Ingeniería de Carrocerías: Diseño, Fabricación y Seguridad en la Industria Automotriz

Tipos de Reacciones y Deformaciones en Materiales

Tipos de Reacciones

En el estudio de la mecánica estructural, es fundamental comprender los diferentes tipos de reacciones que pueden ocurrir en un cuerpo. Estas se pueden clasificar en tres categorías principales:

• Reacciones con dirección conocida: Se presentan en casos de apoyos, rodillos y superficies lisas. En estos casos, la dirección de la reacción es conocida, aunque el sentido puede ser arbitrario inicialmente.
• Reacciones con dirección y sentido desconocidos: Típicas de articulaciones, donde no se conoce ni la dirección ni el sentido de la reacción a priori.
• Empotramientos: Ocurren cuando el cuerpo no tiene ningún grado de libertad, como en el caso de un empotramiento perfecto.

Deformación de Materiales

La deformación es un cambio en la forma o el tamaño de un objeto debido a una fuerza aplicada. Se clasifica en dos tipos:

• Deformación elástica: El material vuelve a su estado inicial una vez que se retira la fuerza.
• Deformación plástica: El material cambia de estado permanentemente, no recuperando su forma original.

Conceptos clave en la deformación incluyen:

• Límite elástico: Punto hasta el cual un material puede deformarse elásticamente.
• Zona de fluencia: Rango en el que el material comienza a deformarse plásticamente.
• Límite de rotura: Punto en el que el material comienza a fracturarse.
• Punto de rotura: Punto en el que el material se fractura completamente.

En una colisión con un obstáculo, las fuerzas involucradas dependen de si el obstáculo es deformable o no. En obstáculos no deformables, predominan las fuerzas externas sobre las internas. En obstáculos deformables, las fuerzas internas a nivel molecular son más relevantes.

La intensidad de la deformación se calcula como Fuerza/Superficie. La tensión de trabajo (σ) se define como Fuerza/Área de la sección, y para elementos circulares, el diámetro (d) se puede calcular a partir del área de la sección (A) mediante la fórmula: d = √(A x 4 / π). La tensión a cortadura (τ) se calcula como Fuerza / (2 x Área de la sección).

Ley de Hooke

La Ley de Hooke establece que, dentro de la zona elástica, las tensiones son proporcionales a las deformaciones. Para el acero estructural, el límite elástico es aproximadamente 2200 kgf/cm², y el límite de fluencia varía entre 2400 y 2700 kgf/cm².

Cálculo de la Deformación en Materiales

La deformación de un material (δ) se puede calcular con la fórmula: δ = (Fuerza x Longitud) / (Módulo elástico x Área de la sección).

Torsión y Efecto Cortante

Torsión

La torsión se refiere a la deformación de un cuerpo debido a un momento torsor. El ángulo de deformación (Ф) en radianes se calcula como: Ф = (Momento torsor x Longitud) / (Módulo de elasticidad x Momento polar de inercia). El momento polar de inercia (Io) para una sección circular es Io = (π x diámetro⁴) / 32.

Efecto Cortante o Cizalladura

El efecto cortante o cizalladura (τ) debido a la torsión se calcula como: τ = (Momento torsor x 16) / (π x diámetro³). Las hipótesis para el análisis de torsión incluyen que todas las caras deben permanecer perpendiculares a las bases y que el diámetro no varía en toda la sección. El módulo elástico (G) para el acero es aproximadamente 0.85 x 10⁶ kgf/cm². El efecto cortante también se puede expresar como: τ = (Momento torsor x radio) / Momento polar de inercia = (Momento torsor x diámetro / 2) / (π x diámetro⁴ / 32) = (Momento torsor x 16) / (π x diámetro³).

Potencia

La potencia (en CV) se relaciona con el momento torsor y las revoluciones por minuto (rpm) mediante la fórmula: Potencia = (Momento torsor x rpm) / 716.2.

Flexión y Cortadura a Flexión

Flexión

La flexión (σ) se calcula como: σ = Momento flector / (Momento de inercia / Distancia a la fibra más alejada). El momento de inercia (Ix) para una sección rectangular es Ix = (base x altura³) / 12, y para una sección circular es Ix = Iy = (π x diámetro⁴) / 64. La flexión también se puede expresar en términos del momento resistente (W) como: σ = Momento flector / Momento resistente, donde W = Momento de inercia / Distancia a la fibra más alejada.

Cortadura a Flexión

La cortadura a flexión (τ) se calcula como: τ = (3/2) x (Fuerza cortante) / Área de la sección transversal.

Resistencias en Vehículos

Las principales resistencias que actúan sobre un vehículo son:

• Resistencia aerodinámica: Fa = 0.0048 x Cx x Área de la sección frontal x (Velocidad ± Velocidad del aire)², donde el área se calcula como 0.9 x base x altura, y la velocidad del aire es positiva si va en contra y negativa si va a favor.
• Resistencia por rodadura/rozamiento: Fr = Peso x Coeficiente de rodadura, donde el coeficiente de rodadura (μ) es μ = huella / (2 x radio).
• Resistencia por pendiente: Fp = Peso x sen(α), donde α es el ángulo de inclinación.
• Resistencia por inercia: Fi = masa x aceleración.

Fabricación de Carrocerías

Factores y Objetivos

Los factores clave en la fabricación de carrocerías incluyen habitabilidad, ergonomía, aerodinámica, confort y seguridad. Los objetivos para reducir plazos y costes de desarrollo son:

• Optimizar la organización de todos los departamentos en la elaboración de un nuevo modelo.
• Aplicar nuevos conceptos y tecnologías.
• Reducir los plazos de puesta a punto del nuevo modelo (1 o 2 años).
• Capacidad de innovación y fiabilidad.
• Diversificación de modelos.
• Compartir plataformas de carrocería entre fabricantes para reducir tiempos y costes.

