Cota Prototipo Open III: El subchasis

Cuando comenzaron a diseñarse las motos con monoamortiguadores, la parte del chasis que anteriormente soportaba los dos amortiguadores traseros, el asiento y el guardabarros trasero, paso a ser menos resistente ya que los grandes esfuerzos exigidos a la amortiguación trasera pasaban a transmitirse por el monoamortiguador directamente a la espina dorsal de la moto, en su anclaje superior. Esta parte del chasis denominada subchasis, pasó en muchas monturas a unirse atornillada al chasis principal en vez de soldada y permitiendo luego que se pudiera fabricar en materiales más ligeros, como aluminio e incluso plástico, como he visto en algunas enduro actuales, que aunque lo llamen fibra no deja de ser un polímero.

Partiendo del chasis elegido de una Cota 310 para nuestra prototipo lista para correr en categoria Open, nos queda solucionar la selección del subchasis teniendo en cuenta que en este caso va a soportar dos amortiguadores con un esfuerzo importante cuando exijamos a la amortiguación trasera el máximo. Este subchasis para dar la rigidez y consistencia adecuadas, le debemos soldar al chasis por lo que podemos descartar el de la 310 al estar hecho de aluminio. Podemos utilizar el de acero de la Cota 307 que disponemos de él por haber utilizado ya el basculante de la misma moto donante. Pero nos convence más el de la 309, que además de ser geométricamente igual que el de la 310, esta construido en acero y soldable por tanto. El subchasis de la Cota 309 tiene la zona del asiento situada en un plano más bajo todavía, lo cual para trial es muy conveniente por razones de movilidad dejando un altura al suelo muy baja.

Menor altura de la zona del asiento en el subchasis de aluminio de la cota 310, geométricamente  idéntico al de la 309.

Es obvio que la única posición posible de los soportes superiores de los amortiguadores es en la intersección de los lados trasero del subchasis con la cuna casi horizontal soporte del guadabarros, ya que es en este punto dónde los esfuerzos de los amortiguadores se van a transmitir directamente a las barras del subchasis.

Esquema de descomposición de fuerzas en el punto de anclaje superior de amortiguadores 

Apertura de huecos dónde soldar el eje apoyo amortiguadores 

Es conveniente que los soportes superiores de los amortiguadores al igual que hicimos con los inferiores sobre el basculante queden bien alineados, paralelos al eje basculante y por tanto, perpendiculares al plano longitudinal de la moto. Para ello comprobamos mediante dos barras de suficiente longitud que las entallas practicadas en el subchasis donde soldaremos los soportes están bien alineadas. Y para que los dos ejes sobre los que pivotan levemente los amortiguadores traseros estén perfectamente alineados, mandamos fabricar a torno la pieza de la foto de abajo. Partiendo de varilla de acero calibrada de diámetro 18, se cilindran los dos asientos de los amortiguadores en ambos extremos a diámetro 12 y a la distancia conveniente para los amortiguadores The Magicals que voy a instalar. Sendas roscas internas en los extremos de M6 permitirán fijar los tornillos y arandelas que harán tope lateral de los amortiguadores impidiendo que se salgan. Me inspiro en el diseño de la Cota 242, como alguien habrá podido observar.

Nunca llegué a comunicar verbalmente con el tornero ya que lo hice a través de un amigo al cual le envié el croquis electrónicamente y este a su vez al taller de mecanizados. El croquis es el lenguaje de la ingeniería de fabricación. Un croquis bien hecho especifica como es una pieza concreta univocamente, y eso que según me recuerda el profesor Agulló, me salto todas las reglas de croquización, de las que no me acuerdo.

Con el objeto de ganar recorrido de suspensión trasera queremos que ambos soportes de amortiguadores, superior e inferior, estén lo más adelantados posible. Esto hará que el angulo de giro de replegamiento del basculante sea mayor y, por tanto, el recorrido de la rueda trasera. Es por esto por lo que tratamos de llevarnos el subchasis hacia adelante, en lugar de soldarlo al chasis en la posición en que originalmente iba atornillado. Sin embargo tenemos un límite de adelantamiento del suchasis por dos motivos, el espacio que ocupan el silencioso intermedio del escape y la caja de filtro que van en el hueco entre subchasis y chasis.

Subchasis adelantado en la zona superior

Subchasis adelantado en la zona inferior

La inclinación de los amortigudores nos va a proporcionar la progresividad de la amortiguación. Modelizamos el mecanismo de la amortiguación trasera, basculante y amortiguadores, en una hoja Excel con representación gráfica. De esta forma y en función de las configuraciones posibles obtenemos tanto el recorrido de la suspensión como la progresividad de ésta.

