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LOS ASOMBROSOS FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS Y SUS APLICACIONES
EN EL CAMPO AUTOMOTRIZ
Ing. Óscar Arteaga
Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica
Quijano y Ordoñez y Marqués de Maénza s/n
Latacunga - Ecuador
Email :obartega@espe.edu.ec
Resumen
Se presenta los resultados obtenidos de la
investigación del desarrollo e incorporación de
fluidos magnetoreológicos en el sistema de
suspensión de un vehículo tipo Buggy , para
proporcionar alta capacidad de control de
amortiguación e incomparable sensibilidad, a
través de un controlador electrónico que cada
milisegundo ajusta la dureza de la suspensión,
basándose en la información enviada por los
sensores de desplazamiento de la suspensión,
sensor de aceleración lateral y de desplazamiento
del volante.
I. INTRODUCCIÓN.
Los fluidos magnetoreológicos, o fluidos MR, son
líquidos que pertenecen a la clase de materiales
inteligentes, ya que asimilan estímulos externos,
endureciéndose o cambiando de forma cuando
detectan un campo magnético. Están formados por
partículas magnetizables finamente divididas y
suspendidas en un líquido portador cuya relación de
propiedades flujo/viscosidad puede ser modificada
aplicando un campo magnético. Estos cambios en la
viscosidad ocurren en una fracción de milisegundo,
muchísimo más rápido que en los sistemas mecánicos
convencionales, y pueden usarse para controlar con
eficacia las vibraciones, en aplicaciones que tengan
que ver con el accionamiento, la amortiguación, la
robótica y la mecatrónica.
La interacción entre los dipolos inducidos resultantes,
obliga a las partículas a formar estructuras en forma
de columna, paralelas al campo aplicado.
Este tipo de fluidos forman una estructura similar a
una cadena, la cual restringe el movimiento del fluido
dando lugar a un incremento en las características
viscosas de la suspensión.
Figura 1. Fluidos magnetoreológicos
La energía mecánica necesaria para producir estas
estructuras tipo cadena se incrementa conforme se
aumenta el campo magnético aplicado, produciendo
un esfuerzo dependiente del campo.
Los materiales súper-paramagnéticos son los ideales
para la construcción de este tipo de fluidos y las
aplicaciones son las siguientes:
• Amortiguadores para aplicaciones en
automoción.
• Cajas de cambios sin el uso de transmisiones
mecánicas o embragues.
• Asientos semiactivos de vehículos que anulan
las vibraciones.
• Amortiguadores para construcciones civiles
antisísmicas.
• Fabricación de prótesis para extremidades
superiores e inferiores.
• Robot con movimientos semejantes a los
humanos.
II. AMORTIGUADOR MAGNETOREOLÓGICO
Los fluidos MR contienen partículas de hierro
finamente divididas (del orden de unas micras) disueltas
en un aceite sintético. Cuando no se expone a ningún
campo magnético, estas partículas se distribuyen de
forma aleatoria y el amortiguador contiene un fluido
newtoniano de baja viscosidad (amortiguación blanda).
Evidentemente, el incremento de la viscosidad va
asociado a la intensidad del campo magnético
aplicado, por lo que las posibles aplicaciones de este
tipo de fluidos son innumerables.
Los amortiguadores representan un caso particular
de suspensión semiactiva y son monotubo que en
lugar de aceite corriente llevan un fluido MR,
prescindiendo de válvulas electromecánicas.
Figura 2. Respuesta de fluidos magnetoreológicos
a un campo magnético exterior
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La principal ventaja de este sistema frente a los tradi-
cionales es la rapidez de variación del tipo de amor-
tiguación, y las infinitas posibilidades de regulación
que permite.
III. ELABORACIÓN Y PRUEBA DEL FLUIDO
MAGNETOREOLÓGICO
En los experimentos realizados con diferentes tipos
y concentraciones de elementos el principal problema
que se evidencia es la sedimentación de las partículas
ferromagnéticas a medida que transcurre el tiempo y
cuando el fluido se encuentra en reposo.
