DISEO DE LA CARROCERA

DISEO DE LA CARROCERA1.Introduccin.

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 aerodinmica y la seguridad, encaminados a obtener un producto que ofrezca una potencia significativa basada en una notable economa de consumo armonizada con la imagen de la marca. Como ejemplo en un vehculo deportivo se sacrifica la habitabilidad a favor de la esttica y aerodinmica, en un monovolumen lo que prima es la habitabilidad interior pasando a segundo plano la aerodinmica.

Para intentar conseguir estos objetivos se recurre a diferentes estrategias:

Optimizar las tareas de organizacin de todos los departamentos implicados en la elaboracin del nuevo modelo que tienden hacia la unificacin de en diferentes grupos de trabajo (proyectos, mtodos y fabricacin) permitiendo detectar rpidamente cualquier problema presente.

Aplicacin de nuevos conceptos y nuevas tecnologas.

Reduccin de los plazos de puesta a punto de un nuevo modelo.

Capacidad de innovacin. La fuerza de una empresa resida en su capacidad para innovar mas rpidamente 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 vehculos suelen compartir plataformas de carrocera entre los modelos de la misma marca o grupo.

La idea de la seguridad se encuentra en un primer plano a la hora de disear una carrocera, que aparte de la esttica, se debe estudiar la deformabilidad de sus creaciones y en dotar los habitculos de una elevada estabilidad de forma.

Tradicionalmente, a la hora de establecer los gustos y modas se que condicionan la eleccin de un vehculo, pueden establecerse tres reas de poblacin que marcan las tendencias de la demanda mundial:

Zona europea.

Zona norteamericana.

Zona asitica.

En Europa suelen predominar los vehculos compactos (berlinas) de esttica discreta y colores sobrios, de cierto aire urbano adaptado plenamente a la circulacin por carretera. El precio del combustible y la no excesiva abundancia de espacios abiertos determina el tamao y la monitorizacin de un vehculo tpico.

En Norteamrica 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 tamao y elevada monitorizacin, los pickup y los todoterreno.

En la zona asitica (en especial Japn) prefieren los vehculos pequeos (especialmente todoterreno) de colores vivos, esttica vanguardista y un marcado carcter urbano condicionado por la escasez de suelo libre.

No obstante, en cada zona de influencia cada pas 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 econmicos, plazos, produccin, calidad y tcnicos. El periodo de desarrollos cuenta con las siguientes fases y medios:

De ejecucin de proyecto:

Estudios de viabilidad previa.

Estudios de viabilidad definitiva.

Ficheros de geometra 3D de piezas. Ficheros 2D de piezas.

Ficheros de planos 2D de conjuntos.

Pirmide grafica (despiece)

Realizacin base.

De verificacin del proyecto:

Anlisis modal de fallos y efectos.

Simulacin (estructural y de estampacin).

Taller piloto virtual.

Mtodos de operaciones de estampacin.

Estudios de tolerancias, sistemas de ensamblaje y estudios de referencias.

Construccin de prototipos.

Experimentacin.

Taller piloto de produccin.

Medios de verificacin de calidad.

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

Concepcin.

Diseo.

Creacin de maquetas.

Construccin de prototipos.

Pruebas.

Fabricacin.

Necesidades de fabricacin de la carrocera.

1.1.Concepcin.

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

A continuacin los diseadores determinan las dimensiones del vehculo (prestando especial atencin al interior del mismo). Para ello se divide el vehculo en tres zonas diferenciadas: zona motor, zona de ocupantes, zona maletero.

Para el clculo inicial de las medidas exteriores de la carrocera suele tenerse en cuenta:

Exigencias aerodinmicas.

Ergonoma del puesto de conduccin, concepcin de los asientos y del maletero.

Altura libre de la carrocera sobre el suelo.

Posicin y tamao del deposito de combustible. Tamao y disposicin de los paragolpes. Tipo de emplazamiento de los rganos mecnicos: motor, radiador, cambio...

