- Abstracto
- 1. Introducción
- 2. Materiales y métodos
- 2.1. Evaluación en trinquete
- 3. Resultados y discusión
- 3.1. Diseño de varillas: Diseño convencional por varillas de aluminio y conexiones esféricas
- 3.2. Diseño no convencional mediante elementos poliméricos
- 3.3. Comportamiento de trinquete
- 4. Conclusiones
- Disponibilidad de datos
- Conflictos de intereses
- Agradecimientos
Abstracto
El polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) es un subgrupo del polietileno termoplástico caracterizado por sus cadenas extremadamente largas y, como resultado, en un material muy duro y resistente. Debido a sus notables propiedades mecánicas específicas, su uso se está extendiendo gradualmente a múltiples campos de aplicación. Este estudio describe, quizás por primera vez, cómo el UHMWPE puede representar una solución material válida en el diseño y optimización de suspensiones para uso en automoción, especialmente en el caso de vehículos extremadamente ligeros, como los coches solares. En particular, en este estudio de diseño, las varillas de UHMWPE permitieron asegurar trayectorias cinemáticas específicas, funcionalidades y rendimiento general en un sistema de suspensión excepcionalmente ligero, desarrollado para un innovador vehículo solar para varios ocupantes. Estas varillas redujeron el peso en un 88% con respecto a las soluciones de diseño clásico con funciones similares, ofreciendo, al mismo tiempo, una alta rigidez y precisión en los movimientos. Se realizó una campaña experimental para evaluar el comportamiento del trinquete y otras propiedades mecánicas necesarias para un correcto diseño y uso.
1. Introducción
En algunas aplicaciones de ingeniería estructural de vanguardia, como el diseño de vehículos propulsados por energía solar, el diseñador necesita utilizar materiales con la mayor rigidez específica y resistencia específica posibles para lograr el mínimo peso .
Los vehículos solares son prototipos innovadores destinados a correr durante largas carreras en condiciones extremas, como, por ejemplo, las soleadas e interminables carreteras australianas del desierto del World Solar Challenge . Minimizar el peso permite, junto con otros detalles técnicos y trucos de ingeniería, mejorar la eficiencia energética del vehículo que representa un factor clave para el éxito de un prototipo solar. Desde la perspectiva del diseño de un sistema de suspensión para esa aplicación y al margen de cualquier otra consideración propia del diseño automovilístico tradicional, el diseñador tiene que actuar con extremo cuidado para reducir todo tipo de disipaciones de energía.
Por lo tanto, el coche tiene que rodar estable sobre la aspereza de la carretera, las vibraciones tienen que ser mínimas, y la inercia con respecto a los cambios de velocidad y dirección tiene que ser limitada. Esto significa, en la práctica, que el diseño tiene que ser directo a suspensiones rígidas, ligeras y precisas. La posibilidad de obtener estos resultados también está relacionada con la elección del material.
Considerando las conocidas tablas de Ashby se llega a la conclusión de que la elección debe limitarse a los sándwiches de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), en presencia de carga de flexión o para la absorción de energía, y a los laminados en los demás casos, con la posibilidad de utilizar metales cuando otras condiciones puedan sugerir que no se utilicen materiales compuestos (por ejemplo, altas tensiones de contacto, carga transversal y exposición). En casos muy específicos, en los que se presentan restricciones geométricas o funcionales, como en el sistema de suspensión, el diseñador puede tener en cuenta otros tipos de materiales, como los polímeros de alto rendimiento.
Los estudios presentados en fueron preliminares al diseño de una suspensión completa de CFRP para el vehículo solar llamado Emilia 4, un coche solar para varios pasajeros, diseñado y desarrollado por la Universidad de Bolonia en colaboración con la asociación Onda Solare Solar Car. Este vehículo pertenece a la clase Cruiser, de acuerdo con el reglamento del World Solar Challenge y es un prototipo de competición de cuatro plazas. El modelo de coche se presentó en junio de 2018 y ganó el American Solar Challenge en julio de 2018. En este evento, el vehículo recorrió 2700 km mediante energía exclusivamente solar mostrando un compromiso válido entre las diferentes opciones de diseño. Entre ellas, se prestó especial atención a la búsqueda de soluciones de diseño eficaces para los sistemas de suspensión. La forma general del vehículo se muestra en la Figura 1, donde la ubicación de los sistemas de suspensión es visible en transparencia.
