Análisis Técnico – Chasis

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Al diseñar un coche de competición, es importante que se conozcan los requisitos a realizar en este trabajo de ingeniería. La naturaleza operacional de un bólido y su vida útil, depende de la estructura y la composición de los materiales que conforman el coche. Por ello, temas como la metalurgia y el diseño estructural son conceptos muy importantes que el diseñador ha de entender.

El concepto del diseño al completo contiene 4 aspectos de ingeniería a considerar donde son apropiados:

  • Ser estructuralmente sólido en todos los sentidos durante la vida útil del coche y más allá. Es decir, ningún componente del coche debe romperse en condiciones normales.
  • Mantener la posición de anclaje de las suspensiones de forma que la conducción sea segura y consistente en una curvas largas y de gran carga. Es decir, que el cuerpo no se deforme o de deforme con el mínimo valor posible.
  • Aportar fuerza a la carrocería y otros elementos de manera que todo sea lo suficiente sólido con una vida fiable.
  • Proteger al conductor de intrusiones externas.

La rigidez estructural es la base de lo que un piloto siente en la parte inferior del asiento. Define cómo se conduce un coche, la integridad corporal y la sensación general del coche. La rigidez de un chasis separa un coche fantástico de conducir de uno simplemente bueno.

Al contrario que algunas explicaciones, no es verdad que un chasis no se deforme, no obstante, hay variación de rigidez entre unos y otros. Incluso con la alta sofisticación que existe en Fórmula 1, un chasis – actualmente se usa la estructura de monocascoflexa, e incluso algunas veces se construye el chasis con una flexión limitada y controlada.

La gama de rigidez de un chasis ha cambiado bastante a lo largo de los años. Los diseños básicos de un chasis tienen su propia fuerza y su propia debilidad distinta a otro fabricado por el mismo constructor. Cada chasis es un compromiso entre peso, tamaño, complejidad, la intención del coche, y en última instancia, el coste. E incluso dentro de un método básico de diseño, la fuerza y rigidez puede variar significativamente dependiendo de estos detalles.

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Algunas personas piensan que un chasis de aluminio es el camino hacia un diseño ligero, pero ésto no es necesariamente cierto. El aluminio es más flexible que el metal. Sin embargo, la relación de rigidez/peso entre el aluminio y el metal es casi idéntico, por lo que un chasis de aluminio debe pesar lo mismo que uno de acero para conseguir la misma rigidez.

El aluminio posee una única ventaja donde las secciones son más delgadas allá donde se pueden producir abolladuras – pero gracias a las tuberías no se da el caso – sólo en lámicas muy delgadas. De hecho, los aviones también emplean aluminio en forma de panel de abeja para evitar este efecto. De todas formas, la limitación de las aeronaves no es la rigidez, sino la resistencia al fallo.

Estos problemas del aluminio se han solventado en cierta manera con la malla espacial de aluminio de Audi (ASF). Un elemento muy caro, y por ahora fabricado en modelos limitados.

A continuación algunos distintos tipos de diseño en el modelo de un chasis. En competición, generalmente se utiliza la malla espacial y el monocasco – en Fórmula 1.

Chasis en forma de escalera – con la carrocería montada sobre él

Es uno de los primeros chasis. Desde los primeros coches hasta principios de los años 60, casi todos los coches lo utilizaban como estándar. Incluso hoy en día, la mayoría de los utilitarios lo siguen empleando.

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Su construcción, como su nombre indica, se parece a una escalerados carriles longitudinales interconectados por varios tirantes laterales y transversales. Los miembros de la longitud son el elemento principal de presión. Se ocupan de soportar la carga y también las fuerzas longitudinales causadas por la aceleración y el frenado. Los miembros laterales y transversales proporcionan resistencia a las fuerzas laterales e incrementan aún más la rigidez de torsión.

Dado que es una estructura en dos dimensiones, la rigidez de torsión es mucho más baja que en otros chasis, especialmente cuando se trata de carga vertical o golpes.

Este concepto se puede encontrar en algunas categorías menores de competición, como los karts.

Chasis de viga

El chasis de viga es una construcción similar al chasis en escalera. En lugar de una estructura tipo escalera de dos dimensiones, se compone de una columna vertebral tubular fuerte – por lo general, pero no siempre es rectangular en la sección transversal – que conecta la suspensiones delantera y trasera. El túnel o columna vertebral se convierte en el miembro de soporte principal de la carga.

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Esta idea es muy simple: una columna vertebral tubular que conecta el eje delantero y trasero proporcionando casi toda la fuerza mecánica.

En el interior de esta columna vertebral hay espacio para la transmisión en caso de una disposición delantera del motor e incluso trasera. El conjunto del tren de potencia, motor y suspensiones están conectados a ambos extremos de la columna vertebral. A continuación se instala la carrocería sobre toda esta estructura.

