Diseño de la carrocería

A la hora de proyectar un nuevo modelo se deben conjugar de forma satisfactoria una serie de factores, como son la habitabilidad, el confort, la aerodinámica y l seguridad, encaminados a obtener un producto que ofrezca una potencia significativa basada en una notable economía de consumo armonizada con la imagen de la marca. Como ejemplo en un vehículo deportivo se sacrifica la habitabilidad a favor de la estética y aerodinámica, en un monovolumen lo que prima es la habitabilidad interior pasando a segundo plano la aerodinámica.

Introducción.

Para intentar conseguir estos objetivos se recurre a diferentes estrategias:

  • Optimizar las tareas de organización de todos los departamentos implicados en la elaboración del nuevo modelo que tienden hacia la unificación de en diferentes grupos de trabajo (proyectos, métodos y fabricación) permitiendo detectar rápidamente cualquier problema presente.
  • Aplicación de nuevos conceptos y nuevas tecnologías.
  • Reducción de los plazos de puesta a punto de un nuevo modelo.
  • Capacidad de innovación. La fuerza de una empresa resida en su capacidad para innovar mas rápidamente que sus competidores.
  • Se debe diversificar la oferta a partir de un modelo base realizando varias versiones del mismo. Versiones familiares, deportivas…
  • Para reducir el tiempo de lanzamiento y los costes, los fabricantes de vehículos suelen compartir plataformas de carrocería entre los modelos de la misma marca o grupo.

La idea de la seguridad se encuentra en un primer plano a la hora de diseñar una carrocería que aparte de la estética se debe estudiar la deformabilidad de sus creaciones y en dotar los habitáculos de una elevada estabilidad de forma.

Tradicionalmente, a la hora de establecer los gustos y modas se que condicionan la elección de un vehículo, pueden establecerse tres áreas de población que marcan las tendencias de la demanda mundial:

  • Zona europea.
  • Zona norteamericana.
  • Zona asiática.

En Europa suelen predominar los vehículos compactos (berlinas) de estética discreta y colores sobrios, de cierto aire urbano adaptado plenamente a la circulación por carretera. El precio del combustible y la no excesiva abundancia de espacios abiertos determina el tamaño y la monitorización de un vehículo típico.

En Norteamérica en cambio, el precio mas reducido del combustible, la existencia de amplios espacios abiertos y el estilo de vida determina un mercado en el que abundan las berlinas de gran tamaño y elevada monitorización, los pick-up y los todoterreno.

En la zona asiática (en especial Japón) prefieren los vehículos pequeños (especialmente todoterreno) de colores vivos, estética vanguardista y un marcado carácter urbano condicionado por la escasez de suelo libre.

No obstante, en cada zona de influencia cada país presenta rasgos diferenciales propios que influyen de manera notable en el mercado.

En el proceso de puesta en marcha de un nuevo modelo se encuentran involucrados aspectos económicos, plazos, producción, calidad y técnicos. El periodo de desarrollos cuenta con las siguientes fases y medios:

De ejecución de proyecto:

  • Estudios de viabilidad previa.
  • Estudios de viabilidad definitiva.
  • Ficheros de geometría 3D de piezas.
  • Ficheros 2D de piezas.
  • Ficheros de planos 2D de conjuntos.
  • Pirámide grafica (despiece)
  • Realización base.

De verificación del proyecto:

  • Análisis modal de fallos y efectos.
  • Simulación (estructural y de estampación).
  • Taller piloto virtual.
  • Métodos de operaciones de estampación.
  • Estudios de tolerancias, sistemas de ensamblaje y estudios de referencias.
  • Construcción de prototipos.
  • Experimentación.
  • Taller piloto de producción.
  • Medios de verificación de calidad.

Teniendo en cuenta que cada constructor aplica su propio método secuencial en la ejecución del proyecto, para el estudio del proceso en si podemos partir de una secuencia típica en la que una vez establecido el pliego de condiciones el proyecto se desarrolla en las siguientes fases:

  • Concepción.
  • Diseño.
  • Creación de maquetas.
  • Construcción de prototipos.
  • Pruebas.
  • Fabricación.
  • Necesidades de fabricación de la carrocería.

