2. Materiales empleados en la fabricación de carrocerías 2.1. Ciencia de los materiales La evolución de los materiales empleados en la fabricación de carrocerías de automóviles es impresionante, de ahí la importancia de conocer sus propiedades, tanto físicas como mecánicas, y sus características. Así se puede comprender cómo evoluciona un material y la estructura que lo conforma en ciertas condiciones, y hacer conjeturas sobre su resistencia o dureza en algunos esfuerzos. Estos esfuerzos son con los que el chapista trabaja para analizar las deformaciones producidas en el vehículo tras una colisión, para realizar el posterior conformado y reparación de su estructura. El conocimiento de los diferentes materiales empleados en la fabricación de carrocerías es fundamental para conformar estructuras y estudiar su comportamiento. Propiedades mecánicas de los materiales • Elasticidad. Es la propiedad que tienen los materiales para doblarse o alargarse cuando son sometidos a un esfuerzo de tracción, recuperando su forma original una vez eliminado el esfuerzo. • Plasticidad. Es la propiedad que permite a los materiales ser moldeados cuando son golpeados con otro de mayor dureza. • Resiliencia. Es la resistencia al choque. • Tenacidad. Capacidad que tienen los cuerpos para resistir al choque, es decir, es la energía requerida para producir la rotura. Un material es más tenaz, cuanto mayor es su resiliencia y mayor su alargamiento. • Maleabilidad. Es la capacidad de deformarse de un material permitiendo ser laminado sin fracturas. • Ductilidad. Es la propiedad que permite que el material se estire antes de romperse. • Fragilidad. Es la propiedad opuesta a la ductilidad. Un material frágil se rompe por tener una capacidad de deformación muy pequeña, casi despreciable. • Tensión. Es la fuerza aplicada por unidad de superficie de un material. • Dureza. Es la resistencia que ofrece un material a ser rayado por otro. Se dice que un cuerpo es más duro que otro cuando el primero es capaz de rayar al segundo. Cuanto más duro es un material, más frágil es, y cuanto más blando, más maleable y dúctil resulta. • Soldabilidad. Es la propiedad que tienen los materiales de ser trabajados térmicamente. Posiblemente, las propiedades más importantes de los materiales en los procesos de reparación de estructuras de los vehículos sean la elasticidad y la plasticidad. Un material plástico, a diferencia de uno elástico, puede cambiar de forma y conservarla de una manera permanente. 2.2. Esfuerzos producidos en los materiales Cuando un vehículo ha sufrido un siniestro, su estructura se somete a esfuerzos de tracción, compresión, torsión, cortadura y flexión, provocándose un cambio en su forma. El trabajo del chapista consiste en investigar estos esfuerzos para realizar la reparación correcta. En estos procesos de reparación de carrocería se provocan cambios de dirección y de estado en los materiales. Cuando estos esfuerzos son aplicados, se debe conseguir no superar el límite elástico del material ya que, si fuera así, se produciría la rotura del mismo. El conocimiento de los esfuerzos provocados en un material y los límites elásticos son muy importantes en los procesos de reparación de estructuras. Esfuerzo de tracción Es el esfuerzo al que se ve sometido un material cuando se le aplican dos fuerzas en la misma dirección y en sentido contrario provocando su alargamiento. Cuanto más resistente es un material a la tracción, menor es su alargamiento. Figura Esfuerzo de tracción. d2 es mayor que d1, debido al esfuerzo de tracción provocado por las fuerzas
El efecto en las piezas sometidas a este esfuerzo de tracción es un alargamiento, diferenciándose esta zona al apreciarse más brillante que las zonas no alargadas. A continuación se muestra un diagrama que refleja el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de tracción. Con este diagrama se establece el módulo de elasticidad, el cual sirve para marcar las propiedades mecánicas de los materiales metálicos y establecer una comparación entre ellos. En el diagrama, conocido como de esfuerzos y deformaciones, se representa el alargamiento en el eje de abscisas (X) y las fuerzas de tracción en el eje de ordenadas (Y). Este diagrama corresponde a un ensayo de tracción en el que una probeta del material a probar se somete a un esfuerzo de tracción que produce en ella un alargamiento de valor progresivo hasta la rotura total de su forma: Figura Diagrama de esfuerzos y deformaciones