Este concepto se puede encontrar en camiones pesados, vehículos militares, además de deportivos pequeños. No proporciona protección contra colisiones frontales y se ha de combinar con una carrocería que compense esta deficiencia.

Malla tubular

Los dos objetivos más importantes en el diseño de un chasis de un coche de competición es que sea ligero y rígido a la vez. La ligereza es importante con el fin de lograr la mayor aceleración con un propulsor. La rigidez es importante para mantener el control preciso sobre la geometría de la suspensión, es decir, mantener las ruedas firmemente en contacto con el asfalto.

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Desafortunadamente, estas dos propiedades están en conflicto directo constantemente. Encontrar el equilibrio perfecto entre rigidez y peso es parte del arte de la ciencia de la ingeniería de competición.

Como el diseño en escalera no era lo suficientemente fuerte, dotando al chasis de poca rigidez, los ingenieros desarrollaron un chasis tridimensional – una estructura tubular en el espacio.

Esta idea es casi tan antigua como los deportes de motor. Su construcción se compone de tubos de acero o de aluminio colocados en un formato triangular, soportando las cargas de la suspensión, motor, piloto y aerodinámica. Una estructura espacial verdadera tiene pequeños tubos que sólo están en tensión o compresión – y no tiene flexión o torsión cargas en los tubos. Eso significa que, cada punto de carga debe estar apoyado en tres dimensiones.

El chasis de espacio tubular emplea a docenas de tubos de sección circular – en ciertas regiones se usan tubos de sección cuadrada para facilitar la conexión de los paneles de la carrocería, aunque la sección circular proporciona mayor resistencia – en posiciones con diferentes direcciones proporcionando resistencia mecánica contra fuerzas provenientes de cualquier lugar del espacio. Estos tubos están soldados entre sí formando una estructura muy compleja.

Los coches deportivos requieren una mayor resistencia debido al alto rendimiento que ofrecen, por ellos esta estructura tubular incoporporan una protección en ambas puertas, resultando en un acceso más complejo al habitáculo del conductor, con una puerta que se abre hacia arriba.

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Chasis del Mercedes 300SL ‘Alas de gaviota’.

A principios de los años 50, Mercedes-Benz fabricó el Mercedes 300SLR empleando este concepto tubular. De este coche nación el famoso 300SL Gullwing, en el que se redujo la entrada a la cabina del conductor, extendiendo las puertas hasta el techo, más conocido como “Alas de gaviota”.

Desde mediados de los 60, muchos deportivos adoptaron este espacio tubular mejorando la calidad rigidez/peso. No obstante, la mayoría actualmente incoroporan esta malla en la parte delantera y trasera con un monocasco en el habitáculo del piloto para ahorrar costes.

Hay algunas ventajas inherentes en la utilización de este tipo de chasis a nivel amateur en el mundo del motor. A diferencia del monocasco – usado en monoplazas – el espacio tubular son fácilmente inspeccionados y reparados.

La función de una disposición triangular es simple. Al empujar una disposición cuadrada, se deforma con facilidad debido a que no hay apoyo frontal o trasero.

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Por este motivo, en los coches de competición requieren de este apoyo para trabajar correctamente, por lo que el soporte debe ir en diagonal formando un triángulo.

La caja triangular importa fuerza por estrés a la barra diagonal en tensión. En este caso, la tensión se definiría como la fuerza que empuja ambos extremos en la diagonal.

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Otra de las fuerzas es la denominada compresión. La compresión trata de comprimir ambos extremos de la diagonal hacia dentro. En un tamaño y diámetro del tubo dado, la compresión siempre hará que el tubo ceda antes de que la misma fuerza tire de él en tensión.

Por ejemplo, intenta tirar de los extremos de un muelle hacia afuera y luego comprímelo hacia dentro. Verás que la compresión es mucho más sencilla, o al menos, humanamente más posible, comparado con la tensión.

La malla tubular se compone fundamentalmente de tubos sostenidos en compresión y tensión empleado una estructura piramidal en 3 dimensiones y ‘cajas’ con brazos diagonales formando triángulos. Una verdadera malla es capaz de mantener su forma al completo, incluso si las juntas fueran visagras.

Sin embargo, en la práctica, esta estructura no es útil, por lo que muchos diseñadores la modifican con materiales más resistentes que sustentan las partes abiertas del espacio, como el cockpit.

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Rigidez mecánica – consiste en la resistencia que muestra un cuerpo a girar sobre una base anclada.

La torsión mecánica también se aplica a la mallas. No obstante, aunque no están fabricados de chapa metálica continua o paneles compuestos como en el diseño del monocasco, la estructura termina teniendo el mismo resultado a un ‘coche cigarro’.

