Análisis Técnico – Llantas

La llanta es el punto de conexión entre el neumático, que es la única parte que toca el asfalto, y el chasis. Sin la existencia de las llantas, las ruedas no podrían atornillarse al propio coche, incluso moldeando el caucho de la rueda, la consistencia del caucho no es buena solución.

Además, estos dispositivos en Fórmula 1 son componentes altamente aerodinámicos, ya que pueden ser utilizados como conductos de refrigeración que se abren a través de la llanta y salen fuera de la rueda. Por tanto, lo idóneo es contar con la menor superficie de aros como sea posible para transferir mejor el calor con la mejor dispersión del mismo. De este modo, la llanta ha de ser lo más ligera posible sin deformarse al aguantar enormes fuerzas sin crear drag.

Sólo los mejores fabricantes de llantas cumplen con los estándares de la Fórmula Uno o de cualquier competición automovilística. Aunque la mayoría de están bien equipados para responder a los constantes cambios de los valores de carga, lo que premia es la ligereza, y al mismo tiempo, la rigidez de un buen grip mecánico. Cuando se trata de llantas personalizadas – como Fórmula 1, DTM, Indy, NASCAR o MotoGP – los fabricantes utilizan todo su ingenio para incrementar la rigidez incluso un 1% eliminando toda fracción de gramo que aumente el peso.

Las escuderías de F1 utilizan llantas de empresas como OZ Racing, BBS, Enkei, Rays o Fondmetal. Una vez en pista, los equipos entregan sus llantas al suministrador de neumáticos para que coloquen las llantas en las ruedas con máquinas especiales. Luego se inflan los neumáticos y dados de vuelta a los equipos.

Un aspecto fácil de pasar por alto, y a menudo eclipsado por los neumáticos, son las llantas. Un significante, trozo de metal homogéneo que las escuadras utilizan. Las llantas de competición están fabricadas con una aleación de magnesio. De hecho, la rivalidad entre los fabricantes de ruedas de este deporte es tan feroz como la que existe entre los motoristas y el trabajo que se dedica a las ruedas de un equipo fácilmente rivaliza con la de cualquier otro componente.

Las normas de la FIA concernientes a las ruedas son breves, pero bastante restrictivas. Debe haber un número máximo de 4 ruedas por coche y debe estar fabricada de un material metálico homogéneo. 13 pulgadas de diámetro y su anchura debe estar en el intervalo de 305 y 355mm en la parte delantera y 365 y 380mm en la trasera, con un diámetro máximo de 660mm en los neumáticos de seco y 670mm para los de mojado.

El espesor mínimo de la rueda es de 3,0mm y el espesor mínimo del grano es de 4,0mm (medido desde el centro al borde), con un grosor del borde de 9 mm (+/-1mm). A partir de ahí se deja a los suministradores y equipos jugar con los diseños para sacar el máximo rendimiento. Desde el año 2010, la FIA estipula que deben homologarse el diseño de las ruedas antes de cada temporada y no pueden cambiarse en el transcurso de la campaña, exceptuando razones de seguridad, por tanto cualquier error puede resultar muy caro.

El flujo de aire a través de una rueda puede tener un impacto considerable en el rendimiento aerodinámico global de un coche, y es objeto de intenso desarrollo por equipos. La rueda no se puede aislar como en otras competiciones, y los diseños desarrollados por los ingenieros que condicionan al flujo a atravesar la rueda depende totalmente de otras partes del coche, como los conductos de refrigeración para ser efectivos.

El fluido que proviene del alerón delantero también juega un papel importante. Varios equipos han hecho un gran esfuerzo para optimizar esta área aerodinámica del coche, sobre todo durante las temporadas 2006, 2007 y 2008, y en lugar de limitar a la estructura de la rueda, comenzaron a utilizar – sobre todo Ferrari – discos que cubrían la llanta sin que girara a la par de la rueda – en 2010 la FIA los prohibió. Sin embargo la propia Ferrari añadió un nuevo dispositivo que ningún equipo pudo copiar debido a la reglamentación – la FIA también lo prohibió en 2012.

El hecho de que los conjuntos de F1 dediquen tanto ingenio y esfuerzo a un aspecto relativamente pequeños destaca el nivel de optimización que la generación actual alcanza.

Más recientemente, los equipos han colaborado de cerca con los proveedores de llantas para mejorar la velocidad del cambio de ruedas en una parada en boxes. Desde 2010, hay una tendencia a crear tuercas más avanzadas que bloquean las ruedas (gracias a pistolas neumáticas) y al mismo tiempo aplicar el punto de seguridad necesario para que la rueda no escape si no se atornilla correctamente. Siguiendo esa ruta, en 2012, todos los equipos han integrado esta tuerca para asegurar la perfecta colocación de las ruedas en el monoplaza.

