Diseño

El diseño de remolques con frecuencia es el resultado de la experiencia y los conocimientos adquiridos durante años por las empresas fabricantes, y por el saber hacer de los usuarios finales. Por lo general, las buenas soluciones también se aplican a los vehículos ligeros fabricados con aceros de alta resistencia. Sin embargo, el acero avanzado de alta resistencia, (AHSS), permite nuevas soluciones, e incluso puede requerir de cambios en el diseño para extraer todo el potencial de mejora que posibilita su mayor resistencia.

Un chasis normal de un remolque consiste en dos largueros principales fabricados con perfiles laminados en caliente estandarizados, o vigas en I soldadas, y varios travesaños. Para los travesaños se pueden utilizar perfiles abiertos, tubos o perfiles de sección cuadrada. Dependiendo del tipo de remolque, se pueden fijar al chasis componentes del suelo y diferentes perfiles de soporte. La parte del “king pin” generalmente consiste en una placa con perfiles de refuerzo.

El potencial que presenta la mejora del chasis utilizando AHSS no se limita a una mayor capacidad de carga estática, sino que también se puede obtener una notable reducción de la fatiga del material y un mejor comportamiento en conducción debido a la mayor rigidez. Por lo tanto, encontrar una solución con una capacidad de carga adecuada para el diseño existente sirve como un buen punto de partida, pero para tener un vehículo con un rendimiento adecuado o mejorado, es esencial abordar también los otros aspectos técnicos. Es importante tener en cuenta que un mal diseño o una mala calidad de fabricación reducen el potencial de la mejora.

Para un chasis de remolque fabricado con acero dulce, el caso de carga de dimensionamiento suele ser la capacidad de carga con respecto a las deformaciones permanentes. En cambio, en un chasis de remolque aligerado donde se ha reducido el espesor y se ha aumentado el nivel de tensión de trabajo, la capacidad de carga y la vida de servicio están limitadas por la fatiga, las deformaciones elásticas y la rigidez.

Remolques sometidos a diferentes situaciones de carga durante el servicio.

Para lograr una actualización exitosa, es importante tener en cuenta todas las situaciones de carga,
a) fatiga con ciclos de carga frecuentes y bajos esfuerzos,
b) deformaciones elásticas durante el funcionamiento,
c) capacidad de carga; sin deformaciones permanentes con carga máxima,
d) estabilidad durante el funcionamiento.

Strenx^® 700 MC se utiliza habitualmente en soluciones ligeras para chasis de remolques. La actualización de un chasis de remolque de una calidad 350 con Strenx^® 700 MC suele generar una reducción de peso de aproximadamente el 30 % en las piezas estructurales del chasis, pero dependiendo del diseño del chasis, el potencial de reducción de peso puede ser mayor, incluso de hasta el 50 %. A modo de ejemplo, se ha calculado la posible reducción de peso de una viga principal de remolque existente de 13,75 metros de largo fabricada con una calidad de acero 350 mediante la introducción de Strenx^® 700 MC. Se ha determinado la capacidad de carga del diseño existente y se sugiere una alternativa adecuada en Strenx^® 700 MC.

El peso total de los miembros principales originales fabricados con acero convencional es de 1085 kg y el peso total de la alternativa actualizada con Strenx^® 700 MC es de 704 kg. Esto supone una reducción de peso de 381 kg o 35,2 %. Estos resultados deben considerarse solo como un ejemplo. Dependiendo del tipo de vehículo, de los requisitos específicos y de los detalles del diseño, el potencial de mejora puede ser menor o mayor que el ejemplo anterior. Los cálculos solo tienen en cuenta la capacidad de carga estática, aunque sirven como un buen punto de partida en el desarrollo de un diseño de chasis aligerado.

Para las vigas principales de un chasis de remolque de diseño convencional, existen algunas limitaciones a la hora de utilizar una mayor resistencia que Strenx^® 700 MC para la resistencia estructural. Para poder aprovechar verdaderamente la mayor resistencia es necesario explorar otros conceptos de chasis. Sin embargo, para determinados remolques especiales, las calidades superiores como Strenx^® 960 pueden ser una elección adecuada. Para bridas o perfiles sujetos a desgaste o abolladuras, como el parachoques trasero y el mamparo, se puede utilizar un acero de mayor resistencia como Strenx^® 1100 o un acero resistente al desgaste como Hardox ® 450. Para otras partes del chasis, como los largueros del piso, los aceros laminados en frío como ^Docol ® 1000 DP y ^Docol ® 1200 M ofrecen grandes oportunidades para una reducción significativa del peso. Estas piezas se pueden fabricar mediante plegado y, para series mayores, por laminación y estampación.

