Kitabı oxu: «Métodos de unión y desunión de elementos fijos estructurales. TMVL0309»

1. Introducción

En la actualidad, los vehículos se fabrican de distintos materiales. Los ingenieros eligen para cada elemento del vehículo el material que se ajuste a las solicitaciones de diseño y reales.

El avance tecnológico en el automóvil ha permitido obtener materiales más sofisticados. El acero se emplea, por ejemplo, en la fabricación de la estructura de seguridad, puertas y paneles metálicos.

Los polímeros se emplean en vehículos para la fabricación de salpicaderos, pasamanos, interruptores, etc. Es un material barato, ligero y de larga duración y, además, es reciclable.

El aluminio también se ha introducido en la fabricación de ciertas partes del vehículo, por ser resistente y ligero, forma parte de la estructura, del neumático y del motor.

El caucho se emplea para la fabricación de los neumáticos. El vidrio permite obtener lunas para los parabrisas que permiten ver perfectamente el exterior cuando se conduce, evacuar el agua de la lluvia rápidamente y conseguir coeficientes aerodinámicos óptimos.

En este capítulo, se van a estudiar los materiales metálicos más empleados en los vehículos.

2. Composición y propiedades de aleaciones férricas

Los materiales metálicos más utilizados en los vehículos son, de modo general, los siguientes:

Las aleaciones férricas o ferrosas son materiales metálicos cuyo componente principal es el hierro (Fe). La base de las aleaciones ferrosas son aleaciones de hierro y carbono (C).

Aceros. Porcentaje en carbono entre el 0,008% y el 2%.

Fundiciones. Porcentaje en carbono entre el 2% y el 6,67%.

Siderurgia

Los hierros para fundición presentan una gran desventaja: la facilidad que tienen para oxidarse y corroerse, así como una densidad bastante elevada.

Oxidación

En España, la norma UNE 36001 clasifica las aleaciones férricas según las denominadas series F.

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Son aleaciones no férricas o no ferrosas aquellos materiales metálicos cuyo componente principal no es el hierro, es decir, todas aquellas que no sean ni aceros ni fundiciones.

Recuerde

Los hierros para fundición presentan una gran desventaja: la facilidad que tienen para oxidarse y corroerse, así como una densidad bastante elevada.

Actividades

1. Realizar un esquema de los tipos de aceros e indicar alguna característica.

Cobre

Aceros

Nota

Los casquillos de bronce sinterizado son autolubricados, por lo que no necesitan lubricación adicional para que en el interior de ellos gire el eje libremente. Tienen unas tolerancias muy ajustadas, tanto en su diámetro exterior como interior; sus dimensiones se consiguen mediante el proceso de rectificado.

Las aleaciones constituidas por cobre y zinc se denominan propiamente latón; sin embargo, dado que en la actualidad el cobre se suele alear con el estaño y el zinc al mismo tiempo, en el lenguaje no especializado la diferencia entre bronce y latón es bastante imprecisa.

Aplicación práctica

Se le quiere fabricar una estructura antivuelco a un vehículo de competición en su interior. Se dispone de varios tipos de aceros diferentes en el taller en forma tubular con el mismo diámetro, ¿cuál se elegirá?

SOLUCIÓN

La estructura antivuelco debe ser rígida para proteger al piloto y al copiloto en caso de vuelco, por lo que se elegirá un acero de alta resistencia.

Entre ellos, es posible elegir:

F120. Aceros aleados de gran resistencia, temple y revenido: soportan grandes esfuerzos.

F210. Aceros de fácil mecanizado.

F220. Aceros de fácil soldadura.

F250. Aceros de resistencia a la fluencia.

F410 y F420. Aceros de alta resistencia: soportan más de 700 MPa (700 N/mm²).

Cualquiera de ellos cumple con las exigencias del vehículo, por lo que se elegirá el acero F120, que podrá mecanizarse con facilidad para fabricar las barras tubulares necesarias.

3. Utilización de aceros de alto límite elástico

El acero es una aleación de hierro y carbono (0,1 a 1,7% C) que no rebasa el límite de saturación al solidificar, quedando todo él en solución sólida.

El material que se utiliza como materia prima para la obtención del acero se denomina arrabio. Este material proviene de los altos hornos mediante reducción del mineral de hierro.

Los materiales empleados para producir arrabio son:

Mineral de hierro: el hierro es un elemento químico de número atómico 26, situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es “Fe” y tiene una masa atómica de 55,6 u. Es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5%. Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y pesado. Raramente se encuentra libre en la naturaleza. Sabía que: para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes. Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión.