Para más detalles, el proceso de diseño del chasis del vehículo se muestra en . Toda la carrocería del vehículo se fabricó en autoclave mediante un sándwich de CFRP/polímero en forma de panal, mientras que todos los demás componentes mecánicos están formados por laminados de CFRP.
A diferencia de la mayoría de las aplicaciones de ingeniería, en el caso de los vehículos de competición, las principales directrices de diseño vienen dictadas por el reglamento de la carrera a la que están destinados (por ejemplo, ). Estos requisitos, en particular, se refieren a aspectos como las dimensiones totales, la seguridad, la visibilidad, la facilidad de conducción y las características de los paneles solares y las baterías. Todas estas limitaciones técnicas, unidas al objetivo general de diseño de reducir el consumo de energía, condujeron, en cuanto a los aspectos mecánicos y estructurales, a la optimización aerodinámica y a un peso total del coche inferior a 330 kg. Añadiendo 320 kg, que es el peso estándar de cuatro pasajeros, la carga total sobre las cuatro suspensiones era de 650 kg.
El sistema de suspensión es la única parte móvil del vehículo en nuestro caso, ya que los motores eléctricos están situados en el interior de las ruedas traseras, por lo que no se necesitan ejes de transmisión ni diferenciales.
En términos generales, la suspensión de un automóvil es el conjunto de palancas y elementos elásticamente deformables que, al constreñir las masas no suspendidas con las masas suspendidas, tiene la función de mantener la carrocería en suspensión de implementar una distribución predeterminada de las fuerzas variables -fuerzas persistentes en las ruedas tanto en la tracción como en las curvas y en la frenada- y reducir los choques transmitidos tras el paso del vehículo por la asperidad de la carretera. La suspensión, por tanto, incluye todas aquellas partes que conectan las ruedas con el chasis. En general, consta de tres partes principales: una parte estructural, una parte elástica y una parte de amortiguación (que en nuestro caso de estudio no se concentra en un solo elemento). La parte estructural es un conjunto de palancas que tiene la finalidad de guiar la suspensión y en consecuencia la rueda en su movimiento relativo al chasis.
En particular, el diseño elegido para la suspensión delantera, que es el foco de este trabajo, se muestra en la Figura 2. Consiste en una suspensión de brazo longitudinal, adecuada para carreteras largas y rectas, como las que se encuentran en las competiciones de más de 3.000 km, con una ballesta transversal que tiene también un papel antivuelco al estar unida a ambas ruedas delanteras.
La arquitectura de la suspensión comprende una biela cargada en tensión que une el brazo superior en forma de lambda (o brazo superior) a la ballesta. Básicamente, el vehículo está suspendido a esa biela que transfiere la carga al elemento lambda y luego, a través de un pilar, a la rueda.
Esta biela necesita ser muy pequeña para encajar en el esquema de suspensión, pero sobre todo, necesita tener juntas esféricas en sus extremos porque la cinemática del elemento lambda hace que el extremo superior de la biela se mueva en un círculo en el plano sagital, mientras que el extremo inferior se mueve en el plano transversal durante la deformación de la ballesta.
Siguiendo estas consideraciones, se investigaron y compararon diferentes posibilidades, incluyendo el uso de tiras de polietileno de ultra alto peso molecular (nombre comercial Dyneema o Spectra).
Las propiedades mecánicas de la fibra de UHMWPE a temperatura ambiente son bastante interesantes para el diseñador, en comparación con las soluciones basadas en metales o compuestos, y el uso de estas tiras poliméricas puede dar lugar a un componente mucho más ligero y compacto.
De hecho, con una densidad de 975 kg/m3, un hilo de Dyneema típico tiene un módulo elástico de 110 GPa y una resistencia a la tracción de 3400 MPa .