AB. Periodo de proporcionalidad. El alargamiento producido es proporcional a los esfuerzos aplicados. Esta proporcionalidad se conoce como el límite elástico del material. BC. Deformación plástica. Se produce un aumento rápido del alargamiento sin un aumento de la fuerza. CD. Periodo en el cual se provoca una fuerza y se produce una deformación, disminuyendo considerablemente la sección del material. D. Esfuerzo máximo de rotura. E. Rotura del material. El diagrama visto anteriormente se puede comprobar con facilidad en el ejemplo siguiente: Se toma un alambre con las manos; se dobla con una cadencia alta provocando un estiramiento, y se comprueba que durante un tiempo se va deformando, teniendo que aplicar una fuerza proporcional al alargamiento (AB); a continuación, se produce un alargamiento mayor, sin aumentar la fuerza (BC). Y por último, cuando superamos el esfuerzo máximo de rotura (D), el alambre se alarga con mucha facilidad hasta que se rompe (E). En la práctica del chapista estas conclusiones sobre cómo se comporta un material cuando es sometido a esfuerzos de tracción son muy importantes, ya que, por ejemplo, al realizar tiros de tracción, se utilizan estos conceptos. En la práctica diaria, el chapista identifica estos mismos criterios ensayados a través de su experiencia profesional, y nunca superando los límites estudiados para no romper el material con el que se está trabajando.
En la tabla siguiente se establece una clasificación de los materiales de uso más corriente en automoción, en donde podemos comparar su resistencia a la tracción:
Densidad Es la cantidad de masa de un material en un litro de volumen d = m/v = kg /dm3 En la tabla se establece la resistencia a la deformación de un metal según su módulo de elasticidad y su densidad presentándose una comparación entre chapas de carrocería fabricadas de acero y chapas fabricadas de aluminio. Se puede comprobar que, para conseguir una misma resistencia a la tracción, a las chapas de aluminio hay que aumentarles su grosor, pero aun así el peso de estas piezas sería más bajo, debido a que la relación con la densidad del acero es mucho menor. Por lo tanto se puede decir que la utilización de elementos de aluminio en la carrocería del vehículo conlleva una disminución del peso. Esfuerzo de torsión El esfuerzo de torsión es el producido en un material cuando es retorcido o girado sobre sí mismo. Para aplicar este esfuerzo se toman los extremos del material y se ejercen dos pares de giros en sentidos contrarios. El efecto provocado es el retorcido de la pieza. Figura Esfuerzo de torsión.
Esfuerzo de compresión El esfuerzo de compresión es el producido al someter una pieza a dos fuerzas con la misma dirección pero sentido contrario. La consecuencia de un efecto de compresión es el abombamiento en la zona comprimida, quedando reducida la longitud inicial de la pieza. Figura Esfuerzo de compresión.
Esfuerzo de flexión El esfuerzo de flexión en un material apoyado sobre dos puntos separados a una cierta distancia entre sí, es el producido por una fuerza aplicada en el centro del material. El ensayo de un material a flexión da como resultado que una de las zonas se encuentre a compresión y la otra a tracción produciendo un alargamiento. En la zona que se dobla después de haber sido sometida a un esfuerzo de flexión se genera un alargamiento y una compresión, provocando en las zonas respectivas brillo del material y pequeñas arrugas. Figura Esfuerzo de flexión.
Esfuerzo de cizallamiento Este esfuerzo es el provocado en un material cuando se aplican verticalmente dos fuerzas en la misma dirección desplazadas una pequeña distancia una de otra. Se produce entonces un efecto de corte o cizallamiento en el material. Figura Esfuerzo de cizallamiento.