Concepción.

En esta fase se realizan los primeros bocetos a partir de dibujos a mano utilizando instrumentos de dibujo. El trabajo culmina con la aprobación del mejor boceto propuesto.

A continuación los diseñadores determinan las dimensiones del vehículo (prestando especial atención al interior del mismo). Para ello se divide el vehículo en tres zonas diferenciadas: zona motor, zona de ocupantes, zona maletero.

Para el calculo inicial de las medidas exteriores de la carrocería suele tenerse en cuenta:

  • Exigencias aerodinámicas.
  • Ergonomía del puesto de conducción, concepción de los asientos y del maletero.
  • Altura libre de la carrocería sobre el suelo.
  • Posición y tamaño del deposito de combustible.
  • Necesidades de espacio de las ruedas.
  • Tamaño y disposición de los paragolpes.
  • Tipo de emplazamiento de los órganos mecánicos: motor, radiador, cambio…

Para iniciar la fase de diseño de as formas interiores y exteriores deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

Condiciones de visibilidad. Disposición de los montantes, techo, capo, maletero, retrovisores, curvatura del parabrisas, barrido del limpiaparabrisas, etc.

Funciones mecánicas. Deben poder bajarse los cristales laterales, apertura del capo y maletero, reglaje de luces, etc.

Posibilidad de fabricación y facilidad de reparación.

Condiciones de seguridad. Establecimiento de un plan de deformación programada, forma y disposición de los refuerzos y paragolpes, eliminación de aristas, etc.

Una vez calculadas las medidas exteriores el ordenador proporciona una visión del vehículo (interior y exterior) y cada parte constituyente del mismo pudiendo introducir modificaciones que se estimen oportunas.

Diseño de la carrocería.

Una vez definido el vehículo se pasa a la fase de diseño, en la que se emplean medios altamente sofisticados. Mediante estos desarrollos informáticos se sustituyen las maquetas físicas por maquetas numéricas a partir de parámetros geométricos obtenidos en la fase de concepción del vehículo con la ayuda de potentes ordenadores.

Como norma general un buen diseño debe reunir las siguientes características:

  • Resultar lo mas atractivo posible.
  • La transición a la fase de fabricación debe ser lo más fácil posible.
  • Garantizar una alta funcionalidad y larga vida útil.
  • El numero de piezas constituyentes debe ser el mínimo posible y su desglose debe resultar sencillo.
  • Tener un alto numero de piezas aprovechables para otros modelos.
  • Utilizar el mayor numero de piezas reaprovechables.
  • Ofrecer una buena relación calidad precio.

A través de este método el diseñador puede ensayar diferentes soluciones técnicas, simular el funcionamiento de cada pieza, introducir modificaciones, ensamblar piezas virtualmente e integrarlas en el sistema al cual van a pertenecer analizando su compatibilidad.

Cálculos de la estructura.

El principio universal en el calculo de estructuras se basa en el hecho de que las deformaciones resultantes son proporcionales a las tensiones aplicadas ya que la estructura del nuevo modelo debe absorber la máxima energía sacrificándose en defensa de los pasajeros.

Para determinar las características estáticas, dinámicas y acústicas se recurre a la integración de elementos finitos, lo cual se basa en la idea fundamental de descomponer cualquier cuerpo tridimensional en figuras geométricas simples cuyos comportamientos elásticos son conocidos y fáciles de formular matemáticamente.

Habitualmente suele descomponerse en triángulos cuyos vértices presentan coordenadas espaciales y que fruto de las tensiones aplicadas se desplazan en el espacio haciendo que los vértices de los triángulos adyacentes se desplacen vuelvan a desplazarse y así hasta que la tensión producida en cadena se anula. Con ello es posible construir un modelo que represente fielmente as propiedades elásticas de la pieza real. El proceso puede resumirse en:

En primer lugar se realiza una discretizacion finita de la pieza, consistente en dividirla en trozos muy pequeños a los cuales aplicar las ecuaciones de comportamiento elástico-resistente.