Para seleccionar el aceite base correcto se determinó
la densidad de varios tipos de aceites (Tabla 1), del
aditivo y del material ferromagnético, se utilizó :
una balanza, vasos de precipitado y probetas de
volumen de 50 ml.
El aceite de mayor densidad como el SAE 40 es más
efectivo para contrarrestar la sedimentación así
como también el ácido oleico como aditivo debido a
que actúa como dispersor de las partículas ferromag-
néticas.
En base a estos resultados se creó el fluido MR con
5% de material ferromagnético (Tabla 2) de acuerdo
con el procedimiento que se indica a continuación:
Se colca el liquido portador (aceite SAE 40) como
base del fluido en la probeta de 25 ml.
Se mezcla el aditivo surfactante en este caso el ácido
oleico, finalmente se agrega el material ferromagné-
tico se mezcla hasta obtener un fluido obscuro y
denso.
IV. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN
Para el diseño mecánico del sistema de suspensión
se considera situaciones donde el vehículo se somete
a condiciones extremas de funcionamiento y de esta
forma determinar los esfuerzos máximos a los que
está sometido, con la ayuda de varios módulos de
análisis.(Estático, Dinámico, Vibraciones y Electro-
magnetismo) del software SolidWorks.
Figura 3. Funcionamiento del amortiguador
magnetoreológico
Figura 4. Equipo utilizado para preparación del
fluido MR
Tabla 1. Densidades de varios tipos de aceites
Aceite Densidad
Aceite hidráulico 0.774
Aceite de amortiguador 0.854
Aceite vegetal 0.837
Aceite SAE 40 0.881
Tabla 2. Composición del fluido MR al 5%
Fluido al 5%
Total de Fluido: 35 ml
95% de Acido-Aceite Base: 33.25 ml
Acido Oleico total: 13.3 ml al 40%
Aceite Base SAE 40: 19.95 ml al 60 %
5% de Material Ferromagnético: 4.158 g
Figura 5. Fluido MR al 5%
Figura 6. Modelado completo del Buggy en SolidWorks
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Los aspectos más notables son los canales internos
para los alambres de conexión de las bobinas inter-
nas, las mismas que se encuentran junto a las vías de
paso de líquido magnetoreológico y son activadas
varias veces por segundo para crear el campo mag-
nético alrededor de estas y así cambiar la dureza del
amortiguador para que cumpla con su función.
El circuito electrónico procesa los datos de los
sensores y envía las señales a las bobinas del amor-
tiguador en función de los requerimientos de dureza
en la suspensión, garantizando su óptimo
funcionamiento.
El circuito de control esta programado para regular
un tiempo de activación de 20 segundos, en los
cuales induce una corriente de 0 a 1 amperio a cada
amortiguador, según la calibración del operador.
Este diseño como medida de seguridad corta la
corriente pasado el 1 amperio.
V. RESULTADOS Y PROTOCOLO DE PRUEBAS
Las pruebas fueron realizadas con amperajes que
van de 0 a 1 amperios en intervalos de 0.05 segundos,
simulando de esta forma el comportamiento del
Buggy bajo diferentes condiciones del camino.
Se establece que la dureza del amortiguador es
directamente proporcional con la corriente inducida
a las bobinas, los resultados obtenidos se muestran
en la siguiente tabla:
Figura 7. Modelo en corte del amortiguador
magnetoreológico
Tabla 3. Comportamiento de amortiguador
Amperaje (A) Fuerza (lb-f)
0 -13,45
0,1 5,53
0,15 12,02
0,20 24,48
0,25 41,83
0,30 59,04
0,35
0,43
89,38
108,99
El análisis dinámico de los amortiguadores magne-
toreológicos se desarrolla con diferentes coeficientes
de amortiguamiento simulando la variación del
amperaje para cada caso. Esta simulación se la hizo
para un tiempo de 5 segundos y una fuerza oscilante
que varía de un rango de 1300 N a 950 N con una
frecuencia de 1.5 hertzios.