Descripción general de las propiedades transversales y el potencial de reducción de peso de una viga principal convencional a) y alternativas ligeras mejoradas b) y c) en Strenx^® 700 MC.

Con frecuencia se señpatín la resistencia al plegado en la dirección vertical como un aspecto crítico para remolques mejorados y aligerados fabricados con acero de alta resistencia. En algunos mercados, la flexión está limitada por las normas de altura al suelo, pero en la mayoría de los casos, los límites a la flexión son una cuestión de funcionalidad. Es decir, la flexión debe ser suficientemente controlada como para, por ejemplo, no provocar el bloqueo de las puertas y por supuesto garantizar que queda suficiente espacio entre la cabeza tractora y el remolque en el área de la quinta rueda, incluso bajo carga. Para algunos remolques especiales, como las góndolas rebajadas, los requisitos de flexión pueden limitar la elección de material.

Como todas las calidades de aceros tienen el mismo módulo de Young, la resistencia al plegado viene dictada por la geometría. Es decir, al reducir el espesor como consecuencia del empleo de AHSS, la resistencia a la flexión también se reduce si no se varía la geometría de los perfiles. Para el chasis de un remolque, la resistencia a la flexión en la dirección vertical viene dictada por la geometría de los largueros. Cuando la flexión supone un problema, la resistencia a la flexión puede mejorarse aumentando la altura de las secciones transversales.

Aumentar la altura de los largueros es el modo más eficiente de aumentar la resistencia a la flexión. Sin embargo, en áreas donde la altura de la viga está restringida, la rigidez a la flexión puede mejorarse aumentando la anchura de la brida. Esta medida también se puede tomar en áreas críticas para reducir el nivel de tensión de trabajo y mejorar la rigidez en la dirección lateral de los perfiles. Mediante técnicas modernas de fabricación, el ancho del patín se puede ajustar a lo largo de la viga en función de la distribución de la carga. Aunque, dado que el grosor de la brida se reduce, la anchura solo se puede aumentar hasta cierto grado, de lo contrario la brida del lado comprimido será demasiado delgada y puede producirse un abolladura local, lo que limitará el uso del material de la brida. Por otro lado, si el larguero previsto en el diseño original ya es muy alto, el pandeo del alma debido al esfuerzo cortante puede reducir la posibilidad de aumentar la altura y reducir el espesor. La inestabilidad y los métodos de cálculo se describen con más detalle en el Manual de chapas de acero de SSAB.

Se puede introducir un ancho de ala variable para mejorar la resistencia a la flexión y la rigidez a la flexión en zonas críticas.

La estabilidad estructural del vehículo al circular por carretera o, para remolques de caja basculante en una situación de descarga, depende de diferentes factores, siendo un componente la rigidez a la torsión del chasis. Esto debe tenerse en cuenta durante la mejora del diseño del chasis para remolques de caja basculante y otros remolques donde existan cargas de torsión importantes. La rigidez a la torsión de un chasis viene dictada por el diseño y la posición de los miembros transversales y por la presencia de arriostrados. La reducción del espesor del alma en los largueros del chasis tendrá un efecto muy limitado sobre la rigidez a la torsión del chasis, mientras que reducir el espesor de los travesaños afectará de forma importante a dicha característica. Para evitar problemas de estabilidad, se pueden realizar modificaciones constructivas para conseguir una rigidez a la torsión igual o incluso mejorada en comparación con la construcción original.

Mediante la introducción de perfiles con secciones transversales cerradas para los travesaños se mejora considerablemente la rigidez a la torsión. Pero para alcanzar el nivel óptimo de utilización de material, la posición de dichos travesaños es igual de importante. La redistribución o el añadido de uno o dos miembros transversales adicionales influye en la rigidez a la torsión total. Como recomendación general, los travesaños deben situarse en la parte posterior del chasis. Sin embargo, este desplazamiento se ha exagerado muchas veces en la práctica y, mediante el desplazamiento de los travesaños hacia delante o la introducción de un travesaño adicional en una región estratégica de la parte frontal, mejorará significativamente el comportamiento general. Esto es debido al hecho de que una pequeña rotación en la parte frontal tiene como resultado un importante desplazamiento en la parte posterior. Por tanto un aumento de la rigidez a la torsión en la parte frontal puede mejorar el comportamiento a la torsión.