Otra de las razones que va unida a la rigidez de torsión es el rendimiento de la suspensión. La suspensión en sí misma está diseñada para que las ruedas sigan la superficie de la carretera, con sus baches y desperfectos. Esto es, si el chasis se gira cuando el neumático golpea un bache, actúa como parte de la suspensión, por lo que el ajuste de la amortiguación se vuelve difícil, por no decir imposible. En este caso, el chasis debe ser ultra rígido con una suspensión acorde al chasis.

Es importante asegurar que el chasis al completo soporte las cargas esperadas, lo que lo hace poco flexible.

La ventaja del chasis tridimensional es que le hace muy fuerte en cualquier dirección respecto al chasis en escalera y al monocasco de metal del mismo peso. La desventaja es la complejidad, coste y tiempo de fabricación del mismo. Imposible de construir robotizadamente. Se dedica bastante espacio a construir las puertas de acceso dificultando el acceso a la cabina del piloto.

Chasis de aluminio de Audi – ASF

El Audi A8 fue el primer coche de producción en serie que configuraba el chasis de aluminio. Desarrollado en colaboración con el fabricante estadounidense de aluminio Alcoa. El ASF está diseñado para sustituir al monocasco de acero convencional, principalmente en beneficio de la ligereza.

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La propia Audi afirma que el chasis de aluminio es un 40% más ligero y resistente que el monocasco de acero contemporáneo. Esto hace que el A8 con tracción a las 4 ruedas sea más ligero que el BMW 740i.

Esta idea consiste en la extrusión de secciones de aluminio junto con componentes fundidos a presión al vacío y hojas de aluminio de varios grosores. Fabricadas en aleación de aluminio de alta resistencia, las esquinas y articulaciones son secciones extruídas que están conectados por nodos complejos de aluminio fundido a presión. Fruto del estudio, se han desarrollado nuevos métodos de sujeción que unen las partes del cuerpo entre sí. Sin embargo, es bastante complejo y el coste de producción es mucho mayor que el monocasco de acero.

El Audi A2 emplea la segunda generación de la tecnología ASF, consistente en marcos más grandes, pero en menor cantidad, por lo que se requerirán menos nodos con menos soldaduras. También se empezó a utilizar la soldadura láser ampliamente en la conexión, lo que ha reducido el coste de producción de este vehículo.

La ventaja de la fabricación de este chasis es su ligereza, resistencia y espacio respecto al monocasco de acero. La desventaja es que, aunque es más elaborado y técnicamente más eficiente, es demasiado caro para su producción en serie.

Monocasco

Contrario con los chasis huecos, el monocasco emplea paneles, como si fueran los laterales de una caja. En lugar de pequeños tubos que originan la forma de la caja, un panel entero dota de fuerza a un lado concreto.

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Una forma común para el monocasco de los coches de la década de los 60 fue el ‘cigarro’ previamente mencionado. La forma cilíndrica ayudó a a difundir algo que se denomina rigidez de torsión, torsional o mecánica. La rigidez torsional es la cantidad de torsión en el chasis acompañando al movimiento de la suspensión. Para que nos hagamos una idea, cuanto menos se tuerza el chasis, mayor rigidez de torsión tiene.

La primera vez que se construyó un monocasco fue en la década de los 30. La construcción del monocasco es una técnica de fabricación que soporta carga estructural mediante el uso de la piel externa en lugar de alojar una piel que no aguanta carga alguna. También se denominan pieles estructurales o estresantes. Un cuerpo soldado es la tecnología de la fabricación de automóviles predominante hoy día.

Hoy en día, el 99% de vehículos producidos en este planeta son chasis de tipo monocasco de acero, gracias a su bajo costo de producción y la idoneidad para la producción robotizada.

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El monocasco es una estructura de una sola pieza que define la forma general del coche. De hecho, en realidad la definición de ‘una sola pieza’ no es del todo correcta. El monocaso está fabricado por un conjunto de piezas soldadas y puestas en conjunto.

El suelo, que es la pieza más grande, junto con otros elementos están prensados por máquinas de sellado. Se sueldan conjuntamente por brazos de robot – veces incluso por soldadura láser – en una línea de producción corriente. Este proceso tan sólo toma unos minutos. Después de ello, se añaden elementos accesorios dependiendo del coche que se esté fabricando.

El chasis monocasco es una ventaja a la hora de los test de choque, dado que utiliza una gran cantidad de metal, también se puede añadir una estructura de impacto. Otra de las ventajas es la eficiencia de espacio.

En realidad, toda la estructura es una carcasa exterior en la que no hay tren de transmisión o cualquier tipo de barra, lo cual es bastante atractivo para la producción de coches en serie.

