Llantas

1. Descripción de la pieza
2. Medida de las llantas
3. Tipo de solicitaciones
4. Estudio del material
5. Aleaciones de magnesio

1. DESCRIPCIÓN DE LA PIEZA

El objetivo de este trabajo es sobre la premisa del diseño de una llanta de automóvil deportivo. En el mundo de la competición es importante obtener la mayor reducción de peso posible con el objetivo de obtener unas mejores prestaciones de velocidad y aceleración del vehículo en cuestión.

Hay que tener en cuenta que la estética es un factor muy a tener en cuenta a la hora de diseñar los componentes de los coches deportivos porque además de elemento estructural actúan como elemento embellecedor.

Veamos algunos ejemplos de llantas de diferentes fabricantes:

1.1 MEDIDA DE LAS LLANTAS

• I. anchura de la llanta

Los tamaños estándares en pulgadas son: 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 7.0

• II. diámetro de la llanta

Los tamaños estándares en pulgadas son: 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19

J y H son símbolos necesarios para los expertos

• III. compensación de la llanta

Es la distancia de la superficie de montaje a la línea central de la rueda. La compensación puede ser de 3 tipos: cero, positiva y negativa.

• IV. número de aberturas de la fijación y diámetro del círculo donde están situadas.

Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

• V. diámetro de la apertura central

Oscila entre 55 y 75 mm.

Para entender mejor estos parámetros mostraremos los gráficos siguientes:

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También vamos a mostrar un desglose de una llanta: 

1.2 TIPO DE SOLICITACIONES

Las principales solicitaciones que recibirá la llanta en condiciones de trabajo son térmicas, mecánicas y medioambientales.

Solicitaciones térmicas

En cuanto a las térmicas, cabe decir que la llanta no produce ningún trabajo mecánico y por lo tanto su rango de temperaturas de trabajo no es demasiado amplio; ahora bien, al estar la llanta situada al lado de los discos y pastillas de freno, es necesario que los materiales que la conformen posean buenas conductividades térmicas. Hay que decir que como el coche ha de estar en movimiento, las llantas disiparán calor por convección forzada y las temperaturas de trabajo del material no superarán jamás los 100º C.

En cuanto a las propiedades mecánicas, la llanta estará sometida principalmente a esfuerzos de torsión (par transmitido por el palier) y tracción-compresión (acción del peso del vehículo)

Solicitaciones mecánicas

A continuación veremos los valores máximos de tensión que soporta cada parte de la llanta y también veremos cuales son los puntos críticos de la llanta. Todo ello nos será muy útil para el posterior diseño de la llanta.

• A = 135 MPa
• B = 220 MPa
• C = 180 MPa
• D = 100 MPa
• E = 210 MPa

Vemos que los puntos B y E son los más críticos.

Solicitaciones medioambientales

Al estar las llantas continuamente en contacto con la atmósfera y sufrir directamente las inclemencias del tiempo y la humedad, estas desarrollarán una oxidación natural y una pérdida de brillo. Para evitarlo, realizaremos tratamientos superficiales que quedarán explicados más adelante.

1.3 ESTUDIO DEL MATERIAL

OPCIONES

Las diferentes vías para llegar a fabricar llantas de vehículos son principalmente tres:

• Vía aleación de acero
• Vía aluminio
• Vía magnesio

Cada vía de fabricación tiene asociada un material y unos procesos de conformado diferentes. De esta manera podemos obtener productos con diferentes propiedades físicas según las necesidades que tengamos que afrontar (las llantas de un camión y de un coche deportivo precisan diferentes propiedades).

ALEACIÓN DE ACERO

Tradicionalmente han sido las más utilizadas por sus buenas propiedades mecánicas y sobretodo por su bajo coste. Tiene como principal inconveniente su elevado peso que lo hacen inviable para nuestro proyecto.

ALUMINIO

En las últimas décadas han tomado gran protagonismo debido a sus buenas propiedades específicas.

Proceso de conformado por fundición en cámara fría.

Su precio es superior al de las aleaciones de acero y sus características son apropiadas para resistir las solicitaciones de un vehículo deportivo.