Para lo primero es determinante la posición de los anclajes del amortiguador, el propio recorrido de los amortiguadores The Magicals y, algo que no debe pasarse por alto, que es la longitud del amortiguador libre, es decir, completamente extendido.  En mi caso por lo menos las variables longitud de amortiguador y recorrido de éste las tenía fijas, pues para que no se me disparara el presupuesto quería utilizar los The Magicals de mi Cota 349. Estos miden 350 mm. entre centros y tienen un recorrido de 95 mm. Para medir el recorrido se desmonta el muelle del amortiguador y simplemente se mide lo que se puede encoger. Podemos comprobar que el muelle se puede encoger mucho más que el vástago, no suponiendo ningún límite en el recorrido. Quiero decir que el muelle con el amortiguador comprimido a tope, todavia tiene sus espiras algo separadas.

Casi infinitas presentaciones y montajes antes de puntear. Todo tiene que acoplar a la perfección..

Si hubiese podido escoger del mercado unos amortiguadores, podría haber elegido los The Magicals de 340 mm. pues creo que estos tienen el mismo recorrido que los de 350 mm., pero que al ser más cortos permitiría un anclaje en el basculante trasero todavía más adelantado, dándonos más recorrido a la amortiguación, aunque habríamos perdido en progresividad y éstos hubiesen quedado en una posición demasiado vertical y antiestética.

La progresividad la observamos con el modelo realizado en la hoja Excel y comparando las gráficas que obtenemos de la deformación angular versus fuerza en la rueda trasera. La curva con una amortiguación lineal sería una recta y con progresividad una curva concava, blanda al principio del recorrido y dura al final. Cuanta más panza en la curva más progresiva es. La inclinación de los amortiguadores y el anclaje de estos al chasis y al basculante nos van a dar distintas progresividades. Observamos por ejemplo, cómo la geometría de una Ossa TR80 es mayor que en un Cappra VB dónde los amortiguadores están muy verticales. Pero hay que decirlo, no hay mucha diferencia y la panza o progresividad es muy leve en los simples mecanismos de las twin-shock.

Siento no poder ofrecer mejores imágenes de los modelos para el cálculo de los sistemas de suspensión trasera, pero la única forma que tengo es grabándolos con cámara de vídeo. En el primero se tiene el modelo desarrollado para el sistema de basculante simple y dos amortiguadores. En el segundo vídeo se puede observar y calcular el comportamiento del sistema de bieletas PRS de la Cota 310.

Alguien iniciado en geometría descriptiva y trigonometría puede hacerse cargo de cómo se calcula el mecanismo de una suspensión trasera. El mecanismo en sí es muy simple pero el desarrollo de la formulación de los triángulos es bastante largo y tedioso, aunque una vez hecho cualquier combinación geométrica de longitudes de basculantes, posición de anclajes, durezas de muelles, etc. se observa matemáticamente su comportamiento, pudiéndose hacer hacer comparativas y optimizaciones. Sin embargo, y por la curiosidad que me carcomía me entretuve unas cuantas horas en desarrollar el modelo también para una suspensión basada en bieletas. Aquí la formulación se hace extremadamente complicada por la cantidad de triángulos a resolver y la infinidad de términos trigonómetricos anidados, directos e inversos que resulta. De hecho para calcular la serie de giro basculante vs. esfuerzo en rueda trasera con una fórmula en una celda, ésta no cabía y la tuve que hacer por trozos, descomponiendola en tres parámetros

Definición de ángulos variables, segmentos, triángulos y cuadriláteros deformables

Cuatro parámetros como el que está editado en Excel a base de funciones componen el esfuerzo del terreno sobre la rueda trasera de una Cota 310 en función del ángulo de giro del basculante. ¡Para volverse loco!

Comparativa del comportamiento de varias suspensiones traseras

Pero mi curiosidad se quedó satisfecha al observar que en una moto con bieletas la progresividad de la amortiguación trasera es enorme en comparación con una de doble amortiguador. Nada que ver. Ahora entiendo porqué en mi moto de trial moderna o en una Cota 310 es casi imposible hacer tope con la amortiguación trasera y sin embargo al principio del recorrido se mueve como un flan.