En el análisis con 1 amperio la curva de desplazamiento
del vástago con respecto al tiempo de prueba (figura 8),
muestra que la amplitud de onda va disminuyendo,
lo que indica que el fluido MR realiza su trabajo, es
decir, solo una parte de las fuerzas son absorbidas
por el resorte y su magnitud varía con respecto al
tiempo a medida que se le aplica corriente a las bobi-
nas del amortiguador.
En el análisis con 0 amperios (figura 9) se aprecia
que la carrera de vástago es más prolongada y que la
amplitud de onda se mantiene constante, lo que
indica que el trabajo del resorte no se restringe por el
trabajo del amortiguador, es decir el fluido MR no
absorbe las oscilaciones producidas por las fuerzas,
siendo el resorte el que actúa completamente durante
toda la duración de la prueba.
Figura 8. Resultados de Desplazamiento vs
Tiempo a 1 amperio
Figura 9. Resultados de Desplazamiento vs
Tiempo a 0 amperios
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El análisis de vibraciones se realiza en el modelo
completo del chasis del Buggy, utilizando una
frecuencia de 1.5 Hz y simulando una carrera de
trabajo completa de la suspensión. En cada lado del
vehículo se activa un estado de funcionamiento del
amortiguador para lograr visualizar la diferencia de
trabajo controlando la parte electrónica del elemento
de amortiguación.
De la simulación se determina que cuando al amor-
tiguador se le suministra 1 amperio la velocidad a la
que se mueven sus elementos son mucho menores
que cuando tiene 0 amperios, es decir que con 1
amperio la velocidad se ve restringida por la dureza
que le da al amortiguador el fluido MR, es decir se
atenúan las vibraciones de una manera más efectiva.
A partir de estos resultados se modifica en los puntos
de anclaje y en las mesas del sistema de suspensión
original del Buggy y se procedió con el montaje del
nuevo sistema con los amortiguadores MR.
Por las modificaciones realizadas, a una adecuada
calibración del circuito de control y a los amortiguadores
MR, se logró una suspensión que absorbe de mejor
manera los impactos producidos por las irregulari-
dades del camino y que a la vez mantiene el
neumático más tiempo en contacto con el suelo.
V. CONCLUSIONES.
Con la creación del fluido MR se determinó que el
aceite SAE 40 y el ácido oleico son los que de mejor
manera contrarestan los problemas de sedimentación
de las partículas magnéticas y que una concentración
de material ferromagnético entre el 2.5 y 5% es la
que mejores características de amortiguamiento
proporciona a la suspensión.
Mediante el programa SolidWorks se simula y
Figura 10. Trabajo realizado por la suspensión
Figura 11. Amortiguadores instalados
analiza condiciones reales de funcionamiento del
Buggy y así mejora los puntos críticos de la suspen-
sión.
Con la aplicación de los amortiguadores MR en el
sistema de suspensión del Buggy se mejoró notable-
mente su comportamiento sobre todo en caminos
irregulares y en situaciones de cabeceo, bamboleo y
empuje.
Se comprobó de forma teórica y práctica las virtudes
de utilizar los fluidos MR en los sistemas de suspen-
sión semiactiva.
VI. BIBLIOGRAFÍA.
Felt, D. W. y Hagenbüchle, M. (1996). Rheology of
a magnetorheological fluid. Dover Publications.
Cullity, B. D. (1970). Introduction to magnetic mate-
rials (1ª ed.). Addison-Wesley Publishing Company.
Felt, D. W. y Hagenbüchle, M. y Richard J. (1996).
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Technology. Singapore: World Scientific.
Balanis Constantune. (2004). Advanced engineering
electromagnetics (3ª ed.). USA: John Wiley &
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