Otra medida efectiva es introducir arriostrados. Para obtener una utilización de material óptima del arriostrado, es importante diseñarlo de modo que solo una barra soporte carga de tracción y se permita el pandeo de la otra. Por lo tanto, las barras deben ser delgadas y no soldadas entre sí en el centro. Para ilustrar el efecto de estas medidas se realiza una comparación del ángulo de torsión correspondiente a un momento de torsión aplicado en la parte posterior de un chasis de caja basculante común. Los resultados de los cálculos representan un caso particular, pero ilustran claramente el efecto de estas medidas en la rigidez a la torsión del chasis. En todos los casos calculados, la masa total de los travesaños ha sido constante. Es decir, en el caso en el que se han utilizado travesaños cerrados, el espesor del perfil se ha reducido. Los resultados muestran que al reducir el espesor del alma se obtiene una rigidez a la torsión ligeramente menor en comparación con el diseño original, mientras que introducir travesaños cerrados o un arriostrado doble proporciona una importante mejora de la rigidez.

Comparación de la rigidez a la torsión de un chasis de remolque con travesaños de sección abierta con soluciones con perfiles y travesaños cerrados.

Todos los remolques sufren cargas de fatiga durante la conducción y durante la carga. El historial de cargas que determina la vida del chasis de un remolque consiste en el conjunto de todas las cargas de diferentes valores y magnitudes. La apariencia del historial de carga de un remolque varía en función del tipo de remolque, las condiciones de la carretera y la situación de la carga. Al mejorar el chasis tradicional de un remolque con AHSS, el espesor de las piezas estructurales generalmente se reduce. Reducir el espesor de los elementos tendrá como resultado un mayor nivel de tensión en el chasis completo. Un material más resistente aporta también una mayor resistencia a la fatiga del material base. Para uniones soldadas, sin embargo, esta mejora es limitada debido a la concentración de tensiones y a las imperfecciones introducidas en las juntas soldadas. Por lo tanto, la vida en cuanto a fatiga de las uniones soldadas es más una cuestión de diseño y fabricación que de material elegido. Utilizando el mismo diseño y calidad, se acaba por reducir la resistencia de unión soldada a la fatiga del chasis.

Resistencia a la fatiga

La resistencia a la fatiga de un material se puede ilustrar con curvas S/N creadas a partir de ensayos de fatiga con un historial de carga de amplitud constante. Es decir, una muestra se somete al mismo ciclo de carga de forma repetida hasta que se produce el fallo. Tras la prueba de varias muestras a diferentes niveles de carga, se puede dibujar una curva S/N. En la parte superior izquierda de las curvas del gráfico, la resistencia a la fatiga se rige por las propiedades estáticas del material. En la parte inferior derecha del gráfico, la resistencia a la fatiga se rige por las discontinuidades en la muestra. Las discontinuidades son, por ejemplo, la textura superficial de la lámina, los bordes de corte, orificios, muescas y soldaduras. Están mencionadas aquí de mayor a menor resistencia a la fatiga.

Curvas S/N de muestras de chapa laminada, con orificio perforado y junta soldada.

¿Por qué son las uniones soldadas zonas críticas?

Las uniones soldadas tienen una resistencia a la fatiga menor en comparación con el material base, debido a la geometría aguda de la junta soldada y a las tensiones residuales introducidas por el calor durante el proceso de soldadura. Habitualmente se atribuye la disminución de la resistencia a la fatiga en las soldaduras a las características microestructurales, las zonas afectadas por el calor y la dureza, pero la causa principal del debilitamiento de la junta soldada son los defectos y la concentración local de tensiones. Todos los métodos de post tratamiento de las juntas soldadas tienen como objeto la reducción de la tensión residual y la mejora de la geometría. Para recuperar una buena resistencia a la fatiga, es importante tener un radio de transición y un ángulo suaves en la punta de la soldadura.

Geometría de punta de soldadura afilada y lisa.

Posiciones del comienzo y final de l cordón de soldadura

Las posiciones de comienzo y final del cordón son las partes más críticas de la soldadura en cuanto a la fatiga. Como el proceso de soldadura no es continuo, el riesgo de generar defectos e inclusiones en estas posiciones es mayor. Por lo tanto, debido a su menor longitud, las soldaduras por punteo tienen menor resistencia a la fatiga que las soldaduras continuas. Las soldaduras por punteo de vigas longitudinales deben evitarse en la medida de lo posible y hacerse solamente en zonas de poca tensión. La soldadura entre el reborde superior y el alma es menos problemática en términos de fatiga y se puede ejecutar por punteo, ya que esta parte está sometida principalmente a tensiones de compresión. Como norma general, es importante diseñar uniones soldadas de forma que permitan que las posiciones de comienzo y de final de la soldadura estén situadas en zonas de poca tensión. En algunos casos, el diseño de cola de pez podría utilizarse para alejar las posiciones de inicio y parada de la zona más sometida a tensión, como en el extremo de una chapa de refuerzo.

