LLANTAS EN UN F1: PARTE 1- FUNCIONES, FABRICACIÓN

 

Bueno amigos, hoy quiero darle un repaso a un elemento que tiene gran importancia a la hora de configurar un F1, las llantas. Tras la petición de un amigo del blog para que realizara un artículo sobre ellas me puse manos a la obra y lo primero que me di cuenta es que no hay prácticamente nada escrito sobre ellas.

Ha sido muy complicado encontrara datos sobre la pieza que hace de punto de conexión entre el neumático, la única parte del coche que hace contacto con la carretera, y el chasis. Será secretismo, será desconocimiento, pero las llantas realizan muchas funciones y de gran importancia. Voy a dividir el artículo en dos partes para que sea más asimilable y ameno. Hoy voy a tratar algunas nociones sobre su fabricación, la importancia de su ligereza y sus funciones. Arrancamos.

¿Qué funciones desempeñas las llantas?

Básicamente dos, una estructural y otra aerodinámica: 

1-Función estructural
Sin las llantas no se pueden acoplar los neumáticos al coche, ya que incluso si el caucho se moldeara para permitirlo, la consistencia del material no sería lo suficientemente dura en el tiempo para mantenerlo estable. Si los ingenieros insistieran y lo consiguieran, el peso y las reducidas prestaciones desaconsejarían su utilización. También hay otras causas que impedirían la utilización del caucho o similares, como sería la mala disipación del calor, pero lo veremos luego.
En el diseño de las ruedas de competición, el equilibrio entre la fuerza y el peso es absolutamente crítico. La llanta debe de ser ligera y a la vez estructuralmente muy estable ya que tiene que soportar enormes fuerzas sin deformarse, evitando así crear resistencias aerodinámicas no deseada. Como podéis imaginar, el elemento primordial a la hora de diseñar una llanta es darle la rigidez necesaria en función al agarre mecánico del coche, que como comprenderéis en un F1 es muy alto. ¿Qué quiere decir estos? Sencillo, no es lo mismo diseñar una llanta para un coche de calle que ejerce a las ruedas unos valores de agarre mucho más bajos que en un F1. Un ejemplo. Un F1 es capaz de acelerar de 0 a 300 km/h en apenas 12 segundos mientras un coche de gama alta como puede ser un Porsche,  lo hace en 40 seg. 
La rigidez es muy importante pero nunca dejan de lado la búsqueda intensiva de la ligereza. Demasiado pesado y el coche va a perder rendimiento, demasiado débil y existe el riesgo de un fallo estructural. Por tanto los fabricantes de llantas utilizan el ingenio para conseguir aumentar la rigidez un 1% y de paso eliminar todos los gramos posibles para bajar el peso y el diseño se hace tan especializado que los equipos utilizan distintos tipos de llantas dependiendo del circuito. Para evaluar correctamente cuál es el mejor diseño, los fabricantes utilizan datos de simulación de los circuitos y los relacionan con los datos de cargas suministrados por equipos.

2-Función aerodinámica.
Las llantas también tienen una importancia aerodinámica. Su función es evacuar lo más eficientemente posible el aire de la refrigeración de los frenos. Para ellos su estructura se diseña de tal manera que el flujo caliente pase a través de las aberturas que forman el interior de la rueda a la parte exterior. Por lo tanto, es importante tener la menor superficie lateral posible en los bordes de la rueda. Debido a que la zona de los frenos llaga a alcanzar temperaturas muy altas, el material que forma la llanta debe de tener una buena transferencia de calor y para poder disipar mejor el calor de los frenos. Imaginaros si la llanta fuera de caucho, saldría ardiendo o se derretiría el material.

La mayoría de equipos utilizan parte del calor radiante de los discos de frenos para conseguir una óptima temperatura de funcionamiento del neumático aunque es muy difícil conseguirlo.  Últimamente se han visto sellados  o incluso estructuras labradas situados en la parte interna de la llanta donde se sitúan los frenos con la intención de disminuir el flujo de aire caliente que llega a esa zona para disminuir la transferencia de calor a al neumático, en el primer caso o al contrario, aumentarlo como hace el segundo.

Estructura y fabricación.

Todas las llantas de competición son de aleaciones de magnesio. En si, el magnesio es un material que se puede partir “fácilmente” si se le somete a un esfuerzo pero al mezclarlo con otros metales y tratado térmicamente mejora sus propiedades mecánica convirtiéndolo en el más ligero de los metales estructurales disponible (peso específico 1,74 kg/cm3, un 35% menos que el aluminio), con una elevada relación resistencia-peso, alta resistencia al impacto y la vibración, no se alteran ni se dañan con la fricción superficial. Todas estas características  los hacen particularmente apropiado para la producción de ruedas de carreras. Debido a su bajo módulo de elasticidad, las aleaciones de magnesio pueden absorber energía elásticamente, es decir, pequeñas deformaciones. Esta característica le da la capacidad de aguantar un gran número de ciclos de tensiones relativamente bajas  originando una alta capacidad de amortiguamiento.  Antes había  total libertad en el diseño de la rueda. Ahora la FIA ordenan las aleaciones exactas que se pueden usar para la construcción de las ruedas de los coches de Fórmula Uno.
En cuanto a su técnica de fabricación comentar que ha evolucionado mucho en el tiempo. Es un material difícil de trabajar. En la actualidad se utiliza la forja para crearla.