Volviendo al prototipo, que me pierdo. Para soldar el subchasis al chasis lo más alineado posible me hago con dos perfiles de hierro agujereados a distancias iguales y atravesados a la altura del eje del basculante y del eje soporte amortiguadores, como en la foto. De esta manera me aseguro el perfecto y deseado paralelismo de ejes.

Mediante dos perfiles agujereados a la misma distancia situo el suchasis con los ejes basculante y soporte amortiguadores paralelos

Detalle del soporte superior amortiguadores, el cual cortaremos la parte central.

Subchasis punteado y refuerzo triangular en soportes superiores amortiguadores 

El punto que más va a trabajar a tracción cuando se le exija lo máximo a la amortiguación trasera  requiere un refuerzo.

Después de soldar, la tuerca se elimina

Pero el subchasis de Cota 309 elegido por ser todavía más bajo que el de Cota 307, tiene una pega y es que las barras horizontales dónde apoyará el asiento tienen un doblez para permitir precisamente que el asiento se quede en una situación más baja. Estas curvas de las barras horizontales del subchasis a la altura del asiento no dan continuidad al esfuerzo a compresión que se produce en éstas como se vio en la figura de la descomposición de fuerzas que se produce en el anclaje superior del amortiguador. Como además en la Cota 309 el subchasis no soporta la amortiguación trasera, los esfuerzos que tiene que soportar este elemento son distintos y menores; el peso del piloto cuando se sienta o algún golpe de caídas. Es por ello que el tubo de cromolibdeno del que esta construido los chasis de estas motos, más concretamente de acero 25CrMo4 o en denominación UNE F-2220 es de menor sección que en el chasis de la última twin-shock de la familia, la Cota 242.

Con los dos tubos rojos damos continuidad a la estructura permitiendo que la componente a compresión  descargue en la espina dorsal de forma directa

Esta mencionada doblez impide la continuidad de la estructura tan deseada en resistencia de materiales y provocando que las barras dejen de trabajar sólo a compresión y pasen a hacerlo, en este punto, también a flexión. Decidimos por tanto darle a la estructura esa continuidad y prolongar estas barras hasta la espina dorsal soldándoles dos tubos del mismo material F-2220 y proveniente de otro chasis de color rojo. De esta manera reforzamos en el punto crítico del subchasis previamente habiendo comprobado que no interfiere con ningún otro elemento, como el carburador que cae muy próximo.

Vista desde abajo de los tubos prolongadores rojos a espina dorsal presentados con alambre.

Vista desde arriba

Vista desde detrás

Otra zona necesaria de refuerzo es la parte superior del subchasis. Aquí se producen los dos grandes esfuerzos de cada amortiguador cuando le pedimos a la amortiguación trasera el máximo, en trial, por ejemplo, yendo muy rápido en interzona y saltar una zanja imprevista con la rueda delantera elevada. Contra la trasera se produce el máximo esfuerzo, llevándola a hace tope fácilmente. Para que el reparto de fuerzas en esta zona y su transmisión al subchasis sea rígida le soldamos la pieza de acero en forma de visera que se observa en las fotos agujereada para aligerar.

Subchasis ya soldado, con refuerzo superior y barra sobrante soportes amortiguadores eliminada.

Subchasis soldado y geometría trasera definida

Con el chasis ya soldado en sus partes claves, procedemos a soldar los soportes de accesorios como la orejeta soporte del escape, orejeta adicional para la caja filtro,

el soporte trasero del triangulo que une espina dorsal con culata, las chapitas en las Us de los soportes estriberas para que estas queden perfectamente horizontales.

¡Ya va quedando menos!

Cota Prototipo Open II: El basculante

Una vez seleccionado el chasis de partida que vamos a utilizar, el de la cota 310 por las cualidades descritas en la anterior entrada, pasamos a ver qué otro elemento clave es el que mejor se adapta a nuestro Proyecto: El basculante.

Cuanto más largo, mejor. Vaya eso por delante. El basculante además de permitir el repliegue de la rueda trasera, es el elemento que empuja a la moto para el avance. Cualquier aceleración de la moto sin perder tracción, hace lo propio con el punto geométrico que constituye el eje de rueda trasero. Si el punto geométrico eje de rueda trasera acelera, por compresión del basculante la componente en dirección de éste se transmite al chasis por medio del eje basculante.