Iniciativas como las joint ventures (compañías que se unen para fabricar piezas) son comunes en esta línea.

Proyecto de una Carrocería

Además de la estética y la funcionalidad, el diseño de una carrocería debe ser aerodinámico, ligero, resistente y seguro. También debe responder a las exigencias del usuario en términos de comodidad, habitabilidad, versatilidad y estilo.

Fases del Desarrollo del Proyecto

1. Estudios de viabilidad previa y definitiva.
2. Ficheros de geometría 3D/2D de piezas y planos de conjuntos.
3. Pirámide gráfica (despiece).
4. Relación base.

Verificación del Proyecto

• Análisis modal de fallos y efectos.
• Simulación (estructural y de estampación).
• Taller piloto virtual.
• Métodos operacionales de estampación.
• Estudios de tolerancias.
• Construcción de prototipos.
• Experimentación.
• Taller piloto de producción.
• Medios de verificación de calidad.

Pliego de Condiciones Técnicas

El pliego de condiciones técnicas sirve como punto de partida para el trabajo del diseñador. Incluye informes como el análisis de vehículos competidores, expectativas de los clientes y corrientes socioculturales. Las fases siguientes son: concepción, diseño, maquetas, prototipos, pruebas y fabricación.

Mallado de Elementos Finitos y Fabricación

Se realizan cálculos para la estructura mediante simulación con información 3D. Se crean maquetas a escala 1:5 con arcilla o yeso para estudios aerodinámicos, que luego se digitalizan. Se clona el diseño con un molde de maqueta en resina epoxi y se fabrican prototipos (pre-serie) que se someten a pruebas de dinámica, fatiga y choque. Si pasan las pruebas, el modelo entra en fabricación. La línea de producción no se detiene, ya que los nuevos modelos pueden presentar problemas.

Áreas de Fabricación

1. Embutición: Se utilizan bobinas de chapa protegida que se cortan y aplanan mediante una prensa con matriz de tipo transfer.
2. Unión: Se emplean técnicas de soldadura (híbrida, láser, MIG/brassy, de latón), pegado, atornillado y remachado.
3. Montaje: Se ensamblan los conjuntos mecánicos y la línea eléctrica.
4. Pruebas: Se realizan pruebas estáticas y dinámicas.

Técnicas de Fabricación Avanzadas

• Estampado a medida (tailored blank): Se utilizan chapas de diferentes espesores soldadas en planos sin embutir para reforzar piezas.
• Hidroconformación: Se utiliza una matriz presurizada con líquido para conformar piezas en frío sin soldadura.
• Paneles tipo sándwich: Núcleo aligerado (plástico o espuma) revestido por chapas, mejorando las propiedades acústicas y la protección contra impactos.

Aerodinámica y Coeficientes Aerodinámicos

Los coeficientes aerodinámicos clave son:

• Coeficiente de deriva (y): Eje transversal.
• Coeficiente longitudinal (x): Eje longitudinal.
• Coeficiente de sustentación (z): Eje vertical.

La parte trasera del vehículo es crucial para la carga aerodinámica debido a la presión sobre el eje trasero. Los flujos de aire se clasifican en interior (20%, para refrigeración del motor y habitáculo) y exterior (80%, parte superior e inferior). También se clasifican como laminar (partículas de aire siguen su trayecto) y turbulento (remolinos). Estos coeficientes afectan al comportamiento del vehículo y al consumo de combustible.

Características de la Carrocería

• Zonas o módulos de deformación programable en la parte delantera y trasera.
• Estructura rígida, resistente y ligera.
• Reparabilidad.
• Forma (flatback/notchback).

Comportamiento en Función de la Rigidez

• Vibraciones y ruidos.
• Tolerancias.
• Dificultad de conducción.

La durabilidad o garantía de fabricación es de 10 años en la carrocería. El ángulo de inclinación del morro, capó y parabrisas influye en el valor del coeficiente aerodinámico (Cx). Los limpiaparabrisas se colocan por debajo del capó por seguridad pasiva. Se utilizan deflectores (adheridos a la carrocería) y alerones (elevados) para mejorar la aerodinámica.

Pruebas y Seguridad

Tipos de Pruebas

• Circuito abierto: Colector, cámara de tranquilización, zona de control, difusor y ventilador.
• Circuito cerrado: Dos túneles de distintas dimensiones.

Se utilizan básculas en el apoyo de las ruedas para medir las cargas. También se realizan pruebas climáticas, de agua, estanqueidad y frío.

Pruebas de Choque

Se realizan pruebas físicas y virtuales de choques. Las condiciones mínimas de seguridad incluyen:

• Apertura de al menos dos puertas aplicando una fuerza de 60 N.
• El volante no debe desplazarse más de 100 cm hacia el conductor ni levantarse más de 8 cm.
• Los pedales deben levantarse hacia arriba.
• Activación de airbags.
• En caso de vuelco y fugas, no deben sobrepasar 0.5 g/s.
• Crash test lateral a 50 km/h y a una altura de 30 cm.
• Test de atropello de peatones.

Los datos se registran mediante dummies (sensores que miden fuerzas en los tres ejes) y targets (referencia de movimiento). También se realizan pruebas mixtas con personas.

Tipos de Carrocería

• Bastidor separado: En escalera, de columna, perimétrico o tubular.
• De plataforma (portante): Carrocería atornillada a la plataforma con chapa reforzada (furgonetas).
• Monobloque/monocasco autoportante: Utilizado en turismos por su flexibilidad, menor coste, menor peso y centro de gravedad más bajo.