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

Condiciones de visibilidad. Disposicin de los montantes, techo, capo, maletero, retrovisores, curvatura del parabrisas, barrido del limpiaparabrisas, etc. Funciones mecnicas. Deben poder bajarse los cristales laterales, apertura del capo y maletero, reglaje de luces, etc. Posibilidad de fabricacin y facilidad de reparacin.

Condiciones de seguridad. Establecimiento de un plan de deformacin programada, forma y disposicin de los refuerzos y paragolpes, eliminacin de aristas, etc.Una vez calculadas las medidas exteriores el ordenador proporciona una visin del vehculo (interior y exterior) y cada parte constituyente del mismo pudiendo introducir modificaciones que se estimen oportunas.

1.2. Diseo de la carrocera.

Una vez definido el vehculo se pasa a la fase de diseo, en la que se emplean medios altamente sofisticados. Mediante estos desarrollos informticos se sustituyen las maquetas fsicas por maquetas numricas a partir de parmetros geomtricos obtenidos en la fase de concepcin del vehculo con la ayuda de potentes ordenadores.

Como norma general un buen diseo debe reunir las siguientes caractersticas:

Resultar lo mas atractivo posible.

La transicin a la fase de fabricacin debe ser lo ms fcil posible.

Garantizar una alta funcionalidad y larga vida til.

El nmero de piezas constituyentes debe ser el mnimo 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 relacin calidad precio.

A travs de este mtodo el diseador puede ensayar diferentes soluciones tcnicas, simular el funcionamiento de cada pieza, introducir modificaciones, ensamblar piezas virtualmente e integrarlas en el sistema al cual van a pertenecer analizando su compatibilidad.

1.2.1. Clculos 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 mxima energa sacrificndose en defensa de los pasajeros.

Para determinar las caractersticas estticas, dinmicas y acsticas se recurre a la integracin de elementos finitos, lo cual se basa en la idea fundamental de descomponer cualquier cuerpo tridimensional en figuras geomtricas simples cuyos comportamientos elsticos son conocidos y fciles de formular matemticamente.

Habitualmente suele descomponerse en tringulos cuyos vrtices presentan coordenadas espaciales y que fruto de las tensiones aplicadas se desplazan en el espacio haciendo que los vrtices de los tringulos adyacentes se desplacen vuelvan a desplazarse y as hasta que la tensin producida en cadena se anula. Con ello es posible construir un modelo que represente fielmente as propiedades elsticas 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 pequeos a los cuales aplicar las ecuaciones de comportamiento elsticoresistente. Una vez realizado el mallado se aplica cargas exteriores en algunos de esos elementos y se estudia la deformacin.De este modo se puede analizar la deformacin macroscpica de la pieza, y los puntos de esfuerzo critico y, por tanto, susceptible a la rotura.

Para la integracin 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 tensin aplicada en un punto determinado obteniendo deformaciones, oscilaciones, distribuciones de las tensiones y trabajos de variacin de forma. Las ventajas de que ofrece la utilizacin del mtodo de los elementos finitos se centran fundamentalmente en los siguientes aspectos:

Posibilidad de determinar procesos de carga invisibles (transmisin 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 utilizacin de este mtodo son:

La exactitud depende del tipo de elemento, de su nmero y de su distribucin en la estructura.

Las variaciones entre el grueso de la chapa calculado y el real, una vez laminada y embutida, debido a la anisotropa de los distintos materiales.

Dificultad para estimar exactamente las uniones soldadas.

1.2.2. Clculo de la resistencia.

El estudio de calculo de estructuras consiste en calcular la relacin 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 unin.

Adems de las tensiones causadas por sistemas de sujecin y cargas suspendidas, que se calculan por el mtodo de los elementos finitos, hay ciertas piezas del vehculo como montantes, travesaos y paragolpes, que se encuentran sometidas frecuentemente a cargas de flexin o torsin. En estos casos resulta adecuado el empleo de programas de clculo de secciones.