MAGNESIO

Utilizando ampliamente en campos de altos requerimientos como lo son el aeronáutico, aviación militar y el mundo de la más alta competición (F1, NASCAR, CART, rallyes…). Actualmente diversos grupos automovilísticos como Volkswagen están desarrollando nuevas aleaciones con el fin de fabricar el mayor número posible de piezas de un coche con este material y así reducir el peso total.

Proceso de conformado por fundición a presión en cámara en caliente.

Para realizar este proyecto hemos decidido utilizar el magnesio. Aunque se dispone de menos bibliografía, creemos que es un tema innovador y que aportará valor añadido a nuestro trabajo de investigación y desarrollo.

1.4 ALEACIONES DE MAGNESIO

El magnesio es el material ideal para aplicaciones donde la ligereza del componente sea prioritaria, ya que tiene la densidad más baja de todos los metales estructurales. La estructura del magnesio es HCP. Como es casi tan ligero como el plástico, el magnesio ofrece la ventaja de una mayor resistencia y rigidez, junto con una, durabilidad, disipación de calor y plena capacidad de reciclaje inherentes.

Hay que tomar precauciones especiales al realizar el mecanizado debido a las limitaciones de fluencia de las aleaciones de magnesio. Es importante tener en consideración los efectos causados por el medio ambiente y conocer que con el transcurso del tiempo y/o a temperaturas elevadas se produce un cambio en la estructura metalúrgica de la aleación que afecta a sus propiedades mecánicas. Este efecto de envejecimiento surge del hecho de que las piezas fundidas se producen en condiciones de solidificación rápida que no permiten que la aleación alcance el equilibrio (de hecho, las reacciones entre los componentes de la aleación no se han completado). La mejor aleación para una aplicación específica de alta temperatura no puede seleccionarse en base a la resistencia de corto plazo en condiciones normales de funcionamiento.

Como la fluencia es un aspecto importante a tomar en consideración en las piezas de magnesio para uso a altas temperaturas, deben conocerse los esfuerzos y los tiempos de funcionamiento tanto para las condiciones extremas como las normales. Por lo tanto, los límites de esfuerzo, tiempo, y deformación permisible durante el funcionamiento, a una temperatura dada, determinan la mejor aleación para cada aplicación.

Estas aleaciones presentan una excelente capacidad de amortiguación y atenuación de vibraciones en comparación con las aleaciones de aluminio para piezas fundidas a presión.

Fluencia del magnesio

La fluencia (alargamiento bajo carga) se define como el esfuerzo, dependiente del tiempo, que se produce bajo una carga dada. Por lo general, hay tres etapas bien definidas de fluencia:

• Primaria – el esfuerzo de fluencia que se produce a velocidad de fluencia en disminución

• Secundaria – el esfuerzo de fluencia que presenta una velocidad mínima y casi constante

• Terciaria – el esfuerzo de fluencia que presenta una alta velocidad que, por lo general, conlleva a la ruptura.

Estadios

La fluencia de la aleación de magnesio para piezas fundidas a presión más comúnmente utilizada, la AZ91, a temperatura ambiente y

a bajos esfuerzos se describe bien mediante la relación:

ε = A σn

Donde ε es la velocidad de fluencia en estado estable, A es una constante, y el exponente de esfuerzo n es igual a 4,6. La AZ91 se utiliza poco a altas temperaturas debido a que pierde mucha de su resistencia por encima de aproximadamente 120° C (250° F).

Los esfuerzos para mejorar la resistencia a la fluencia de las aleaciones de magnesio para fundiciσn a presiσn, a temperaturas mayores de 120° C han traνdo como resultado la introducciσn de aleaciones que contienen silicio o metales de tierras raras.

Aleación de magnesio AZ91D (normativa americana) ó UNE 38-513-75

La aleación AZ91D es la aleación de magnesio para piezas fundidas a presión más ampliamente utilizada. Esta aleación de alta pureza tiene una excelente combinación de propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y colabilidad. La resistencia a la corrosión se logra mediante el cumplimiento de límites muy estrictos con relación a tres impurezas metálicas: hierro, cobre y níquel. Éstos están limitados a niveles muy bajos lo que hace necesario que se utilice magnesio primario en la producción de esta aleación.