Coque: sirve como combustible para calentar el horno. El monóxido de carbono que se genera en la combustión se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico.

Caliza: se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente.

Actividades

2. Buscar información sobre las minas más importantes que existen en España de:

Cobre.

Hierro.

El proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro.

Nota

Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión (1.400 ºC), que impide utilizar combustibles y hornos convencionales.

Perfiles de acero

Los distintos constituyentes para las aleaciones de los aceros y aceros especiales son:

Azufre: se encuentra en los aceros como impureza. Se toleran porcentajes hasta un 0,05%. En caliente se produce una gran fragilidad del acero, dando lugar a aceros llamados de fácil mecanización, que tienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades de corte el doble que un acero corriente.

Cobalto: se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta caliente. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.

Cromo: forma carburos muy duros y de mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios.

Ejemplo: los aceros al cromo son empleados en cuchillería, electrodomésticos, construcción de hogares y calderas de alta temperatura.

Manganeso: se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de los aceros.

Níquel: aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad, proporciona una gran resistencia a la corrosión.

Ejemplo: los aceros cromo-níquel son usados en utensilios que necesiten de gran inoxibilidad: cuberterías, material quirúrgico, recipientes de cocina, embellecedores, etc.

Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él, en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la mecanización por arranque de viruta (torneado, cepillado, taladrado, etc.).

Silicio: se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, proporcionándoles elasticidad. Tiene buenas características magnéticas.

Tungsteno: forma con el hierro carburos muy complejos, estables y durísimos, soportando bien las altas temperaturas. Es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.

Molibdeno: junto con el carbono, es el elemento más eficaz para endurecer el acero. Evita la fragilidad.

Aceros refractarios: mayores porcentajes de cromo y níquel que los inoxidables. Además, pequeñas cantidades de titanio, magnesio, molibdeno y volframio.

Ejemplo: Se fabrican álabes de turbina de vapor, engranajes, bulones, componentes de misiles, válvulas de motores, resortes, etc.

Aceros de corte rápido: aleados de volframio, cromo, vanadio y molibdeno.

Ejemplo: empleados en la elaboración de herramientas para tornear, fresar, taladrar, cepillar, aserrar, cortar, etc.

Actividades

3. Investigar y dibujar los diferentes tipos de perfiles de barras de acero que existen en la industria.

3.1. Clasificación de los aceros

Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que existen en el mercado, la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) y el Instituto Americano de Hierro y Acero (AIS) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. En ambos sistemas, se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI se indica el proceso de producción con una letra antes del número.

Ejemplo

A10XXX

A: proceso de fabricación.

10: tipo de acero.

X: % de aleación.

XX: % de contenido en carbono.

3.2. Aceros empleados en vehículos

Los aceros que se utilizan en el sector vehículos se clasifican en:

Aceros convencionales de conformación en frío.

Aceros convencionales laminados en caliente y decapados.

Aceros de alto límite elástico (ALE) o de alta resistencia (HSS).

Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA).

Aceros de muy alto límite elástico (MALE o THLE).

Aceros avanzados de alta resistencia (AHSS).

Aceros ultrarresistentes de baja aleación (UHSLA).

Aceros para automóviles

Los aceros empleados en la fabricación de la carrocería de un automóvil son los siguientes:

Actividades

4. Dibujar el diagrama del hierro/carbono y señalar en el mismo los siguientes componentes:

Austenita.

Cementita.

Ferrita.

Los aceros de alto límite elástico o de alta resistencia sustituyen a los aceros convencionales debido a que ofrecen mayor rigidez en las estructuras, son menos deformables, más baratos y son más resistentes que los aceros al carbono.

Aceros para automóviles, alto límite elástico.

Las diferencias principales entre los aceros convencionales y los de alto límite elástico son:

La resistencia a la tracción: cociente entre la carga máxima que ha provocado el fallo elástico del material por tracción y la superficie de la sección transversal inicial del mismo.

El límite elástico: también denominado límite de elasticidad y límite de fluencia, es la tensión máxima que un material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes.

Nota

El límite elástico marca el paso del campo elástico a la zona de fluencia.

Cada material posee cualidades propias que definen su comportamiento ante la tracción. Algunas de ellas son:

Nota

El límite de fluencia es el punto dentro del diagrama de tracción del acero donde el material, al retirar la tensión, no recupera su forma inicial.

Aplicación práctica

Dispone de tres tipos de aceros de diferentes características elásticas. Del ensayo de tracción, le facilitan el siguiente diagrama. ¿Cuál es la principal propiedad a la tracción de cada uno de ellos?