En el diseño de ruedas de competición, el equilibrio entre fuerza y peso es absolutamente crítico. Demasiado pesado implica que el coche pierda rendimiento, mientras que demasiado débil es un riesgo estructural. Por ello las escuderías y los fabricantes trabajan conjuntamente en circuitos simulados para obtener todos los datos posibles. Esa información se emplea en un proceso llamado «Análisis de Elementos Finitos«, y en consecuencia, los fabricantes – después de innumerables pruebas – son capaces de predecir la duración de cada componente en cualquier pista del calendario.

Se han producido grandes avances en las técnicas de fabricación. Mientras que antes se utilizaba magnesio, ahora se utilizan prensas de 9000 toneladas de presión. Como resultado se tiene la forma básica y el perfil. A continuación la rueda se muele usando una máquina de 5 ejes que crean los radios de la llanta.

Hace 10 años se empleaban máquinas de 2 ejes, sin embargo, estas nuevas máquinas consiguen enormes niveles de calidad y consistencia. Es un proceso intenso, pero en realidad el trabajo de producción no ha hecho más que empezar.

Monobloques de llantas de aleación forjadas combinan la construcción ligera de las aleaciones de magnesio especiales con el más alto nivel de estabilidad. Para garantizar esto, todos los tipos de llantas monobloque son forjadas en una sola pieza y están sujetas a rigurosos controles al final de cada etapa de producción para garantizar la estabilidad. Las llantas monobloque ofrecen una ventaja adicional: sus características deportivas son el resultado de aleaciones únicas junto con la construcción más ligera.

Cuando se construyen las nuevas llantas de aleación ligera, se debe prestar especial atención a una cosa: el logro de un equilibrio perfecto entre el peso y la estabilidad se conoce como la relación resistencia-peso. En general, a mayor estabilidad ofrecida por la rueda, más pesada será.

Sin embargo, hay excepciones. BBS introdujo cámaras huecas circulares y cámara huecas en los radios, interior y exteriormente en los hombros, fresando y optimizando el peso del centro de la llanta dotando de la máxima estabilidad con la mínima masa de rotación. El resultado es una mejoría notable en la conducción y un aumento en el rendimiento.

Una experiencia deportiva dinámica de conducción que no es pesada en carretera – gracias a las nuevas tecnologías, las llantas de aleación ligera se acercan mucho a ofrecer exactamente eso. Las construcciones ligeras reducen el volumen de rotación y masas suspendidas mientras que incrementan la estabilidad y la capacidad de carga. Todo ello reduce el peso – incluso algún kilogramo en cada rueda. Y al mismo tiempo, la resistencia a la deformación aumenta hasta en un 60%. El peso «no suspendido» incluye llantas y neumáticos, conjuntos de frenos, el tren trasero, brazos de suspensión y otros elementos estructurales no soportados por los resortes.

La parte más pesada del peso no suspendido son las ruedas, pero con las actuales normas no se puede hacer mucho al respecto. La segunda pieza más pesada es la llanta, y los suministradores trabajan en este detalle con especial interés.

Producción de una llanta de competición

En la producción de llantas de competición, hay dos procesos metálicos: fundición y forja. El primero se utiliza sobre todo en la producción de soluciones de vanguardia tecnológica que caracterizan a las ruedas de competición. La forja sigue un proceso de producción básicamente diferente, lo que pone en relieve las características físicas y mecánicas de la aleación, haciéndolas adecuadas para el uso en competición, o para aplicaciones de carretera de alto prestigio y alto nivel tecnológico.

Las llantas de F1, DTM, Indy, NASCAR y MotoGP se forjan con aleaciones de magnesio debido a su baja densidad y alta resistencia. Se fabrican en una sola pieza reforzándolas lo más fuerte posible para que sean lo más fuerte posible, y se fijan en los montantes de suspensión por una sola tuerca de bloqueo central.

Mientras que antiguamente existía total libertad en el diseño de las llantas, las estrictas regulaciones ordenan el tipo de aleación a utilizan en las construcción de las llantas de los monoplazas de Fórmula Uno. Y, aparte de las dimensiones especificadas con anterioridad que asegura que se utilicen el mismo tipo de llanta, también hay limitaciones en las dimensiones de la rueda.

Para los actuales Fórmula 1, las aleaciones de magnesio permitidas deben ser de tipo AZ70 o AZ80.

