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:

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

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