Una vez realizado el mallado se aplica cargas exteriores en algunos de esos elementos y se estudia la deformación.

De este modo se puede analizar la deformación macroscópica de la pieza, y los puntos de esfuerzo critico y, por tanto, susceptible a la rotura.

Para la integración de elementos finitos se utilizan superordenadores del tipo Cray que procesan millones de operaciones en nanosegundos, de manera que se puede visualizar el efecto de cualquier tensión aplicada en un punto determinado obteniendo deformaciones, oscilaciones, distribuciones de las tensiones y trabajos de variación de forma. Las ventajas de que ofrece la utilización del método de los elementos finitos se centran fundamentalmente en los siguientes aspectos:

Posibilidad de determinar procesos de carga invisibles (transmisión de fuerzas, concentraciones de esfuerzos) en estructuras complicadas.

Calcular variables como: grueso de chapa, refuerzos, materiales, etc.

Por el contrario las limitaciones que presenta la utilización de este método son:

  • La exactitud depende del tipo de elemento, de su numero y de su distribución en la estructura.
  • Las variaciones entre el grueso de la chapa calculado y el real, una vez laminada y embutida, debido a la anisotropía de los distintos materiales.
  • Dificultad para estimar exactamente las uniones soldadas.

Cálculo de la resistencia.

El estudio de calculo de estructuras consiste en calcular la relación entre fuerza y desplazamiento para cada elemento componente de la estructura. Una vez realizado dicho estudio se procede al ensamblaje del conjunto de elementos en el que se debe establecer el equilibrio de fuerzas en cada unión.

Además de las tensiones causadas por sistemas de sujeción y cargas suspendidas, que se calculan por el método de los elementos finitos, hay ciertas piezas del vehículo como montantes, travesaños y paragolpes, que se encuentran sometidas frecuentemente a cargas de flexión o torsión. En estos casos resulta adecuado el empleo de programas de calculo de secciones.

Cálculo del comportamiento ante colisiones.

El uso del ordenador y de sofisticados instrumentos de calculo permiten realizar ensayos virtuales de colisiones en los que ejecuta mega operaciones de calculo en nanosegundos que permiten dar el planteamiento correcto al vehículo sin realizar pruebas sin haber destruido ningún prototipo.

En la realización de los crash-test virtuales se utilizan los modelos tridimensionales del vehículo, dividiendo la estructura portante de la carrocería en elementos finitos cada uno de los cuales tiene definido con anterioridad su comportamiento cuando se le aplican determinadas fuerzas, y que sirven de base para los cálculos simulados.

Si se aplica sobre una zona del vehículo virtual una fuerza dada se inicia una reacción en cadena en la que cada área se deforma según los cálculos anteriores y transmite fuerza a las que están en contacto con ella. De esta forma es posible determinar cual ha sido la deformación total del vehículo completadas con las pruebas reales permiten validar las dimensiones y el comportamiento por separado de ciertos elementos de la carrocería como largueros, travesaños, etc.

Creación de maquetas.

La siguiente fase consiste en «dar volumen» al dibujo. Se construyen maquetas de escayola o materiales sintéticos primero a escala 1:5 y luego a tamaño natural. En esta fase, el diseñador afirma determina la agresividad de las formas curvas determinando el volumen en todos sus aspectos.

Como resultado se obtiene la maqueta virtual definitiva que define numéricamente el diseño para establecer el plan de forma del primer prototipo. Cuando se acaba la fase de diseño los datos anteriormente plasmados en un plano digitalizado se transfieren en forma de ordenes de un ordenador a una fresadora automática de cinco ejes que clona el modelo diseñado sobre un bloque de material termoplástico generalmente poliestireno.

A la forma conseguida suele hacerse un molde exterior de resina epoxi para construir una maqueta hueca que se utiliza para obtener una visión conjunta transparente del estilo exterior e interior del modelo y sufrirán los primeros test en el túnel de viento para confirmar los cálculos efectuados sobre el papel.

Construcción de prototipos.

Los prototipos suelen montarse en instalaciones especificas para definir las matrices, los moldes y el utillaje del vehículo necesario para la construcción. Se analizan los detalles en profundidad prestándose especial atención al control geométrico de la carrocería.