Proceso de fabricación.
El inicio de una llanta parte de una barra de metal de 6 metros de largo  con un diámetro de 500 mm. Esta barra se extruye, hasta un diámetro de 300 mm para mejorar las características mecánicas y estructurales del metal. Después, esa barra se corta en discos que se calientan a una temperatura de 300 grados y se trataron con una prensa de aceite a presión, con una presión gradual de 3.000 toneladas. Otra rotativa imprimirá el producto semi terminado (también llamado "Formaggella, traducido literalmente por" pequeño queso fresco "debido a su forma), con una presión de 9.000 toneladas que se transmiten en 30 segundos a la forma cilíndrica de una rueda.

 
Esta pieza final, que todavía está cruda, tiene una fuerte tensión estructural causada por la extrusión y el forjado que han desplazado forzosamente las partículas de material. La tensión estructural es sinónimo de fragilidad, esa es la razón por la cual la pieza en bruto se puso posteriormente a través de un tratamiento térmico para restaurar las características mecánicas de la aleación, distribuyendo de manera uniforme en el producto semiacabado.
Posteriormente se utiliza un torno  que  muele el material sobrante para crear los radios. Para garantizar la calidad, todos los tipos de ruedas monobloque son forjadas en una sola pieza y están sujetas a rigurosos controles de calidad al final de cada etapa de la producción para garantizar la estabilidad.

Pero os preguntareis, ¿por qué es tan importante reducir el peso de las llantas? Hay muchas piezas en el coche que son susceptibles de ser aligeradas y no se pone tanto énfasis en eso. Pues muy sencillo, la disminución del peso es vital para un mejor rendimiento. Veámoslo.

El peso es fundamental.

Considero interesante ver como afecta al comportamiento del coche, su frenada, agarre en curvas, agilidad… el incrementar o disminuir peso en su masa NO suspendida. ¿Pero qué es eso? ¿No estamos hablando de llantas? Bien, imaginaros un coche de competición aunque los nuestros de calle también sirven. Por un lado tenemos el chasis, motor, el piloto… que forman un conjunto de elementos que tiene una masa determinada y que están soportados por las suspensiones. A todo esto los entendidos en la materia le llaman masa suspendida.
Por otro lado tenemos la masa no suspendida, que está constituida por la masa de la amortiguación, ruedas y otros componentes directamente conectados a ellos, como rodamientos, neumáticos, muelles de amortiguación  y los frenos del vehículo si están incluidos fuera del chasis.
Con este esquema lo entenderéis facilmente.

Los cuerpos que se encuentran en rotación como las ruedas  son mucho más sensibles a los aumentos de masa. De hecho, hay una regla que dice que sumarle a las ruedas 4kg de peso equivale a sumarle 16kg al coche, 4 veces más. Este efecto se debe a una fuerza  llamada  inercia rotacional de un cuerpo y de su magnitud, el momento de inercia. Son elementos físicos complejos que no voy a entrar a analizar en profundidad pero para que tengáis una idea, la masa es la resistencia que presenta un cuerpo a ser acelerado en traslación, es decir, en línea recta, el Momento de Inercia es la resistencia que presenta un cuerpo a ser acelerado en rotación. Esto quiere decir que para hacer girar una rueda hay que aplicarle un par de fuerzas, y cuanto mayor sea el momento de inercia, más costará acelerarla. Lo curioso del momento de inercia es que depende no sólo de la masa de la rueda, sino también de su tamaño. Por tanto, para determinar su valor,  sólo hay que conocer la geometría del cuerpo y de la posición del eje de giro y no afectará para nada las fuerzas que intervienen en el movimiento. Como la rueda de un F1 tiene una medida estándar para todos, la manera de poder disminuir los valores de la inercia es variando la masa. Crear una llanta más ligera reduce notablemente el volumen de la rotación y de las masas no suspendidas mientras  aumenta notablemente  la estabilidad de las ruedas y la capacidad de soporte de carga.
 Los baches y las imperfecciones de la superficie de la carretera generan compresión en el neumático generando fuerzas que actúan sobre la masa no suspendida. Ésta responde a dicha fuerza con un movimiento propio, inversamente proporcional a su peso. Así, una rueda ligera actúa más rápido que una pesada frente a un bache, y tendrá más agarre al circular sobre esa superficie. Por esa razón, las ruedas ligeras se suelen utilizar en aplicaciones de alto rendimiento. En contraste, una rueda pesada que se mueva menos y más lentamente no absorbe tantas vibraciones y las irregularidades del asfalto se transfieren a la cabina, deteriorando así la comodidad.
Se que es un poco lioso pero tiene gran importancia ya que esto reduce significativamente el peso relativo del coche considerablemente. Si un fabricante consigue hacer una llanta 200gr más ligera, cuando gira produciría una inercia que equivaldría a 800gr en el peso de la masa suspendida. Como el coche tiene 4 ruedas, el montante final sería de más de tres kilos, casi una décima por vuelta en algunos circuitos que producirían 5 segundos de mejora en una carrera de 50 vueltas. Por eso en  F1 los ingenieros luchan para disminuir el peso no suspendido con sofisticados materiales que son muy ligeros y resistentes  y sobre todo muy caros. La parte más pesada del peso no suspendido son los neumáticos, pero con las reglas actuales no se puede hacer mucho al respecto. Segunda parte más pesada es la llanta de la rueda, y la lucha entre los proveedores es en ese detalle.
La rivalidad entre los fabricantes de ruedas de este deporte es tan feroz como la que existe entre los proveedores de motores. Bueno, hasta aquí el artículo de hoy, próxima cita, la inserción con el neumático y más cosas interesantes, pero eso será otra historia.