Conceptos prácticos sobre los esfuerzos de tracción Los esfuerzos a los que son sometidos los materiales provocan diferentes efectos y consecuencias. El análisis de estos es muy importante para que el chapista pueda diagnosticar qué zonas o piezas de la carrocería del vehículo siniestrado han experimentado deformaciones debido a los esfuerzos que han sufrido. • Los materiales dúctiles sometidos a esfuerzos de tracción tienen elevado alargamiento, y la deformación se produce plásticamente. En cambio, los materiales duros en los que se aplica esfuerzo de tracción producen poco alargamiento y poca deformación. • La aplicación de una fuente de calor a un material disminuye la resistencia a la tracción, aumentando su tenacidad. • Un material que es sometido a esfuerzos con rapidez produce un cambio de estructura debido a la velocidad de deformación. Por ejemplo, si se deforma o se dobla muy rápidamente una chapa de un material dúctil, este material no puede deformarse plenamente, por lo que no puede alargarse, adquiriendo entonces dureza. Los materiales sometidos a esfuerzos a consecuencia de procesos de reparación en zonas de estructuras de diferentes características (en zonas soldadas, en cambios bruscos de secciones, etc.), producen un reparto irregular de las tensiones internas, existiendo la posibilidad de endurecer este material. La estructura de un vehículo accidentado se ve sometida a los esfuerzos estudiados anteriormente o a una composición de estos; en este caso se irán sumando y por lo tanto, relacionándose, los efectos o consecuencias producidos.
Estructura de una carrocería fabricada con diferentes tipos de aceros
2.3. Acero A continuación se estudian los distintos materiales utilizados en la fabricación de estructuras de los vehículos, estableciendo las diferencias más significativas en cuanto a su fabricación, composición y reparación. El acero es una aleación de hierro y carbono, en una proporción de carbono entre el 0,04 al 2,25%. Figura Chapas de acero ALE utilizadas en los automóviles.
Clasificación de los aceros Se establecen tipos de acero en función de su composición o según su aplicación; existe el acero dulce o acero al carbono, caracterizado por ser muy maleable y porque su porcentaje de carbono es inferior al 0,2%. Por encima de este porcentaje el acero se vuelve más duro pero menos maleable;
también existen los aceros aleados, con distintos materiales como el cromo, el vanadio, el molibdeno, etc. que proporcionan ciertas propiedades, adquiriendo gran resistencia a la compresión y a la torsión. Por ejemplo, las aleaciones de magnesio proporcionan una gran resistencia al desgaste; el acero inoxidable lleva cromo y níquel, lo que aumenta la resistencia a la corrosión. Los aceros utilizados para la fabricación de herramientas contienen volframio y vanadio que proporcionan mayor dureza y resistencia. Encontramos, además, aceros de baja aleación o aceros ultra resistentes, los cuales tienen menos componentes en la aleación pero se les somete a ciertos tratamientos especiales para conseguir el aumento de dureza; el acero de alto límite elástico (ALE) es muy utilizado en la fabricación de carrocerías. Si se utilizan aceros ALE en lugar de acero convencional, se reducen los espesores de las chapas entorno al 25%, a igual resistencia. Para la reparación, estos aceros deben ser sustituidos, ya que no se pueden someter a tratamientos térmicos, y enderezarlos tampoco es recomendable porque ello supone una pérdida de la resistencia del material. Se emplean fundamentalmente en la fabricación de piezas situadas en zonas rígidas del vehículo y que tengan que resistir grandes esfuerzos, como por ejemplo refuerzos de puertas, bisagras, soportes, etc. También se puede aumentar la dureza del acero con tratamientos térmicos (temple o revenido) y tratamientos termoquímicos (cementación, nitruración, etc). Estos tratamientos efectuados en los aceros aumentan la resistencia del material y la resistencia a la corrosión, efectuando en ellos tratamientos como el galvanizado o el electrocincado, formando en su chapa una superficie formada de zinc, que previene el óxido. Las chapas situadas en el exterior del vehículo deben ser tratadas, ya que ello supone una mejor calidad en el acabado superficial, una mejor conformabilidad y un mejor agarre para su posterior pintado. Una chapa tratada posee menor grosor que si no lo estuviera, lo que reduce el peso del vehículo. Métodos de fabricación de las chapas laminadas Además de los posteriores tratamientos para dar más resistencia a la chapa, como se ha visto anteriormente, se establecen los distintos métodos de fabricación hasta conseguir los elementos deseados, ya sean elementos exteriores o perfiles para conformar la carrocería. En la fabricación de vehículos el acero se aplica en forma de chapas laminadas de 0,5 a 6 mm. Las principales técnicas de fabricación de chapas laminadas son: • Por embutición. Se fabrica una chapa laminada que luego se transforma en una pieza al someterla a la acción de un punzón embutidor sobre una matriz embutidora con una forma adecuada. • Por estampación. Se fabrican piezas mediante la presión de un molde sobre una chapa. Al cesar la presión del molde, la pieza adquiere una determinada forma según la matriz utilizada. Es el método empleado para conformar las piezas de la carrocería. • Por extrusión. Se fabrican piezas moldeadas en caliente, sometiéndolas a una determinada presión. Es el método utilizado para fabricar perfiles y tubos. Las chapas se calientan por debajo de la temperatura de fusión. La extrusión solamente se realiza con materiales dúctiles, para luego someterlos a tratamientos para aumentar su dureza si lo necesitan. 