Hoy en día, estos materiales se encuentran en muchas aplicaciones deportivas que requieren ligereza y resistencia, como las velas parasol, las líneas de suspensión para parapentes o paracaídas, y en los aparejos utilizados en la vela de competición. También se utilizan en el tiro con arco o como líneas de pesca deportiva en forma de monofilamentos. Por último, se utilizan en la escalada, también por su resistencia a la abrasión. En cuanto a las aplicaciones industriales, las fibras de UHMWPE se utilizan para fabricar cuerdas y cordajes que se emplean en la industria petrolera y del gas y en la marina industrial. Además, su resistencia a la abrasión y a los productos químicos hace que estas cuerdas sean alternativas atractivas a los alambres y cables metálicos en entornos corrosivos.
Las fibras de UHMWPE también se utilizan como componente en velas de alto rendimiento, a menudo emparejadas con una fibra resistente a la fluencia, como el carbono o el Kevlar. El problema de la fluencia, es decir, la tendencia a tener una deformación creciente con el tiempo en presencia de una carga estática, se consideró por primera vez en el caso de las aplicaciones biomecánicas.
En general, hay que emplear procedimientos de diseño adicionales para garantizar la resistencia a la fluencia y al ratcheting.
El ratcheting se define como la acumulación progresiva de deformación plástica en materiales sometidos a cargas cíclicas controladas por tensión con una tensión media distinta de cero. Esta acumulación se produce a medida que aumenta el número de ciclos, lo que posiblemente conduzca al fallo.
Se puede encontrar un número muy limitado de referencias sobre la caracterización de fibras o tiras termoplásticas en cargas de fatiga por tracción.
Se dispone de algunos estudios de investigación sobre el comportamiento de trinquete del UHMWPE a granel bajo cargas uniaxiales o biaxiales, teniendo en cuenta también el efecto de los aditivos, en particular para las aplicaciones biomecánicas, pero, por lo que saben los autores, no hay estudios en la literatura científica sobre el comportamiento de trinquete de las fibras, hilos o tiras de UHMWPE.
2. Materiales y métodos
En esta sección se detallan los requisitos de las posibles soluciones de diseño, incluyendo las tiras de UHMWPE. Para este material, se muestra la caracterización del trinquete y se propone un procedimiento que permita su uso en el sistema de suspensión.
La varilla debe soportar una carga axial estática igual a la cuota del peso de los pasajeros y del coche que insiste en el eje específico. Además, está sometida a cargas dinámicas debidas a las oscilaciones verticales normales que se producen durante el movimiento del vehículo y, finalmente, a choques como consecuencia del impacto contra obstáculos.
En cuanto a la suspensión delantera, donde se encuentran las varillas, se evalúa que la carga estática por rueda individual es de 0,5 kN cuando el vehículo está sin carga y de 1 kN cuando el vehículo lleva cuatro pasajeros. La carga dinámica se considera un múltiplo de la estática, y se fija en 2 kN como máximo para la conducción normal (carga de trabajo) y en 5 kN como máximo en caso de choque (carga del peor caso). Todas estas fuerzas cargan las varillas exclusivamente en tracción.
Las especificaciones de las carreras negativas y positivas de la rueda se utilizaron para diseñar la ballesta y no son importantes para la elección de la varilla, siempre que sea significativamente más rígida que la ballesta.
En la figura 3 se muestra la cinemática de la suspensión, mediante las dos posiciones extremas en vistas lateral y frontal.
Una exigencia general para este elemento es que sea comercial y, en su caso, certificado para una carga específica. Esto excluía la posibilidad de utilizar un elemento de alambre de acero engarzado que hubiera sido muy eficaz, pero no están disponibles para cargas tan elevadas en dimensiones pequeñas (inferiores a 150 mm, todo incluido).
Diferentemente de la solución metálica, un componente polimérico debe ser evaluado en cuanto al comportamiento viscoplástico dependiente del tiempo que es lo que se describe en el siguiente apartado.
2.1. Evaluación en trinquete
En cuanto el peso del vehículo vacío sobre la suspensión delantera representa una fracción muy pequeña de la carga de rotura, debido a la inminencia de la primera carrera del vehículo solar, se decidió omitir una campaña de ensayos de fluencia que requería mucho tiempo y los componentes se ensayaron directamente en condiciones de trinquete.
Se realizó un ensayo cíclico controlado por carga en una máquina servohidráulica Instron 8033, equipada con una célula de carga de 25 kN. La frecuencia fue de 0,5 Hz y la relación de carga variable, pero manteniendo la carga mínima siempre en 1 kN (correspondiente a una cuota del peso del vehículo y los pasajeros en una sola rueda delantera). En la figura 4 se puede ver el sistema de carga de la muestra.
