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Influence of Air Spring Pressure on Ride Comfort and Dynamic Response of an Electric Vehicle under Random Road Excitation

Este estudio investiga cómo las variaciones en la presión del muelle de aire afectan la comodidad de marcha y la respuesta dinámica de los vehículos eléctricos ante la excitación aleatoria de la carretera, revelando que presiones más altas aumentan la rigidez de la suspensión y las cargas de la rueda al tiempo que reducen la comodidad, identificando así rangos de presión óptimos para equilibrar estos factores contrapuestos a través de diferentes clases de carreteras y velocidades.

Autores originales: Nguyen Thanh Tung, Luong Van, Khau Tan Phat, Nguyen Thanh Danh, Phan Chuong Anh Khoi

Publicado 2026-10-05

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CC BY 4.0

Autores originales: Nguyen Thanh Tung, Luong Van, Khau Tan Phat, Nguyen Thanh Danh, Phan Chuong Anh Khoi

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Todo vehículo que circula por una carretera debe librar una batalla constante entre dos necesidades contrapuestas. La primera es la necesidad de aislar a los pasajeros de la textura rugosa e irregular del pavimento, manteniendo un viaje suave y confortable. La segunda es la necesidad de mantener los neumáticos firmemente presionados contra el suelo, asegurando que el vehículo pueda maniobrar, frenar y acelerar de forma segura. Si un sistema de suspensión es demasiado blando, el coche puede sentirse como un bote sobre una ola, aislando al conductor de la carretera pero con el riesgo de perder el control cuando los neumáticos rebotan. Si el sistema es demasiado rígido, los neumáticos permanecen asentados, pero cada bache se transmite directamente a los pasajeros, convirtiendo un trayecto en una experiencia sacudida. Para los vehículos eléctricos, este equilibrio es aún más delicado porque los pesados paquetes de baterías y las configuraciones únicas de los motores cambian la forma en que el coche pesa y se mueve, haciendo que los ajustes tradicionales de la suspensión sean menos efectivos.

En un estudio reciente, los investigadores se propusieron encontrar el equilibrio preciso para los vehículos eléctricos equipados con muelles de aire. A diferencia de los muelles de acero tradicionales, que tienen una rigidez fija, los muelles de aire utilizan gas comprimido para soportar el peso del vehículo. Al cambiar la presión de este gas, los ingenieros pueden alterar qué tan rígido o blando se siente la suspensión. El equipo de la Universidad de Tecnología de Educación de Vinh Long en Vietnam investigó cómo diferentes niveles de presión de aire afectan a un vehículo que circula por carreteras de diversa calidad, desde autopistas suaves hasta pistas extremadamente accidentadas. Simularon el vehículo viajando a velocidades de entre 30 y 60 kilómetros por hora en cuatro tipos distintos de superficies de carretera, que iban desde buenas hasta extremadamente malas. Su objetivo era determinar los ajustes de presión ideales que mantuvieran el viaje confortable sin sacrificar la seguridad del contacto del neumático con la carretera.

Los investigadores construyeron un modelo digital detallado de un vehículo eléctrico, tratándolo como un sistema complejo con siete partes móviles para capturar cómo la carrocería y las ruedas reaccionan a los baches. Sometieron este coche virtual a vibraciones aleatorias que imitan las condiciones de conducción del mundo real, probando cuatro niveles específicos de presión de aire: 400.000, 600.000, 800.000 y 1.000.000 de Pascales. A medida que aumentaban la presión, el aire dentro de los muelles se volvía más difícil de comprimir, haciendo que la suspensión fuera efectivamente más rígida. Los resultados fueron claros y consistentes en todos los tipos de carretera: una mayor presión conducía a un viaje más brusco. Cuando la presión estaba en su punto más bajo, el vehículo absorbía bien los baches, pero a medida que la presión subía a su máximo, la carrocería del vehículo comenzaba a sacudirse más violentamente. En las carreteras más lisas probadas, aumentar la presión desde el ajuste más bajo al más alto hizo que la vibración promedio sentida por los pasajeros saltara casi un 41 por ciento.

Este aumento de la rigidez también tuvo un impacto directo en la interacción de los neumáticos con la carretera. Aunque una suspensión más rígida podría parecer que mantendría los neumáticos asentados, las simulaciones mostraron el efecto contrario en terrenos accidentados. A medida que la presión aumentaba, los neumáticos tenían más probabilidades de rebotar y perder contacto con el suelo, especialmente a velocidades más altas. Los investigadores midieron esto utilizando un factor que indica cuánto fluctúa el peso sobre el neumático. En las carreteras más irregulares, cuando el vehículo viajaba rápido con alta presión de aire, los neumáticos estaban peligrosamente cerca de despegarse completamente de la superficie. Esta pérdida de contacto es crítica porque un neumático que no está tocando la carretera no puede maniobrar ni frenar con eficacia. El estudio encontró que, en las superficies más desiguales, los ajustes de presión más altos reducían significativamente el agarre del neumático, creando un escenario donde el vehículo podría volverse inestable.