2.4. Aluminio El aluminio es uno de los materiales utilizados para la fabricación de carrocerías y bastidores en los vehículos. Se emplea también en la fabricación de sistemas de tracción y equipos de medida para la reparación de automóviles. El aluminio se usa en automoción principalmente debido a que es aproximadamente un 55% menos pesado que el acero aunque resulte más caro. Es más maleable, lo que es una ventaja con respecto a las carrocerías de acero, ya que absorbe más esfuerzos en su deformación cuando se sufre un accidente, resultando más seguro para los ocupantes del vehículo. Se fabrica en planchas mediante el laminado o forjado a temperaturas entre 100 y 150 °C. En automoción se utilizan aleaciones de aluminio con cobre o magnesio, lo que aumenta su dureza y resistencia y facilita su fabricación con respecto al aluminio puro. 2.5. Plásticos Los plásticos se utilizan para la fabricación de las carrocerías de los vehículos, principalmente en piezas o elementos exteriores como aletas, paragolpes, portones, etc; aunque no se suelen utilizar en la fabricación de chasis o piezas estructurales, con todo, existen prototipos que utilizan los plásticos, principalmente la fibra de carbono y el kevlar, como materiales para la fabricación de estructuras del vehículo. En los automóviles se emplean en combinación con estructuras de acero.
3. Características constructivas de las carrocerías Hasta 1927 las carrocerías y los bastidores de los automóviles se fabricaban por separado y luego se atornillaban, dando lugar a lo que se conoce como carrocería con chasis independiente. Después de la Primera Guerra Mundial, Edward Budd inventó una prensa capaz de ejercer una gran presión sobre las hojas de acero. Esta era capaz de fabricar aletas, capós, suelos, etc., construyendo una carrocería entera de acero y de una pieza. Las piezas de acero se soldaban consiguiendo una estructura ligera, fuerte y resistente, y evitando los ruidos molestos de los automóviles de la época. Este era el principio de la llamada carrocería autoportante. En este apartado se van a definir las diferentes soluciones constructivas utilizadas por los fabricantes en la construcción de los distintos tipos de vehículos comercializados en la actualidad. Elementos amovibles de la carrocería
3.1. Carrocería con chasis autoportante El chasis autoportante consiste en una estructura construida mediante el ensamblado de chapas a lo largo de toda la carrocería. El ensamblaje de las chapas se realiza mediante soldadura. La soldadura dota a la carrocería de gran rigidez, la hace poco pesada y capaz de absorber los esfuerzos debidos a la conducción (aceleración, deceleración, trazado de curvas, variables aerodinámicas, etc.), el propio peso del vehículo (equipaje, pasajeros, etc.) o capaz de absorber la energía de deformación en caso de accidente.
Sobre esta estructura autoportante se montan los elementos exteriores, como puertas, aletas delanteras y traseras, capós, etc., hasta completar la carrocería del vehículo y los elementos mecánicos. Estructura autoportante
Carroceria autoportante. Vistas superior e inferior
Figura Diferentes formas de perfiles.
Las chapas se construyen con formas diferentes, pilares con perfiles en forma regular, refuerzos, forma tubular, etc., dependiendo de la función que desempeñan dentro de la construcción del chasis. Los ingenieros diseñan la unión de estas chapas para conseguir la rigidez o comportamiento deseado en cada una de las zonas, en función de que la zona tenga que trabajar absorbiendo esfuerzos de tracción, flexión, torsión, compresión, etc. Figura Estructura autoportante con reparto de esfuerzos. Dirección de los esfuerzos absorbidos por la carrocería autoportante
Dentro de la carrocería existen zonas diseñadas para comportarse de una forma planificada: son zonas rígidas y zonas fusibles o de deformación programada. En las zonas rígidas se ensamblan superpuestas chapas de diferentes tamaños y grosores para conseguir la rigidez deseada con el menor espesor posible. En un vehículo nos encontramos estos puntos en las uniones de los pilares con el montante superior e inferior, en las uniones de los pilares con los pases de ruedas y aletas traseras, refuerzos, etc. Figura Zonas rígidas de la carrocería.