Lo ideal sería que el eje del basculante se situase lo más próximo al centro de gravedad de la moto o, al menos, que la dirección del basculante estuviere alineado con ese centro de gravedad. Cualquier desviación de la dirección del basculante con el centro de gravedad produce, además de la fuerza de traslación de la moto, un par en la moto haciéndola girar, posiblemente en un sentido no deseado. ¿Que hacemos para levantar la rueda de delante? Hundir la suspensión trasera y acelerar en ese momento para que se produzca un par que nos ayude a levantar la moto de delante, amen de tirar del manillar para atrás, ayudando a ese par. 

Imaginemos que ese eslabón que constituye el basculante en la tracción de la moto fuese muy corto. Para un recorrido dado de la suspensión trasera, el movimiento angular del basculante debe ser mayor que en un basculante largo, y por tanto, la deformación del mecanismo que hace avanzar la moto es mayor en un basculante corto, haciendo que la desviación sobre el centro de gravedad sea mayor.

Pero si queremos mejorar la tracción de nuestra clásica no es válido sólo con alargar el basculante. He llegado a ver clásicas con prolongadores soldados al propio basculante. No nos vale. Alargaríamos la distancia entre ejes de la moto y además adelantaríamos relativamente el centro de gravedad de la moto. Lo suyo es alargar el basculante y, al mismo tiempo, adelantar el eje del mismo en la misma medida que alargamos éste dejando la rueda en el mismo sitio y el centro de gravedad inalterado. Evidentemente el motor se queda dónde estaba, por lo que el eje del basculante quedará más cerca del eje de salida del motor.

En la evolución del diseño que ha tenido desde los años 80 el ir adelantando paulatinamente el punto del eje basculante acompañado de un alargamiento de éste tuvo un límite, que fue que se llegara a hacer tope el eje del basculante con el motor. Hoy día y desde los años 90, muchas trialeras y no trialeras, el eje del basculante atraviesa parte del motor. El extremo está en el diseño que hizo Antonio Cobas donde basculante y salida real de potencia del motor compartían eje geométrico, aunque fuese por razones del efecto de la tensión de cadena en la suspensión trasera.

Basta echar un vistazo a esta distancia en las motos de trial de ahora y en las clásicas menos evolucionadas y nos daremos cuenta de la gran diferencia.

Enorme distancia entre ejes salida y basculante.

Diseño poco evolucionado aun en una moto no tan antigua: basculante corto, eje salida lejos del eje basculante

Diseño bastante evolucionado en la cota 242, el eje del basculante esta próximo al eje de salida.

El eje basculante de la cota 310 se acerca todavía más al motor. 

Diseño actual

El basculante de nuestro prototipo bien podría ser el mismo que lleva la cota 310 construido en aluminio y con una ligereza espectacular, como lo es el de la cota 242 pero un poco más largo todavía, sin embargo, tenemos que tener presente que le deberemos acoplar dos amortiguadores para que se mantenga la condición de clásíca twin-shock. Para hacer eso hay que soldar los anclajes de éstos al basculante y hacerlo en aluminio no es tan fácil y requiere necesidad de recursos de talleres externos.

Diferencia de longitud entre basculantes; aluminio, 242 y blanco 307

Los basculantes que disponen las cota 307 y 309 son de acero y tienen exactamente la misma longitud entre ejes que el basculante de la cota 310, 485 mm. y a falta de comprobar la disposición del ancho de casquillos y el diámetro del eje del basculante, nos valdría para acoplarlo al chasis de la 310. Además, si utilizamos cualquiera de estos basculantes, la geometría de chasis, motor y basculante va a quedar exactamente igual a lo que es una 310, sólo que con el basculante más pesado por el acero.

Por comparar, el basculante de la cota 242, que ya de por sí se puede considerar de bastante longitud pues no en vano lo he visto montado en muchas otras trialeras, mide 455 mm. No obstante la longitud entre ejes de ruedas de la cota 242 es de 1.335 mm., es decir, medio centímetro más larga que las cota 307, 309 y 310 con 1.330 mm. Tengo a mano el dato de las novísimas Cota 4RT 2014, 1.321 mm.

Basculante de la cota 242 utilizado en otra trialera: han alargado la suspensión trasera  pero también la distancia entre ejes de la moto.

El basculante seleccionado porque dispongo de él y porque mantiene la geometría de la cota 310 es el de la 307 de acero. Una pena pues es mucho más pesado que el de la 310, pero ya veremos en un futuro si no intentamos montar el de aluminio. Por otra parte, hay que darse cuenta que el basculante en una mono ha de ser mucho más resistente que en una twin-shock pues trabaja mucho más a flexión. Por tanto, a este basculante de 307 además de soldarle los soportes inferiores de los dos amortiguadores, podremos aligerarlo drásticamente eliminándole refuerzos y anclajes del mono.