La calidad de la superficie de la carretera desempeñó un papel masivo en el rendimiento de estos ajustes de presión. En carreteras lisas y de alta calidad, el vehículo podía tolerar un rango más amplio de presiones, con ajustes entre 400.000 y 800.000 Pascales ofreciendo un compromiso razonable entre confort y seguridad. Sin embargo, a medida que la superficie de la carretera se volvía más accidentada, el margen de error se reducía. En carreteras de calidad media, los investigadores recomendaron bajar la presión a entre 400.000 y 600.000 Pascales para mantener la seguridad. En las carreteras muy malas y extremadamente accidentadas, las simulaciones sugirieron que el ajuste de presión más bajo era la única forma de mantener el viaje tolerable y los neumáticos en contacto con el suelo. En estas condiciones duras, conducir a altas velocidades combinado con una alta presión de aire creaba una tormenta perfecta de incomodidad y peligro, con la carrocería del vehículo sacudiéndose violentamente y los neumáticos luchando por mantener el agarre.

El estudio también destacó que la relación entre la velocidad y la presión no es lineal. Conducir más rápido en una carretera accidentada con una suspensión rígida amplifica los efectos negativos, provocando que el vehículo rebote más y que los neumáticos pierdan contacto con más frecuencia. Los investigadores señalaron que, si bien sus hallazgos proporcionan una guía clara para estas condiciones específicas, se basan en simulaciones por computadora en lugar de pruebas físicas en carretera. El modelo no tuvo en cuenta todas las variables posibles, como los cambios en la carga de equipaje del vehículo o la compleja dinámica de calor dentro de los muelles de aire. No obstante, los resultados ofrecen una hoja de ruta práctica para ingenieros y conductores. Sugieren que, para que los vehículos eléctricos sigan siendo cómodos y seguros, la presión del aire en la suspensión no debe establecerse en un único valor fijo. En su lugar, debe ajustarse dinámicamente, bajando la presión a medida que la carretera se vuelve más accidentada o el vehículo aumenta su velocidad, asegurando que el coche siga siendo una plataforma estable para sus pasajeros mientras mantiene sus pies firmemente apoyados en el suelo.

Resumen Técnico: Influencia de la presión del muelle de aire en la comodidad de marcha y la respuesta dinámica de un vehículo eléctrico bajo excitación vial aleatoria

Planteamiento del problema
El estudio aborda el desafío crítico de optimizar la comodidad de marcha y la seguridad dinámica en vehículos eléctricos (VE) equipados con sistemas de suspensión neumática (de aire). A diferencia de los muelles de acero convencionales con rigidez fija, las suspensiones de aire ofrecen una rigidez ajustable mediante la presión interna del gas. Sin embargo, la influencia específica de la presión del muelle de aire en la dinámica de los VE —particularmente dada la distribución de masa única causada por los pesados paquetes de baterías y el potencial aumento de la masa no suspendida por motores montados en las ruedas— sigue sin explorarse suficientemente bajo excitación vial aleatoria. La investigación tiene como objetivo determinar cómo las variaciones en la presión del muelle de aire afectan la aceleración de la carrocería del vehículo (comodidad de marcha) y las cargas dinámicas de las ruedas (capacidad de contacto neumático-carretera) a través de diferentes clases de rugosidad de la carretera (ISO 8608:2016 B, C, D y E) y velocidades del vehículo (30–60 km/h).

Metodología
Los autores desarrollaron un modelo dinámico de siete grados de libertad (7-DOF) de un vehículo eléctrico. El modelo incluye:

Masa suspendida: Tres grados de libertad que representan la traslación vertical ( $Z$ ), el balanceo ( $\phi$ ) y el cabeceo ( $\beta$ ).
Masas no suspendidas: Cuatro grados de libertad que representan el movimiento vertical de las masas de los ejes delantero izquierdo, delantero derecho y eje trasero, además del movimiento de balanceo del eje trasero.

El sistema de suspensión neumática se modeló utilizando coeficientes de rigidez y amortiguación equivalentes derivados del volumen de aire, las cámaras auxiliares y las características de flujo de la tubería. El vehículo fue sometido a excitaciones viales aleatorias generadas según los estándares ISO 8608:2016 para las clases de carretera B (buena) a E (extremadamente mala).