Se realizaron tres tipos de ensayos, todos ellos con carga cíclica sinusoidal, sobre tres probetas cada uno:(i)Ensayo escalonado hasta la rotura, en el que, manteniendo constante la carga mínima en 1 KN, se elevó la carga máxima a 2 kN cada 10 ciclos(ii)Ensayo cíclico entre 1 y 2 kN durante 10000 ciclos a 0.5 Hz, que es la condición normal de conducción durante la carrera (iii) Prueba cíclica entre 1 y 5 kN durante 10000 ciclos a 0,5 Hz, que es la peor condición a la que hay que enfrentarse en un número muy limitado de ocasiones (10-20) durante la carrera. A continuación, un período de reposo de 7 días a una carga constante de 1 kN. Después, en la misma varilla, un ensayo cíclico entre 1 y 2 kN durante 10000 ciclos a 0,5 Hz
3. Resultados y discusión
3.1. Diseño de varillas: Diseño convencional por varillas de aluminio y conexiones esféricas
La solución comercial obvia es una varilla de aluminio con dos conexiones esféricas, como puede verse en la figura 5, que se calcula según la norma ISO 12240-4 a partir del catálogo disponible, por ejemplo, en . La consideración de las cargas indicadas anteriormente conduce a un par de cabezas esféricas comerciales, elegidas entre los tipos indicados en la Tabla 1, unidas por un pilar de aluminio. La longitud mínima total () de la varilla pasa a ser de 78 a 108 mm y el peso total oscila entre 26 y 52 gramos más unos gramos del peso del pilar de aluminio.
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La rigidez de la varilla está dominada por la de la pieza de aluminio, pero no es un problema en cuanto es muy superior a la del muelle.
Por otro lado, en este caso, la longitud mínima está determinada por la geometría de la cabeza y también el diámetro de la cabeza de un lado puede ser demasiado grande para encajar en la ballesta, y del otro, el diámetro del pasador de conexión () está limitado a 6 mm debido al tamaño del agujero de la cabeza. Esto podría ser un problema en la conexión con el elemento lambda debido a las altas presiones de contacto en las láminas de CFRP.
3.2. Diseño no convencional mediante elementos poliméricos
Siguiendo estas consideraciones, se investigó la posibilidad de utilizar un elemento polimérico comercial. Se probaron cuerdas de kevlar de 12 mm de diámetro y con una resistencia nominal de 20 kN, pero el engarce presentaba los mismos problemas encontrados en el caso de los alambres metálicos y la realización de nudos conducía a una reducción brusca (y difícil de prever) de la resistencia nominal , eliminando así la ventaja del elemento comercial. En la figura 6, se muestra el efecto de los diferentes tipos de nudos en el comportamiento cuasiestático de la cuerda. Se observa que el apriete del nudo es responsable de enormes desplazamientos con una carga muy limitada. En ningún caso, la resistencia última se acerca a la nominal y tampoco la rigidez global es adecuada para la aplicación.
Finalmente, se identificó como posible solución una cinta cosida de Dyneema utilizada para el alpinismo y clasificada con la marca de certificación CE para 22 kN, mostrada en la figura 7.
En efecto, la longitud mínima es de 100 mm, el peso es de 6 gramos, la anchura es de 10 mm, y el diámetro de la cabeza es igual al diámetro del pasador más dos veces el espesor de la tira que es de 2 mm. Estas tiras pueden ser conectadas a la ballesta y al elemento superior de lambda por medio de pasadores de 12 mm, lo que conduce a una presión de contacto bastante baja en el compuesto.
3.3. Comportamiento de trinquete
En la figura 8, se muestra un resultado típico de la prueba de paso. Se observa un comportamiento de trinquete, más evidente en los primeros ciclos, correspondiente a las cargas más bajas. La carga de rotura es superior a la carga certificada y corresponde a un desplazamiento de 14 mm.
La figura 9 muestra el desplazamiento máximo, en rojo, y mínimo, en azul, correspondientes a la carga máxima (5 kN) y mínima (1 kN) dentro del ciclo, respectivamente.