Presentación amortiguador para ubicación soporte inferior

Chasis y sistema de bieletas de cota 310 con basculante de cota 307.

La ubicación de los soportes inferiores de amortiguadores a lo largo de la longitud del basculante es determinante para definir la geometría de la amortiguación trasera, pues no sólo nos dará el recorrido si no que nos determinará la progresividad; la menor dureza en los primeros tramos que en los últimos del recorrido. Como el anclaje superior también tiene que ver en lo anterior veremos la definición de esta geometría en el capítulo del subchasis.

Cómo podría quedar el amortiguador trasero

Gran debate mecánico tuvimos Julio Mcampo68 y yo acerca del anclaje ideal inferior de los amortiguadores  De tres maneras posibles se puede hacer: orejeta con eje en voladizo tipo cota 349, en U con eje pasante o una orejeta centrada en el amortiguador con terminación de este en U invertida tipo cota 242 o cota 330. Finalmente nos decidimos por el diseño clásico en U que es el que menos material requiere extraído de un perfil de acero, y lo recortamos calculando el sector de ángulo de movimiento relativo del amortiguador con respecto al basculante.

A parte de la posición longitudinal en el basculante que nos va a proporcionar la geometría de la amortiguación trasera, tenemos que tener en cuenta la posición lateral de los mismos. El soporte izquierdo no puede interferir con la cadena, pero tampoco lo debemos separar de ésta más que lo justo, ya que sino los soportes superiores nos podrían quedar muy separados entre sí, molestando a las piernas del piloto. También podríamos dejar los soportes inferiores más separados que los superiores, pero sin exagerar siendo un límite muy pronunciado la disposición que tienen la primeras cota 123.

Divergencia de los amortiguadores traseros

Situación lateral amortiguador izquierdo para no interferir en la cadena.

Alineación de los dos soportes mediante varilla roscada

Marcado sobre basculante posición final deseada antes de soldar

Sierra y radial para aligerar el basculante 

Aligeramiento del basculante; eliminación de refuerzos con orejetas ya soldadas

El eje del basculante de la cota 310 es de 14 mm mientras que en la 307, y por tanto los cojinetes, es de 12. Esto lo solucionamos con sendos casquillos a cada lado del chasis de la 310 y utilizando el eje de 12 milímetros de diámetro. El ancho del basculante a la altura de los casquillos es el mismo en ambas motos y no tenemos mayores problemas en instalarlo.

Basculante terminado y crormado

Evidentemente las ruedas deben disponer de tambor y zapatas para poder correr en categoría de clásicas por lo que la decisión ha sido instalar las de la cota 242. En la rueda trasera el conjunto de buje, más portazapatas proporcionan un ancho inferior al del basculante a la altura del eje por lo que no tendremos problemas más que en centrar la rueda en el eje central de la moto.

Para el centrado de la rueda trasera tenemos que tener en cuenta que el basculante no es simétrico, el lado  derecho abre más que el izquierdo. Por tanto, hemos de medir las distancias iguales a ambos lados desde el borde de la llanta a los flancos laterales de los rodamientos en el buje, y suplementar a cada lado con casquillos separadores en duraluminio a la medida adecuada, teniendo en cuenta el portazapatas y la reacción del freno trasero.

No está de más comprobar, como se puede ver en la foto, y ayudados por un rayo de alineación de una sierra eléctrica, que todo queda perfectamente alineado con la espina central del chasis, con la pipa y con el plano central de la moto.

Un adicional chequeo que podemos hacer, es que la distancia entre el plano central de la moto y el piñón de salida del motor es igual a la distancia que hay entre el plano central de la rueda trasera y la corona, para asegurarnos que la cadena quede perfectamente alineada y paralela al plano central.

Del soporte central que une el motor con el eje del basculante y que deja centrados los casquillos, tenemos que eliminar las dos orejetas que sirvieron de soporte a las bieletas del monoamortiguador y reforzaremos con chapa para aumentar rigidez.

Tenemos que tener en cuenta que si bien el basculante de la 307 es más pesado que el de la 310 y que vamos a instalar dos pesados amortiguadores The Magicals, pero a parte de haber aligerado bastante el basculante, hemos eliminado orejetas del sistema PRS de bieletas, el mono amortiguador Marzocchi con depósito de gas y aceite separado y por supuesto, las correspondientes bieletas con los tornillos pasantes, por lo que el conjunto del nuevo diseño no ha ganado en peso.