiores o exteriores. En casos extremos, los neumáticos interiores o delanteros pueden levantarse completamente del suelo, eliminando o reduciendo la acción de la dirección que se puede transferir al suelo.

Si bien la distribución del peso y la geometría de la suspensión tienen el mayor efecto en el gradiente de subviraje medido en una prueba de estado estable, la distribución de potencia, el sesgo de frenado y la transferencia de peso de la parte delantera a la trasera también afectarán qué ruedas pierden tracción primero en muchos escenarios del mundo real.

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Cuando un vehículo subvirador se lleva al límite de agarre de los neumáticos, donde ya no es posible aumentar la aceleración lateral, el vehículo seguirá una trayectoria con un radio mayor que el previsto. Aunque el vehículo no puede aumentar la aceleración lateral, es dinámicamente estable.

Cuando un vehículo sobrevirador se lleva al límite de agarre de los neumáticos, se vuelve dinámicamente inestable y tiende a derrapar . Aunque el vehículo es inestable en un control de circuito abierto, un conductor experto puede mantener el control más allá del punto de inestabilidad con un contravolante y/o un uso correcto del acelerador o incluso de los frenos; esto se hace a propósito en el deporte del drifting .

Si un vehículo con tracción trasera tiene suficiente potencia para hacer girar las ruedas traseras, puede iniciar un sobreviraje en cualquier momento enviando suficiente potencia del motor a las ruedas para que comiencen a girar. Una vez que se pierde la tracción, tienen relativa libertad para oscilar lateralmente. Bajo carga de frenado, los frenos delanteros suelen realizar más trabajo. Si esta tendencia hacia delante es demasiado grande, los neumáticos delanteros pueden perder tracción, lo que provoca subviraje.

El gradiente de subviraje es una de las principales medidas para caracterizar el comportamiento en curvas en estado estable. Interviene en otras propiedades, como la velocidad característica (la velocidad de un vehículo subvirante en la que el ángulo de dirección necesario para tomar una curva es el doble del ángulo de Ackermann), la ganancia de aceleración lateral (g/grado), la ganancia de velocidad de guiñada (1/s) y la velocidad crítica (la velocidad en la que un vehículo sobrevirante tiene una ganancia de aceleración lateral infinita).