SOLUCIÓN

Acero A: este acero tiene una zona de deformación elástica y no tiene deformación plástica. Por lo tanto, el material, después de deformarse, se rompe. Se trata de un acero frágil. Un ejemplo sería el acero empleado en la fabricación de un eje.

Acero B: este acero tiene un comportamiento similar al tipo A, tiene una zona de deformación elástica y luego tiene una pequeña zona plástica antes de romper. Se trata de un acero con propiedades elásticas y plásticas antes de romper. Un ejemplo sería el acero empleado en la fabricación del habitáculo de seguridad del vehículo.

Acero C: este acero tiene una zona elástica mayor que los anteriores y una zona de deformación plástica mucho mayor. Por lo tanto, este acero tiene un bajo nivel de carbono y propiedades dúctiles. Un ejemplo sería el acero empleado en las zonas o puntos de deformación controlada de la carrocería.

Actividades

5. Poner un ejemplo de un elemento del vehículo fabricado con material

Elástico.

Dúctil.

Frágil.

4. Diseño de una carrocería autoportante en acero y en aluminio

El diseño de una carrocería es muy complejo. En este apartado, se va a describir el diseño de una carrocería autoportante en acero y en aluminio, pero antes se van a desarrollar los conceptos previos al diseño de cualquier carrocería de un vehículo, ya que estos afectan directamente en el diseño final del mismo.

Carrocería autoportante

Actividades

Carrocería autoportante

Estructura metálica envolvente y resistente, formada por una serie de elementos metálicos de distintas propiedades. Es la más utilizada en los vehículos actualmente.

4.1. Los vehículos

Los modelos de vehículos van evolucionando a lo largo del tiempo debido a las nuevas exigencias y necesidades del mercado, tanto para el ocio como para el transporte u otros servicios. Los departamentos de ingeniería de cada marca de automóviles intentan mejorar las prestaciones de sus vehículos y su seguridad, para lo que ensayan con nuevos materiales y aleaciones que aplican a sus diseños.

Clasificación de vehículos automóviles

Los vehículos automóviles se pueden clasificar de la siguiente forma:

Vehículos para el transporte de personas o mercancías

Los vehículos cuyo objetivo es el transporte de personas o mercancías pueden ser los siguientes:

Vehículos ligeros.

Vehículos pesados.

Vehículos ligeros | Vehículos pesados

Motocicletas

Las motocicletas se pueden clasificar, según su utilización y carácter constructivo, en:

Deportivas, turismo.

Naked.

Custom.

Scooter.

Trial, cross, enduro.

Quads.

Motocicletas

Materiales empleados en la fabricación de carrocerías

Es muy importante conocer las propiedades mecánicas que ofrecen los materiales para saber cómo se comportan ante unos esfuerzos específicos. De este modo, se podrán analizar las deformaciones ocasionadas ante una colisión.

Importante

La reparación de una estructura va a depender directamente del análisis de las deformaciones producidas y del conocimiento de los materiales que la forman.

Propiedades mecánicas de los materiales empleados en la fabricación de carrocerías

Las principales propiedades de los materiales empleados en la fabricación de carrocerías son:

Elasticidad: propiedad que tienen los cuerpos sólidos por la que intentan recobrar su forma y tamaño cuando se anula la fuerza que los deforma.

Plasticidad: propiedad de un material de deformarse permanente e irreversiblemente al someterlo a una tensión superior a su límite elástico.

Resiliencia: cantidad de energía que almacena un material al ser deformado.

Tenacidad: energía que el material puede absorber antes de romperse.

Maleabilidad: propiedad que permite obtener planchas o láminas muy finas sin que el material se rompa.

Ductilidad: propiedad que permite que obtener hilos muy finos sin que el material se rompa.

Fragilidad: el material frágil se rompe sin deformación plástica.

Dureza: resistencia que ofrece un material a ser penetrado por otro.

Soldabilidad: mayor o menor facilidad con que un metal permite que se obtengan soldaduras.

Actividades

6. Buscar el nombre del ensayo empleado para saber la dureza y la resiliencia de un material.

Esfuerzos producidos en los materiales

A continuación, pueden verse los distintos esfuerzos a los que están sometidos los materiales de la estructura metálica del vehículo:

Importante

Los procesos de reparación de las partes metálicas de la carrocería pueden provocar cambios de estado de los materiales, por lo que se deben conocer su límite elástico y sus propiedades.

Métodos de fabricación de las chapas laminadas para vehículos

Las técnicas de fabricación más importantes que se emplean sobre las chapas laminadas para obtener las distintas piezas son:

Embutición: en este tipo de proceso se da a una chapa fina la forma de una pieza mediante presión con una prensa en la que se fija un punzón con la forma interior de la pieza que se quiere adquirir.