Figura Zonas rígidas y de deformación programada.
Las zonas fusibles o de deformación programada, como su propio nombre indica, son piezas de la carrocería que se construyen para absorber esfuerzos y soportar cargas, pero cuando el vehículo sufre un golpe, también absorben esfuerzos de deformación y se doblan y deforman en la dirección establecida por los ingenieros como más segura para los ocupantes. Estos desplazamientos se consiguen debilitando ciertas partes de las chapas por medio de taladros o pequeñas arrugas. En las carrocerías autoportantes se emplean unos pequeños bastidores de acero atornillados al chasis y llamados subchasis, su función principal es soportar el peso del motor y de los elementos de suspensión. En algunos modelos de vehículo se realiza la unión del motor y del subchasis al chasis intercalando piezas de fundición de aluminio. Cuando el vehículo sufre un accidente, estas piezas se rompen evitando el deterioro del motor y del subchasis, y absorbiendo de esta manera parte de la energía producida en el siniestro. Figura Zonas de deformación programada.
Figura Subchasis en los vehículos.
Monocasco Es una carrocería autoportante llevada a su extremo; en ella, la mayor parte de las piezas de la carrocería son estructurales, es decir, absorben esfuerzos. Principalmente se utiliza en la construcción de vehículos deportivos, aunque en la actualidad está en desuso. Carrocería monocasco (con elementos soldados)
3.2. Carrocería con chasis independiente o bastidor Está formado por un chasis o plataforma independiente al resto de la carrocería, que se fija al chasis por medio de tornillos o soldadura. En el bastidor o chasis se fijan por separado tanto los componentes mecánicos como los de la carrocería, pudiéndose llegar al caso de separar la carrocería y que pueda circular el vehículo. Las ventajas de la utilización de este tipo de carrocerías son principalmente para los vehículos destinados al transporte de mercancías o personas, y para los vehículos utilizados para la circulación por caminos de tierra o carreteras en mal estado. La estructura está compuesta por vigas longitudinales o largueros y vigas trasversales o traviesas unidas por medio de remaches, tornillos o soldaduras. Lleva una serie de refuerzos a lo largo y ancho donde se sitúan los soportes para los componentes tanto mecánicos como de la propia carrocería. La rigidez de esta construcción varía según el destino para el cual se fabrica: no es lo mismo un todoterreno que un camión destinado al transporte de mercancías. En el caso de los todoterreno, como se diseñan para poder ser utilizados por carretera, su bastidor se fabrica según la figura 1.36, para poder ser utilizados con mayor comodidad y poder absorber los esfuerzos de la conducción y la carga, proporcionando una conducción lo más cómoda posible. En el caso de bastidores para camiones, dado que deben de soportar cargas elevadas, se construyen perfiles de formas rectangulares, ya que los camiones no adquieren grandes velocidades y su finalidad principal es soportar los esfuerzos debidos a la carga de las mercancías transportadas. Figura Chasis independiente de un todoterreno.
3.3. Carrocerías especiales Estas carrocerías son usadas para la construcción de automóviles destinados a las competiciones deportivas. Están fabricadas con un armazón tubular completo, con tubos de acero cuadrado o redondo cuya principal ventaja es la reducción de peso. En este tipo de vehículos la carrocería que se atornilla al chasis se fabrica de fibra de vidrio o carbono. También los autobuses se fabrican con estructuras tubulares, formadas por tubos de acero cuadrados o redondos. En estas estructuras se atornillan los órganos mecánicos y la carrocería. De reciente introducción en el mercado son los cuadriciclos, estructurados de distintas formas y construidos mediante una plataforma a la cual se atornilla el chasis, o conformándose siguiendo una estructura tubular rígida mediante perfiles de distintas secciones, según la figura 1.38b. Figura Carrocerías especiales.
Figura Estructura de cuadriciclo