Como resultado de todo el proceso se determina el proceso de estampación más idóneos, ultiman los útiles de las prensas a la vez que se realizan los estudios de las tolerancias, referencias, sistemas de unión y se regulan los equipos de ensamblaje.

Pruebas.

Una vez fabricado el prototipo se inician una serie de pruebas para analizarlo. Se comprueban los motores sometiéndolos a ensayos acústicos y de vibraciones, los materiales se controlan con microscopios electrónicos y equipos de metalurgia comprobando la resistencia a la fatiga de algunos elementos en bancos hidráulicos. El modelo también pasa una prueba de seguridad para comprobar su rigidez estructural.

Se realizan pruebas climáticas sometiendo el prototipo a extremas condiciones de temperatura y también se comprueba la resistencia de la carrocería frente a la corrosión simulando diferentes climas.

Se verifica la emisión de gases y se analizan los materiales empleados pensando en su posterior reciclaje. También tienen lugar ensayos de golpes y la seguridad tanto activa como pasiva, se realizan ensayos de durabilidad de determinados componentes de la carrocería.

Fase de fabricación de la carrocería.

La chapa de acero se suministra en forma de bobinas o en piezas prerrecortadas, las bobinas deben ser enderezadas mediante una serie de rodillos que eliminan la curvatura y a continuación se procede al recorte en cizallas automáticas para ser introducidas en la cadena de embutición. Cada recorte se introduce en un transfer que dispone de varias matrices en línea cada una encargada de realizar una secuencia en el conformado total de la pieza.

Para conseguir una gran variedad de piezas que conforman la estructura de la carrocería únicamente se cambian las matrices de las prensas, debido al gran tamaño que estas ocupan y el coste de las mismas.

El ensamblado de las piezas se realiza en instalaciones distribuidas en zonas diferenciadas:

  • Áreas o líneas dedicadas a los elementos amovibles de la carrocería (puertas, capos, portones, etc.)
  • Áreas dedicadas a elementos integrantes de la carrocería (plataforma, paneles, laterales, etc.)
  • Áreas dedicadas a la conformación y soldadura de la carrocería (basamento, techo, etc.)
  • Áreas de acabado donde se le añaden a la caja ya conformada los elementos separados y se finaliza el conjunto.

La carrocería autoportante consta de cuerpos huecos de chapa y laminas que se unen en las instalaciones de soldadura continua o por puntos múltiples realizados por robots. La soldadura proporciona alta resistencia mecánica y buena transmisión de esfuerzos entre las piezas estructurales y las uniones atornilladas proporcionan una excelente reparabilidad de las piezas.

En el ensamblado se emplean mayoritariamente las uniones soldadas por resistencia aunque también se emplean otros métodos:

  • Soldadura láser que solo puede ejecutarse en fabrica y se emplea generalmente para unir el techo a los montantes.
  • Piezas pegadas, cuyo objetivo consiste en que el acero que conforma cada pieza soporte niveles da carga equivalentes. Los adhesivos estructurales mas utilizados son de naturaleza epoxi debido a su excelente resistencia y buenas propiedades mecánicas y de aplicación.
  • Soldadura de latón, reduce los huecos de las chapas para aumentar la rigidez de la carrocería. Se realiza bajo atmósfera de gas protector.

Materiales empleados en la fabricación de carrocerías.

Las tendencias de los fabricantes de vehículos están dirigidas a conseguir una sustancial reducción de peso y un aumento de la seguridad pasiva. La incorporación de materiales nuevos como aleaciones, tratamientos térmicos, superficiales, etc. han posibilitado la consecución de materiales más resistentes y ligeros en la construcción tanto de órganos mecánicos como de las piezas de la carrocería. El empleo de materiales plásticos como la fibra de vidrio o de carbono se limita a piezas que no tienen una elevada responsabilidad estructural.

Grupos materiales.

Los grupos materiales más empleados en la fabricación de la carrocería son los elementos metálicos y materiales sintéticos. A su vez podemos distinguir los metales férreos y los no férreos, y entre los sintéticos termoplásticos y termoestables.