Por otro lado, hay muchas desventajas en este concepto. Es muy pesado, gracias a la cantidad de metal utilizado. A medida que la ‘cáscara’ se construye beneficiando el espacio más que la fuerza, y la chapa metálica prensada no es tan fuerte como tubos de metal en la construcción tridimensional o metal extruido, la relación rigidez/peso es también la más baja entre todos los tipos de chasis anteriormente mencionados.

Aunque el monocaso es adecuado para la producción en serie por máquinas, y es muy difícil una producción a pequeña escala, el coste de la instalación sigue siendo demasiado caro de mantener.

Monocasco de fibra de carbono

La fibra de carbono es el material más sofisticado hasta la fecha empleado en aeronaves, naves espaciales y coches de competición debido a la superior relación rigidez/peso y precio muy alto.

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A principios de los años 80, la FIA – que por entonces se denominada FISA – creó la categoría Grupo B del Campeonato Mundial de Rally (WRC), permitiendo el uso de prácticamente cualquier tecnología disponible, siempre y cuando un mínimo de 200 coches de calle se fabricasen. Como resultado, los coches de calle comenzaron a aparecer con paneles de fibra de carbono, como el ferrari 288GTO y el Porsche 959.

Proceso de producción

Los ya mencionados paneles de fibra de carbono se construyen colocando láminas de fibra de carbono – como si fueran telas textiles – a cada lado de los insertos del nido de abeja de aluminio o kevlar. El nido de abeja, que define la forma del panel, va pegada con varias capas de láminas de fibra de carbono impregnadas con resina para posteriormente cocinarse en un gran horno a 120ºC y 6 bares de presión. Tras este proceso, el compuesto de fibra de carbono se funde y toma una forma uniforme y rigida.

El uso de materiales compuestos en las pieles del monocasco dota de fuerza, rigidez y la suficiente elasticidad para ser controlada en todas direcciones. El diseño de las diferentes capas sucesivas empleados en la cáscara puede originar distintas propiedades mecánicas en variadas direcciones mientras se optimiza el peso. Los materiales compuestos son fácilmente fabricables hasta en formas tridimensionales complejas lo que es ideal para muchos componentes. Incluyendo formas flexibles.

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La industria del motor se sirve de varios tipos de fibra comúnmente empleadas. El kevlar, que fue desarrollado por Du Pont, ofrece la mejor relación rigidez/peso entre ellos. Además, el kevlar se puede encontrar con facilidad en distintos bólidos exóticos como protección contra intrusiones, consumiéndose en cantidades enormes.

La fibra de vidrio también puede hallarse por un módico precio manteniendo sus propiedades rígidas. Aunque los paneles de abeja de aluminio son más frecuentes en la elaboración del monocasco como parte de la estructura de carga compuesta.

El enorme número de tipos de exigencias funcionales para el monocasco, junto con las múltiples capas necesarias para el carbono o cualquier otro laminado compuesto, producen situaciones de carga que requieren análisis detallados de capacidades estáticas y dinámicas.

Los equipos de ingeniería se benefician de software bastante sofisticado con el fin de optimizar el proyecto de del chasis monocasco y el bloque motor. Se manejan programas para el Análisis de Elementos Finitos (FEA) en muchas empresas de automoción por su capacidad para modelar múltiples materiales, para simular la dinámica de impacto de corta duración y las condiciones de contacto complejas entre múltiples componentes. El software puede ayudar a determinar las ubicaciones óptimas para puntos y orientación de las fibras de adhesión.

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El aprovechamiento del monocasco de carbono/epoxy es, por lo tanto, una gran ventaja en términos de integración de componentes, concediendo libertad a la hora de conseguir un diseño que personalice el laminado en los puntos de fijación para evitar tensiones excesivas o delaminación.

Paneles de fibra de carbono contra el chasis monocasco de fibra de carbono

Los paneles de fibra de carbono, por ejemplo del Porsche 959, es obviamente inferior al monocasco del McLaren F1, ya que no sólo es compatible con el motor, transmisión y suspensiones, sino que también sirve como célula de supervivencia muy rígida.

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La mayoría de ‘supercoches’ se basan únicamente en panales de fibra de carbono, como el Porsche 959, Ferrari 288GTO, Ferrari F40 e incluso el Porsche 911 GT1. Estos paneles apenas dan resistencia mecánica sin casi ahorrar peso debido al manejo de aluminio como base. Además, la tensión continúa manteniéndose sobre el chasis, el cual es más pesado y frágil gracias a la aplicación de un espacio tubular.

En cambio, el chasis monocasco de fibra de carbono no sólo ahorra peso, sino que también se obtiene una mayor rigidez. El primer chasis monocasco de este material debutó en Fórmula 1 en 1981 de la mano de John Barnard y su McLaren MP4/1, por lo que no es de extrañar que los primeros coches de calle en llevar esta innovación fueran los McLaren F1.

#ForzaJules

Fuente: formula1-dictionary, car bibles, google

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