Los metales utilizados en la producción de ruedas de aleación ligera son de aluminio y aleaciones de magnesio. Son metales no ferrosos con características físicas y mecánicas que presentan pequeñas cantidades de elementos de unión, tales como silicio, cobre, manganeso, zinc, níquel y titanio. Las ruedas pueden ser fabricadas o forjadas según el tipo de mercado para el que se proyecten.

Materiales de fabricación

• Aleaciones de aluminio: El aluminio es uno de los metales más ligeros (peso específico 2,7 kg/cm3). Se utiliza como una aleación que se endurece envejeciendo, manteniendo su característica principal, llámese ligereza, mejorando sus propiedades mecánicas y tecnológicas, como la resistencia a la tracción, resistencia a la tensión dinámica y la resistencia contra la corrosión.
• Aleaciones de magnesio: El magnesio es el más ligero de los metales estructurales (peso específico 1,74 kg/cm3, por tanto, un 35% menos que el aluminio). Las aleaciones de magnesio se caracterizan por la extrema ligereza, alta resistencia a los golpes y vibraciones, sin estirarse ni dañarse por la fricción superficial, siendo otra de las características que los hace particularmente apropiado para la producción de ruedas de carreras.

Los reglamentos técnicos de la FIA son restrictivos en el uso de este material ligero:

Artículo 12.3:

Las ruedas deben estar hechas de un material metálico homogéneo con una densidad mínima de 1.74g/cm3 a 20°C.

Fundición

La aleación de aluminio se lleva a una temperatura de unos 700ºC y se vierte en moldes que dan a la materia prima el diseño deseado cuando se solidifique.

Las tecnologías de fundición que se utilizan son:

• Fundición gravitatoria: Básicamente consiste en el vertido de la aleación fundida en un molde de acero.
• Fundición a baja presión: La mezcla se calienta a 700ºC aproximadamente, se funde y se vierte la parte inferior con menos presión en un molde. OZ utiliza principalmente este segundo proceso, que garantiza una mejor calidad del producto resultante. Es una técnica relativamente joven y se utiliza para transformar materiales y aleaciones no ferrosos en productos manufacturados que presentan un nivel de acabado de alto nivel. Las aleaciones de aluminio y magnesio son adecuados para este proceso, por sus características de vertido, para un punto de fundición bajo y un intervalo de solidificación amplio: estos requisitos permiten un llenado lento del molde, la reproducción de los detalles en el molde, también unos mínimos y una salida de aire correcta, mientras que las conexiones de vertido están todavía abiertas, a través del cual se transmite la presión en la pieza también durante la primera fase de la solidificación. El producto resultante no presentará ninguna unión, porosidad y huecos, y la llanta primaria se compondrá de un grano compacto.

Las aleaciones que se emplean en plantas de aleación son las siguientes:

• G-AlSi10Cu: aleación de aluminio con partes de silicio y cobre, fundición por gravedad, utilizado para producir ruedas de un solo cuerpo.
• G-AlSi7Mg: aleación de aluminio con partes de silicio, magnesio, titanio y estroncio, fundido de baja presión, con protección térmica.
• AZ91: aleación de magnesio con partes de aluminio, zinc, silicio, cobre y níquel, fundición de baja presión y con tratamiento térmico, que se utiliza para las ruedas de carreras de un solo cuerpo.
• EN AW-6082: aleación de aluminio utilizada en el proceso de conformación por estirado, que consiste en el recubrimiento de los semi-canales de ruedas equipadas.

Las regulaciones técnicas de la FIA limitan el uso de una aleación de magnesio más ligera y expensiva:

Artículo 12.3:

La utilización del magnesio M18430 está prohibido.

Forja

Las aleaciones de aluminio o magnesio se vierten continuamente en un proceso acuático para conseguir una barra de 6 metros con 500mm de diámetro. La misma barra se extruye, hasta un diámetro de 300 mm.

El procedimiento de extrusión mejora las características mecánicas y estructurales del metal cuyas partículas posteriormente se compactan y de esta manera se cambian la estructura de grano no direccional de material de partida a la alta integridad de la estructura de grano multi-direccional de las piezas forjadas. Después de eso, las matrices de forja extruidas se cortan en discos que se calientan a una temperatura de 300 grados tratándose con una prensa de aceite a presión, con una presión gradual de 3.000 toneladas. Una rotativa imprimirá el producto semi terminado con una presión de 9.000 toneladas que se transmiten en 30 segundos a la forma cilíndrica de la rueda.