Para mejorar las propiedades de ciertos metales puros se fabrican aleaciones que son mezclas de dos o más metales.

Los metales férreos contienen como elemento principal el hierro y carbono en proporciones variables. Según este porcentaje se distinguen: hierro, acero y fundiciones.

Los metales no férreos no llevan hierro en su composición. Los principales son: aluminio, magnesio, cobre, plomo, estaño, cinc, níquel, titanio, etc.

Las principales aleaciones no férreas son:

  • Aluminio (ligeras)
  • Magnesio (ultra-ligeras)
  • níquel (superaleaciones)
  • Aleaciones de metales pesados (cobre, plomo, cinc, etc.)

Aceros empleados en la fabricación de carrocerías del automóvil.

Actualmente los espesores más habituales de material casi alcanzan 0,5mm pero sin llegar a ello. El espesor máximo puede alcanzar los 2mm pudiendo algunas piezas sobrepasar ligeramente este espesor.

Los espesores menores se utilizan en los elementos que no tienen demasiada importancia estructural y que se utilizan en la parte exterior del vehículo.

En una clasificación de tipo general de las chapas de acero se distinguen dos tipos: las comerciales y las finas.

Las primeras son de una calidad de acabado no definida, por el contrario la chapa fina posee características de aptitud para la embutición, soldadura y acabado.

Esta primera división de tipos de aceros podría aplicarse a aceros laminados en frió, cuyas calidades comerciales tienen un tratamiento sencillo para emplear doblador y embuticiones poco exigentes.

La división que se pude hacer atendiendo a los grandes grupos de tipos de producto son:

  • Laminados en caliente.
  • Laminados en frió.
  • Recubiertos después de la laminación en frío.

Tecnología USLAB.

Uno de los proyectos más importantes se ha llevado a cabo con este tipo de acero (Ultralight Steel Auto Body), las claves del éxito de este proyecto se centran en todos los ámbitos del desarrollo de un nuevo vehículo con la mejor utilización de los materiales, sobre todo aceros ALE sumado a la ayuda de las tecnologías de soldadura láser, realización de Tailored Blanks, hidroconformado de tubos, hidroestampado, etc.

El resultado es una carrocería más económica y un 25% más ligera de lo que hoy DIA es un modelo promedio y presenta una rigidez 80% mayor, prestando una mejor respuesta debido a la superior integridad estructural.

Nuevas técnicas de fabricación.

Entre las técnicas de fabricación destacan la utilización de tailored blank, la hidroconformación y el empleo de paneles tipo «sándwich».

Tailored blank. Son componentes de una sola pieza con un diseño complejo que combina varios espesores, recubrimientos y distinto grado de resistencia. Los diferentes aceros se sueldan (generalmente por láser) para obtener un único desarrollo a partir del cual se conforma la pieza. Los componentes así fabricados tienen la capacidad de optimizar la función estructural asegurando un proceso de absorción más progresivo y efectivo.

Hidroconformación. Se fabrican formas complejas en componentes tubulares de zonas en las que la carrocería forma una sección cerrada (como largueros, montantes, travesías, etc.). Se basa en la expansión de un tubo recto de chapa de acero en una matriz (molde) con la forma que se desea para el tubo. A continuación se introduce agua a alta presión consiguiéndose así la forma deseada en el tubo. Este procedimiento proporciona una gran estabilidad de dimensiones y un alto limite elástico de la pieza al realizarse en frió el proceso de trabajo. La hidroconformación consigue reducir el peso de dos formas distintas:

  • Se aprovecha al máximo el tamaño de la sección de la pieza al eliminar la necesidad de disponer de pestañas de soldadura.
  • El larguero hidroconformado del techo distribuye de una forma mucho más eficiente las cargas eliminando así las necesidades de material en otras zonas.
  • Sándwich de acero. Consiste en un núcleo termoplástico (generalmente polipropileno) en un sándwich de dos recubrimientos de acero de bajo espesor consiguiendo una notable disminución de peso, hasta un 50%, sin comprometer las prestaciones.

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