Se puede introducir un diseño de cola de pez para alejar las posiciones de inicio y parada de una soldadura de un área de alta tensión.

Carga de fatiga transversal frente a longitudinal de una soldadura

Las discontinuidades en una junta soldada están orientadas en la dirección de la soldadura y siguen la raíz y el borde de la soldadura. Si las discontinuidades son paralelas a la dirección de la tensión principal, tendrán una menor influencia en la resistencia a la fatiga de la junta soldada. Por el contrario, si las tensiones son transversales a la dirección de la junta soldada, la resistencia a la fatiga de la junta soldada será muy baja. Por ejemplo, la vida de fatiga de un soporte de fijación soldado a la brida inferior tiene menos del 5 % de la vida de fatiga de la soldadura entre el alma y la brida.

Historial de carga

El historial de carga de los remolques es irregular y aleatorio por naturaleza, y el número total de ciclos de carga durante su vida está entre 108 y 109. Incluso si la mayoría de los ciclos de carga son de pequeña magnitud, combinarlos con cargas mayores los hace potencialmente críticos para la fatiga. Se podría decir que las grandes cargas inician las fisuras y las pequeñas cargas las propagan. A consecuencia de estos efectos combinados, el límite de fatiga determinado para cargas de amplitud constante apenas importa en aplicaciones de remolques. La única excepción es cuando todas las cargas en el historial completo son menores que el límite de fatiga. Por lo tanto, en zonas de alta tensión es importante que las juntas soldadas tengan una buena resistencia a la fatiga, como la de las juntas soldadas en la dirección longitudinal de la carga. Las soldaduras con menor resistencia a la fatiga deben colocarse en zonas de baja tensión, por ejemplo: cerca de la capa neutra del alma de las vigas principales.

Como ejemplo, se puede realizar una comparación de un diseño alternativo de una pestaña de sujeción soldada a una viga sometida a flexión en la dirección vertical. Cuando se carga a flexión, la tensión máxima se localiza en las alas de la viga y pasa de compresión a tensión de un lado a otro de la fibra neutra. En el diseño superior (a), la escuadra de fijación se suelda cerca de las bridas con las posiciones de inicio y de parada de la soldadura situadas en la zona más sometida a tensión de la sección transversal de la viga. En la configuración inferior (b) se ha rediseñado la escuadra de fijación para que se suelde más cerca de la capa neutra. Esto tiene como resultado una reducción del 50 % del nivel de tensión en la unión soldada. Dicha reducción del nivel de tensión hace que la vida a fatiga sea 8 veces mayor en comparación con el diseño anterior.

Al rediseñar las juntas soldadas para colocarlas en zonas de baja tensión, se mejorará la vida de fatiga.

Para remolques en los que el chasis esté sometido a carga de torsión, por ejemplo remolques con basculante y remolques para madera, se recomienda encarecidamente utilizar perfiles de sección cerrada para los travesaños. En la mayoría de los casos, esta solución permite que se puedan soldar los miembros transversales directamente al alma sin ningún refuerzo adicional. Para aumentar la rigidez y reducir el nivel de tensión en esta zona, se puede integrar un refuerzo de alma en la fijación del travesaño para vehículos pesados.

Los perfiles con secciones transversales abiertas se pueden utilizar en remolques en los que los travesaños están sometidos principalmente a flexión, por ejemplo, cortinas laterales, portacontenedores y furgonetas. Es posible cortar aberturas para cada perfil en el alma, y los perfiles se pueden soldar a la placa del alma del larguero. Sin embargo, es importante mencionar, aunque se repita, que no se recomienda utilizar perfiles con travesaños de sección abierta en chasis que estén sometidos a cargas de torsión.

Otra solución es utilizar una base de soporte para distribuir las tensiones a lo largo de un área mayor. La base de soporte se puede soldar, remachar o atornillar al alma del larguero.

Diferentes tipos de fijación de travesaños. El tipo de travesaños a utilizar y el diseño de la sujeción a los largueros dependen del tipo de remolque. Para remolques sometidos a cargas de torsión considerables se recomiendan perfiles de travesaño cerrados. Para vehículos pesados, es beneficioso combinar dicho perfil con un refuerzo de alma en forma de U soldado a las bridas y a la alma (a). La unión por soldadura de travesaños de perfil en C que atraviesen el larguero puede limitarse al alma. b). Los travesaños también se pueden atornillar o remachar a las vigas principales.