Estructura, materiales y seguridad en la carrocería automotriz

Principios Estructurales y de Diseño en Carrocerías

Tipos de Esfuerzos

• Tracción y compresión
• Flexión
• Torsión
• Cizalladura

Solicitudes Constructivas

Las principales exigencias que debe cumplir una carrocería son:

• Rigidez: Capacidad para resistir deformaciones.
• Vibraciones: Minimizar las vibraciones para un mayor confort.
• Durabilidad: Resistencia al paso del tiempo y al uso.
• Fácil reparación: Diseño que facilite las reparaciones tras un siniestro.
• Aerodinámica: Factor clave para la economía de consumo, el buen comportamiento dinámico y la adecuada evacuación de aguas.
• Comportamiento en caso de choque: Garantizar la máxima seguridad para los ocupantes.

Ventajas de una Elevada Rigidez a la Flexión

Unos elevados valores de rigidez a la flexión se traducen en múltiples ventajas:

• Menos vibraciones y ruidos.
• Mantenimiento de todos los componentes en su sitio.
• Conducción más fácil y segura.
• Mayor resistencia a las roturas.
• Mayor solidez general del vehículo.

Factores que Determinan la Resistencia de una Pieza

• Material: El tipo de material utilizado (acero, aluminio, etc.).
• Cantidad (espesor): El grosor del material.
• Forma: La geometría de la pieza.
• Dirección del esfuerzo: La orientación del esfuerzo con respecto a la pieza.

Fases en el Desarrollo de un Nuevo Modelo

1. Fase de concepción: Se definen las ideas y objetivos iniciales.
2. Fase de diseño: Se crean los primeros bocetos y diseños digitales.
3. Fase de creación de maquetas: Se construyen modelos a escala.
4. Fase de creación de prototipos: Se fabrican las primeras unidades funcionales.
5. Fase de pruebas: Se someten los prototipos a todo tipo de ensayos.
6. Pruebas de aerodinámica: Se optimiza el comportamiento del vehículo frente al aire.
7. Pruebas de choque: Se verifica la seguridad pasiva del modelo.

Consideraciones de Diseño y Aerodinámica

Cálculo Inicial de Medidas Exteriores

Para el cálculo inicial de las dimensiones exteriores, hay que tener en cuenta:

• Exigencias aerodinámicas.
• La concepción de los asientos y el maletero.
• La altura libre de la carrocería al suelo.
• La necesidad de espacio para las ruedas.
• El tamaño y disposición de los paragolpes.
• El tipo y emplazamiento de los órganos mecánicos.

Zonas de la Carrocería

• Zona delantera
• Zona central
• Zona trasera

Problemas Causados por el Aire

El flujo de aire puede causar diversos problemas en un vehículo:

1. Puede desestabilizar el vehículo.
2. Es una fuente de ruido.
3. Condiciona la habitabilidad y el confort climático.
4. Limita la eficacia de los limpiaparabrisas a alta velocidad.
5. Provoca el ensuciamiento de la carrocería.

Coeficientes Aerodinámicos

• CX: Coeficiente de penetración aerodinámica, que da idea de la mayor o menor resistencia que ofrece el aire al avance.
• CZ: Este valor hace referencia a las fuerzas aerodinámicas que inciden verticalmente sobre la carrocería (sustentación).
• CY: Con esta denominación se hace referencia al coeficiente de deriva, que mide el efecto del aire de forma lateral.

Flujo de Aire

• Flujo interior: Agrupa el aire de ventilación del habitáculo y el utilizado en la admisión del motor. Sus funciones son mantener la temperatura, renovar el aire y que no varíe la humedad.
• Flujo exterior: Es el aire que circula por la superficie de la carrocería y el que va por debajo del suelo del vehículo.

Seguridad y Pruebas de Choque

Tipos de Pruebas de Choque

• Impacto frontal
• Impacto lateral
• Impacto trasero

Requisitos de Seguridad en Choque Frontal

1. Durante el impacto, las puertas no deben abrirse ni cerrarse con el tronco.
2. Después del impacto, debe poder abrirse al menos una puerta delantera y una trasera.
3. El volante no se moverá más de 80 mm hacia arriba y 100 mm hacia abajo.
4. Durante el choque no se caerá ninguna pieza del vehículo.
5. Solo se permiten pequeñas fugas de combustible.

Materiales y Procesos de Fabricación

Tipos de Resistencias a Vencer

• Resistencia a la rotura
• Resistencia a la pendiente
• Resistencia a la aceleración
• Resistencia del aire

Diseño por Elementos Finitos (FEM)

Esta técnica de simulación por ordenador ofrece grandes ventajas:

• Posibilidad de determinar procesos de carga invisibles en estructuras complicadas.
• Calcular y optimizar variables como grosor, refuerzos y materiales.
• Posibilidad de incorporar y simular el comportamiento de materiales compuestos.

Materiales Metálicos

Aceros

Diferencia entre acero aleado y acero convencional: Los aceros aleados poseen una aleación de cromo, níquel y molibdeno que proporcionan una mayor resistencia a la abrasión, al desgaste y a la oxidación.

Aluminio

El aluminio se utiliza cada vez más por su ligereza y resistencia a la corrosión.

Magnesio

Es un metal con excelentes características en cuanto a ligereza.

Aleaciones y sus Densidades (aproximadas)

• Aluminio: 2.70 g/cm³
• Acero: 7.85 g/cm³
• Magnesio: 1.74 g/cm³
• Titanio: 4.51 g/cm³
• Berilio: 1.85 g/cm³

Plásticos y Materiales Compuestos

Cualidades de los Plásticos

1. Excelente conformado.
2. Gran ligereza.
3. Nula corrosión.
4. No le afectan los cambios de temperatura.
5. Alto límite elástico.
6. Gran resistencia a gasolinas y aceites.
7. Perfecto para el reciclaje.

Paneles Tipo Sándwich

Este material consiste en un núcleo termoplástico entre dos recubrimientos de aluminio o acero.

Tecnologías de Fabricación

Tailored Blanks

Son componentes de una sola pieza con un diseño complejo que combina aceros de varios espesores y distintos grados de resistencia, lo que redunda en unos niveles de seguridad superiores.

Hidroconformación

Es un proceso de conformación de metales en frío que utiliza un fluido a alta presión para dar forma a la pieza.

Tecnología Híbrida

Consiste en mezclar dos materiales de distinta naturaleza. Por ejemplo, el acero aporta resistencia y el plástico aporta rigidez y posibilidad de conformado.

Tipos de Soldaduras en la Carrocería

• Soldadura láser
• Unión con adhesivos (piezas pegadas)
• Soldadura de latón (soldadura fuerte)

Tipología de Carrocerías y Bastidores

Tipos de Carrocerías

1. Carrocería y chasis separados (Body-on-frame)
2. Plataforma con chasis
3. Carrocería autoportante (Monocasco)

Tipos de Bastidores

1. De escalera
2. De columna central
3. Perimétrico
4. Tubular

La Carrocería Autoportante

Ventajas de la Carrocería Autoportante

• Dotan al vehículo de una gran ligereza.
• Facilitan la fabricación en serie.
• Permiten un centro de gravedad más bajo.
• Son más económicos de producir.

Clases de Carrocería Autoportante

• Autoportante con elementos desmontables.
• Monocasco puro.

Constitución de una Carrocería Autoportante

• Según la función que desempeñan: Elementos estructurales y elementos de revestimiento.
• Según la posición que ocupan: Elementos externos e internos.
• Según la forma de fijación: Elementos fijos y amovibles.