A Si no se consigue el límite mínimo de manganeso

o el límite máximo de hierro, entonces el ratio hierro/manganeso

no deberá exceder 0.032.

Consecuencias de exceder los límites de impurezas:

• La resistencia a la corrosión decrece cuando crece el contenido de Fe, Cu o Ni.
• Un contenido superior al 0.5% Si disminuye la elongación.
• Si el contenido de Fe excede el 0.005%, el ratio Fe-Mn no excederá 0.032 y la resistencia a la corrosión descenderá rápidamente.

Aleación de magnesio AM60A

La aleación de magnesio AM60A se utiliza en aplicaciones que requieren un buen alargamiento, tenacidad y resistencia a los impactos, combinados con una resistencia razonablemente buena y una excelente resistencia a la corrosión. La mayor ductilidad que presenta esta aleación es consecuencia de su bajo contenido de aluminio. Sin embargo, esto también trae como resultado una disminución de su resistencia y una menor colabilidad.

Características de las aleaciones de magnesio

• El más ligero de los metales estructurales

Es 1.5 más ligeras que el aluminio y 4.3 veces que el acero

• Buena rigidez y relación resistencia-peso

• Alta conductividad, tanto eléctrica como térmica y buena resistencia altas temperaturas de trabajo.

• Fácil de mecanizar

Los costes de energía son más bajos y la velocidad del proceso es mayor que la del aluminio.

• Ventajas económicas en comparación con los plásticos y aluminio

Anteriormente el magnesio era mucho más caro que el aluminio. Esto condujo a que fuera usado exclusivamente en industrias de alta inversión (espacial, defensa,…) pero actualmente su precio ha disminuido considerablemente y puede competir con el aluminio a nivel unitario específico.

• Alta precisión dimensional y estabilidad

• Buena resistencia a la corrosión y a la fatiga

• Buenas características de acabado

Presenta también poca deformación residual.

• Plena capacidad de reciclaje

Escala relativa: 1 = la más conveniente, 5 = la menos conveniente.

A Resistencia a los defectos en frío. La capacidad de una aleación de resistir la formación de defectos causados por el enfriamiento tales como derivaciones por enfriamiento, grietas por enfriamiento, remolinos, etc.

B Resistencia a la ruptura en caliente. Capacidad de una aleación de resistir las tensiones que se generan durante la contracción, cuando se enfría pasando por el cambio de temperatura en que es frágil en caliente.

C Facilidad y calidad para el mecanizado. Clasificación compuesta basada en la facilidad de corte, características de las virutas, calidad del acabado y duración de las herramientas.

D Facilidad y calidad para aplicación de galvanoplastia. Capacidad de una pieza fundida de aceptar y retener un recubrimiento galvanoplástico aplicado mediante métodos estándar.

E Tratamiento de superficie. Capacidad de las piezas fundidas de ser limpiadas con soluciones ácidas estándar y de ser acondicionadas para una mejor adhesión de la pintura.

F Resistencia a altas temperaturas. Clasificación basada en la resistencia a la fluencia a altas temperaturas.

G Experiencia limitada, sólo como orientación.

Varios grupos automovilísticos como Volkswagen AG y el MRI (Magnesium Research Institute) están llevando a cabo un programa de investigación para la obtención de nuevas aleaciones tipo MRI 15XX que mantengan sus propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión a más altas temperaturas. También se pretende mantener los mismos sistemas de conformado por fundición con estas nuevas aleaciones y los mismos diseños de las piezas que con las aleaciones convencionales como la AZ91D. Mostramos algunos gráficos comparando diferentes propiedades entre la AZ91D y las nuevas aleaciones tipo MRI 15XX.

Elisenda Gómez Renom

Alberto Morodo de Pablo

Maria Prats Torruella

Fco. Javier Prieto Soliva