Esta pieza final, todavía cruda, tiene una fuerte tensión estructural causada por la extrusión y el forjado que se han desplazado de manera forzada las partículas de material. La tensión estructural es sinónimo de fragilidad, esa es la razón por la cual la pieza en bruto se puso posteriormente a través de un tratamiento térmico T4 o T6 que se extiende por las fuerzas internas y restaura las características mecánicas de la aleación, distribuyéndolos de manera uniforme en el producto semiacabado. Este espacio en blanco forjado se coloca en una torna construida de forma personalizada que produce las secciones de la llanta. La dirección de la fibra radial resultante aumenta la resistencia del material colocándola en la misma dirección que las cargas de funcionamiento.

Las ventajas de usar esta técnica se pueden definir en los siguientes conceptos:

• Teniendo en cuenta las mismas características mecánicas, la rueda forjada es mucho más ligero que la rueda moldeada. Esta ventaja tecnológica mejora funcionamento del vehículo y aumenta la masa en suspensión, mejorando así el funcionamiento de las suspensiones y la adherencia del vehículo a la superficie de la carretera, sobre todo en las inmediaciones de una curva y en una ruta difícil.
• Las características mecánicas y físicas de la rueda forjada están distribuidos por igual en todas las partes de la rueda, mientras que la rueda moldeada tiene características que cambian desde el centro a la parte exterior. Esto implica una mayor resistencia, una reacción correcta del material a impactos y el estrés, y una menor probabilidad de ovalización.
• La rueda moldeada es más ligera con una posición angular más pequeña y, por tanto, una menor inercia. Esto implica una menor absorción de energía durante la aceleración, mejor frenado y menor consumo de combustible.
• Gracias a su ligereza, la rueda moldeada contribuye a la disminución del efecto giroscópico en motos mejorando el sistema a la hora de frenar.

Aleaciones empleadas en productos moldeados:

• AZ80A: aleación de magnesio, especialmente apropiado para el moldeo, que contiene magnesio y partes de aluminio, zinc, manganeso, silicio y cobre. Esta composición le confiere la parte superior de resistencia a los impactos y las tensiones provocadas por los cambios bruscos de dirección. La característica fundamental, en cualquier caso, de nuevo, es la ligereza, que alcanza hasta un 40% menos de una aleación de aluminio común. Este material se utiliza para la producción de ruedas de F1 y del Campeonato IRL coches de carreras.

Tratamientos térmicos

El trabajo que el hierro y el acero procesa a las aleaciones ligeras están sujetas a (fundición y moldeo) cambiar la tensión del material. Con el fin de hacer posible que las ruedas sean procesadas restrableciendo y mejorando las características iniciales de la aleación, las llantas de aleación y el producto semiacabado (del proceso de moldeo) son sometidos a tratamientos térmicos que reducen las tensiones producidas por el hierro y los procesos de trabajo de acero.

El tratamiento térmico, o la recuperación, se divide en dos fases: el temple estructural y envejecimiento. El primero consiste en calentar la pieza a una temperatura de 400-600 grados: este proceso recuece los aglutinantes y estabiliza la presión molecular. El envejecimiento natural o artificial (también llamado condimento) completa el ciclo de tratamientos y hace que la aleación listo para su uso estructural.

Las aleaciones de aluminio se someten a un tratamiento T6, caracterizado por el envejecimiento artificial, mientras que las aleaciones de magnesio se someten a un tratamiento T4, caracterizado por el envejecimiento natural.

Procesos mecánicos

Los procesos mecánicos conciernen sólo al moldeo de discos de corte del conjunto de herramientas de máquinas de control numérico. El torno vertical se utiliza para el procesamiento de los canales y la tuerca de la rueda, que albergarán los conductos y el sistema de frenos; las formas finales de los radios se obtienen mediante el uso de un cortador de tipo vástago.

Antes de continuar con el proceso de acabado, la rueda se rebaba de forma manual y se martillea con perdigones de acero (0,1mm de diámetro) con el fin de liberar espacio en la superficie.

Acabado

Las ruedas de acero y magnesio moldeadas pueden ser anodizadas con un tratamiento electroquímico especial que no causa ningún aumento de peso, sino que lo protege de la corrosión mejorando el diseño de la rueda y su fabricación mecánica.

La pintura, que se lleva a cabo tradicionalmente en ruedas producidas para su uso en carretera, requiere la aplicación de cuatro capas diferentes, constituidas por polvos epoxi aplicándole calor junto con una pintura metálica líquida. Finalmente, un revestimiento de película transparente se aplica sobre la rueda, con el fin de conferir una mayor brillantez protegiéndolo de la abrasión y de los agentes químicos.

Los ensayos de preproducción más importantes requeridos por la FIA y diferentes corporaciones son:

• Ensayo de flexión rotativa
• Prueba del balanceo
• Ensayo de impacto

Realizar un test con una máquina biaxial es la prueba más completa, ya que simula la vida real de una rueda en una ruta dinámica.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google