Estampación: en este tipo de proceso se intercala una chapa laminada entre dos matrices con la forma de la pieza final, las matrices se someten a una fuerza igual y opuesta de forma que la chapa es sometida a una presión tal que le hace adquirir la forma de la matriz, obteniéndose de esta manera la pieza requerida en la fabricación.

Extrusión: en este tipo de proceso se prensa el metal para darle la forma deseada, haciéndolo pasar por un molde adecuado gracias al empuje proporcionado por un pistón.

Nota

La mayoría del acero que se utiliza en la fabricación de las distintas partes de la carrocería de los vehículos se suministra en forma de chapa laminada (de 0,5 a 6 mm de espesor).

Actividades

7. ¿Qué elementos del vehículo se fabrican con la técnica de fabricación por extrusión?

4.2. Diseño de la carrocería

Cuando los ingenieros proyectan un nuevo modelo de vehículo, deben relacionar de manera óptima los siguientes factores constructivos:

Habitabilidad.

Confort.

Aerodinámica.

Seguridad.

La forma de conseguir un modelo óptimo es:

Aplicando nuevos conceptos, nuevas tecnologías e innovación.

Realizando varias versiones a partir de un modelo básico.

Importando información de otros modelos de la misma marca.

Diseñando una carrocería segura.

Las fases de la puesta en marcha de un nuevo modelo son:

Ejecución del proyecto, entre otros:

Estudio de viabilidad.

Ficheros de piezas 2D y 3D.

Ficheros de planos de conjunto 2D y despiece.

Verificación del proyecto, entre otros:

Análisis de fallos y efectos.

Métodos-operaciones de estampación.

Estudio de tolerancias y sistemas de ensamblaje.

Construcción de prototipos.

Medios de verificación de calidad.

Las fases del proyecto son:

Idea del proyecto, bocetos.

Diseño y dimensionamiento (motor, habitáculo y maletero).

Ensayos virtuales (crash-tests).

Maquetación (escala 1:5).

Creación de prototipos.

Pruebas.

Fabricación (métodos: estampación, moldes y utillaje necesario).

Prototipo.

Otras consideraciones a tener en cuenta son:

Aerodinámica.

Ergonomía.

La estructura debe absorber la máxima energía en forma de deformación.

Seguridad.

Mantenibilidad.

Ubicación de elementos mecánicos.

Larga vida útil.

Fácil.

Boceto de un vehículo

Prototipo

El ensamblaje de piezas se realiza en las distintas áreas:

Elementos amovibles de la carrocería (puertas, capós, portones, etc.).

Elementos integrantes de la carrocería (plataforma, paneles, laterales, etc.).

Conformación y soldadura de la carrocería (basamento, techo, etc.).

Acabado, donde se finaliza el conjunto.

Nota

Para la fabricación de la carrocería, se emplean chapas de acero. Cada corte se introduce en un transfer que dispone de varias matrices para conformar las distintas piezas.

Los elementos de la carrocería autoportante se unen mediante soldadura continua o por puntos múltiples y por uniones atornilladas. Otros métodos de unión utilizados son:

Soldadura láser.

Piezas pegadas con adhesivos.

Soldadura de latón.

Fabricación de la carrocería

Los materiales más empleados en la fabricación de la carrocería son los metálicos, los sintéticos y las aleaciones.

Los elementos fabricados con aceros ALE son:

Soportes de largueros.

Refuerzos de largueros.

Chapa porta-faros.

Refuerzo del piso.

Refuerzo posterior del anclaje del cinturón.

Refuerzo posterior del chasis.

Refuerzo lateral del chasis.

Tirante de sujeción de la puerta delantera.

Chapa de sujeción de las bisagras.

Traviesa trasera.

Refuerzo de la puerta trasera.

Tirante de sujeción de la puerta trasera.

Refuerzo de la puerta delantera.

Refuerzo de bisagras.

Despiece del vehículo de aluminio

Nota

El espesor de los aceros empleados en la fabricación de carrocerías del automóvil va de 0,5 a 2,00 mm.

Actividades

8. ¿Qué significa refuerzo? Buscar los tipos de refuerzos empleados en las puertas delanteras del automóvil.

Las ventajas del aluminio frente al acero son:

Más ligero.

Fácil reciclado.

Material no tóxico.

Valores de rigidez favorables.

Buena resistencia química a la intemperie y al agua de mar.

Sabía que: la alúmina es una fina capa de óxido que recubre al aluminio y lo protege de la oxidación.