Se realizaron simulaciones para evaluar dos métricas de desempeño primarias:

Aceleración RMS de la carrocería del vehículo ( $\ddot{Z}_{RMS}$ ): Utilizada como el indicador principal de la comodidad de marcha.
Coeficiente de carga dinámica ( $k_d$ ): Calculado como la relación entre la carga dinámica de la rueda y la carga estática de la rueda. $k_{dmax}$ indica la carga dinámica máxima, mientras que $k_{dmin}$ evalúa el riesgo de separación neumático-carretera (pérdida de contacto).

El estudio varió las presiones internas del muelle de aire desde $4 \times 10^5$ Pa hasta $10 \times 10^5$ Pa y las velocidades del vehículo desde 30 km/h hasta 60 km/h.

Resultados clave
Los resultados de la simulación revelaron tendencias consistentes en todas las clases de carretera:

Efecto de la presión en la rigidez y la comodidad: El aumento de la presión del muelle de aire incrementa la rigidez equivalente del sistema de suspensión. En consecuencia, las presiones más altas conducen a una aceleración de la carrocería del vehículo significativamente mayor, reduciendo la comodidad de marcha. Por ejemplo, en carreteras de Clase B a 60 km/h, el aumento de la presión de $4 \times 10^5$ Pa a $10 \times 10^5$ Pa elevó la aceleración de la carrocería aproximadamente un 41% (de 0.144 m/s² a 0.203 m/s²).
Efecto de la presión en las cargas dinámicas: Una mayor presión del muelle de aire aumenta el coeficiente de carga dinámica máxima ( $k_{dmax}$ ) y disminuye el coeficiente mínimo ( $k_{dmin}$ ). Esto indica que las suspensiones más rígidas transmiten más fuerzas inducidas por la carretera a la carrocería del vehículo y reducen la capacidad del neumático para mantener un contacto continuo con la superficie de la carretera.
Impacto de la rugosidad de la carretera y la velocidad: Los efectos adversos de la alta presión se amplifican por la rugosidad de la carretera y la velocidad del vehículo.
- Clase B (Buena): Se identificó un rango de presión óptimo de $4 \times 10^5$ a $8 \times 10^5$ Pa.
- Clase C (Media): El desempeño se deteriora; se recomienda un rango inferior de $4 \times 10^5$ a $6 \times 10^5$ Pa para mantener la seguridad.
- Clase D (Mala) y E (Extremadamente mala): El desempeño dinámico se degrada significativamente. En carreteras de Clase E a 60 km/h y $10 \times 10^5$ Pa, la aceleración de la carrocería alcanzó 0.930 m/s², y $k_{dmin}$ cayó a 0.105, indicando un riesgo severo de separación del neumático. Para estas condiciones, son necesarias presiones más bajas ( $4 \times 10^5$ Pa) y velocidades reducidas.
Uniformidad de los ejes: El estudio encontró diferencias insignificantes entre las respuestas de los ejes delantero y trasero, lo que sugiere que la distribución de carga y las características de la suspensión del modelo fueron uniformes entre los ejes.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar orientación práctica para la selección de las presiones del muelle de aire en vehículos eléctricos con suspensión de aire que operan bajo excitación vial aleatoria. Los autores enfatizan que la presión debe tratarse como una variable de diseño óptima y no solo como un parámetro de operación. El estudio identifica rangos de presión específicos que ofrecen un compromiso entre la comodidad de marcha y la capacidad de contacto neumático-carretera para diferentes condiciones de carretera:

Clase B: $4 \times 10^5$ – $8 \times 10^5$ Pa.
Clase C y D: $4 \times 10^5$ – $6 \times 10^5$ Pa.
Clase E: Se prefieren presiones más bajas, particularmente a velocidades más altas.

Limitaciones
Los autores reconocen explícitamente las siguientes limitaciones de sus hallazgos:

Validación del modelo: Los resultados se basan en un modelo numérico de 7-DOF y aún no han sido validados mediante pruebas de carretera a escala real o mediciones experimentales.
Simplificación del modelo: El muelle de aire se representa mediante un modelo de rigidez equivalente. No se incluyeron explícitamente efectos no lineales complejos, tales como la transferencia de calor termodinámica, la histéresis, las pérdidas por estrangulamiento y el amortiguamiento dependiente de la presión.
Configuración fija: El análisis asume una configuración de vehículo fija y no investiga los efectos de las variaciones de carga útil, que podrían influir en los ajustes de presión óptimos.
Criterios de evaluación: El estudio se basa únicamente en la aceleración RMS de la carrocería y el coeficiente de carga dinámica, excluyendo otros posibles indicadores de comodidad de marcha o de manejo.

El artículo concluye que, si bien los rangos de presión identificados ofrecen un compromiso razonable para el modelo de vehículo específico y las condiciones estudiadas, no deben considerarse valores óptimos universales sin una validación experimental adicional y la consideración de la dinámica no lineal.

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