1.2.3. Clculo 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 vehculo sin realizar pruebas sin haber destruido ningn prototipo.

En la realizacin de los crashtest virtuales se utilizan los modelos tridimensionales del vehculo, dividiendo la estructura portante de la carrocera 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 clculos simulados.

Si se aplica sobre una zona del vehculo virtual una fuerza dada se inicia una reaccin en cadena en la que cada rea se deforma segn los clculos anteriores y transmite fuerza a las que estn en contacto con ella. De esta forma es posible determinar cual ha sido la deformacin total del vehculo, que completadas con las pruebas reales, permiten validar las dimensiones y el comportamiento por separado de ciertos elementos de la carrocera como largueros, travesaos, etc.

1.3. Creacin de maquetas.

La siguiente fase consiste en dar volumen al dibujo. Se construyen maquetas de escayola o materiales sintticos primero a escala 1:5 y luego a tamao natural. En esta fase, el diseador 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 numricamente el diseo para establecer el plan de forma del primer prototipo. Cuando se acaba la fase de diseo los datos anteriormente plasmados en un plano digitalizado se transfieren en forma de ordenes de un ordenador a una fresadora automtica de cinco ejes que clona el modelo diseado sobre un bloque de material termoplstico 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 visin conjunta transparente del estilo exterior e interior del modelo y sufrirn los primeros test en el tnel de viento para confirmar los clculos efectuados sobre el papel.

1.4. Construccin de prototipos.

Los prototipos suelen montarse en instalaciones especificas para definir las matrices, los moldes y el utillaje del vehculo necesario para la construccin. Se analizan los detalles en profundidad prestndose especial atencin al control geomtrico de la carrocera.

Como resultado de todo el proceso se determina el proceso de estampacin ms idneos, ultiman los tiles de las prensas a la vez que se realizan los estudios de las tolerancias, referencias, sistemas de unin y se regulan los equipos de ensamblaje.

1.5. Pruebas.

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

Se realizan pruebas climticas sometiendo el prototipo a extremas condiciones de temperatura y tambin se comprueba la resistencia de la carrocera frente a la corrosin simulando diferentes climas.

Se verifica la emisin de gases y se analizan los materiales empleados pensando en su posterior reciclaje.

Tambin tienen lugar ensayos de golpes y la seguridad tanto activa como pasiva, se realizan ensayos de durabilidad de determinados componentes de la carrocera.

1.6. Fase de fabricacin de la carrocera.

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 continuacin se procede al recorte en cizallas automticas para ser introducidas en la cadena de embuticin. Cada recorte se introduce en un transfer que dispone de varias matrices en lnea 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 carrocera nicamente se cambian las matrices de las prensas, debido al gran tamao que estas ocupan y el coste de las mismas.

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

reas o lneas dedicadas a los elementos amovibles de la carrocera (puertas, capos, portones, etc.)

reas dedicadas a elementos integrantes de la carrocera (plataforma, paneles, laterales, etc.)

reas dedicadas a la conformacin y soldadura de la carrocera (basamento, techo, etc.)

reas de acabado donde se le aaden a la caja ya conformada los elementos separados y se finaliza el conjunto.La carrocera autoportante consta de cuerpos huecos de chapa y laminas que se unen en las instalaciones de soldadura continua o por puntos mltiples realizados por robots. La soldadura proporciona alta resistencia mecnica y buena transmisin 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 tambin se emplean otros mtodos:

Soldadura lser 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 de carga equivalentes. Los adhesivos estructurales mas utilizados son de naturaleza epoxi debido a su excelente resistencia y buenas propiedades mecnicas y de aplicacin.

Soldadura de latn, reduce los huecos de las chapas para aumentar la rigidez de la carrocera. Se realiza bajo atmsfera de gas protector.