Se puede observar que, tras un fuerte aumento en los primeros ciclos, el efecto de ratcheting tiende a disminuir.
En la figura 10 se muestran los resultados típicos de las tres pruebas (nótese que en este caso el número de ciclos está en escala logarítmica). Se puede apreciar el efecto estabilizador en las probetas cargadas de 1-2 kN de una carga previa de 1-5 kN. Así, las tiras precargadas parten de una longitud de 2,6 mm mayor que la comercial, pero el comportamiento de trinquete debido a la carga de servicio (1-2 kN) se reduce drásticamente. Esto puede explicarse a través de dos fenómenos diferentes que ocurren durante la carga entre 1 y 5 kN en dos escalas dimensionales diferentes. A nivel molecular, las largas cadenas de polietileno del cordón simple se alinean a lo largo de la dirección de la carga. Mientras que a nivel microscópico, las hebras de la trama y la urdimbre de la banda se compactan y se alinean a lo largo de la dirección de la carga, como se muestra en las micrografías electrónicas de barrido de la Figura 11, donde se comparan las bandas vírgenes y las formadas.
(a)
(b)
(a)
(b)
Los resultados muestran que es posible utilizar la varilla de UHMWPE, teniendo la precaución de entrenarla antes del montaje a una carga superior a la nominal, para registrar la suspensión con la longitud inicial adecuada.
El protocolo de entrenamiento sugerido es el siguiente:(i)verificar que la carga máxima en el peor de los casos es inferior a la carga nominal máxima dividida por un factor de seguridad adecuado (cuanto mayor sea el factor de seguridad, menor será el estiramiento de la banda en la fase de entrenamiento)(ii)aplicar la carga máxima en el peor de los casos durante un número de ciclos coherente con la duración de la misión del componente, a una frecuencia realista(iii)mantener la varilla estáticamente al nivel mínimo de la carga cíclica durante el mismo tiempo del entrenamiento cíclico(iv)medir la longitud de la varilla para adaptar el montaje
4. Conclusiones
Se mostró el diseño de una varilla para la suspensión de un vehículo ligero. El análisis de las posibles soluciones de diseño, es decir, una varilla metálica convencional con conexiones esféricas comerciales y un elemento polimérico UHMWPE comercial, mostró que este último era capaz de proporcionar algunas ventajas competitivas, en términos de peso y dimensiones reducidas.
Sin embargo, se comprobó que en este caso, el comportamiento de fluencia y trinquete podría ser un problema, debido a dos mecanismos principales: la alineación a nivel molecular de las largas cadenas de polietileno y la compactación y alineación en la dirección de la carga de los hilos de la trama y urdimbre de la tira a nivel microscópico.
Las pruebas mecánicas experimentales cíclicas adecuadas demostraron que, tras la aplicación de la carga de trabajo y del peor caso, el alargamiento de la varilla con una carga de 1 kN era de 2 y 3,2 mm, respectivamente.
Aplicando un protocolo de entrenamiento específico, se obtuvo una estabilización completa de la varilla con respecto al trinquete, con un ligero alargamiento, que hay que tener en cuenta, con respecto a los componentes no entrenados.
Las varillas de UHMWPE entrenadas fueron calificadas para la suspensión mediante los ensayos mencionados, tanto en lo que se refiere a la carga máxima como a la estabilidad dimensional, y fueron montadas de hecho en el Vehículo de Clase Crucero “Emilia 4” que ganó la edición 2018 del Desafío Solar Americano.
Disponibilidad de datos
Los datos experimentales utilizados para respaldar las conclusiones de este estudio están disponibles a petición del autor correspondiente.
Conflictos de intereses
Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Agradecimientos
Esta investigación ha contado con el apoyo de la Asociación de Coches Solares Onda Solare. Por último, un agradecimiento especial a Ana Pavlovic, Giacomo Baschetti y Davide Peghetti por sus contribuciones personales. Esta investigación ha sido financiada por el Ministerio italiano de Asuntos Exteriores y Cooperación Internacional (MAECI) a través de los Proyectos Conjuntos de Investigación de Especial Relevancia, con un proyecto denominado “Dos asientos para un coche solar” dentro del Programa Ejecutivo de Cooperación entre Italia y Serbia en el ámbito de la ciencia y la tecnología.