08
sep
2016
TODO SOBRE NEUMÁTICOS I: SU ESTRUCTURA

Año tras año el reglamento técnico en la F1 se ha vuelto cada vez más restrictivo, sobre todo en aquellos apartados donde es más “sencillo” obtener ventaja sobre los rivales.

 La política de reducción limita la introducción de posibles innovaciones técnicas obligando a los equipos a concentrar su rendimiento en áreas muy concretas del coche. Invertir ingentes cantidades de dinero en el diseño de un monoplaza no sirve de nada si el elemento que une el coche al asfalto, las ruedas,  no son  capaces de suministrar toda la potencia creada al suelo. Conseguir que los neumáticos trabajen de una manera óptima se convierte en uno de los factores críticos a la hora de encontrar el ansiado rendimiento en un buen monoplaza.

Tanto es así que en la Fórmula 1 moderna una diferencia de  rendimiento de tan solo un dos por ciento te puede hacer pasar de la zona media de la parrilla a luchar por la  Pole de ahí la importancia de medir, comprender y optimizar tanto  la temperatura como el desgaste de los neumáticos; elementos claves para conseguir el éxito en automovilismo. 

Gestionar bien las ruedas se convierte un factor vital a la hora de ajustar el coche para cada carrera. La tarea no es nada fácil, como suele ocurrir en todo lo que está asociado a este deporte. Calentamiento, desgaste, granulación (graining), formación de ampollas (blistering), etc.  son algunas de las palabras del argot “formulero” más conocidas por los aficionados  y todas ellas tienen un factor en común: la temperatura de trabajo del neumático. 

Aprovechando el vuelco que dará la normativa técnica sobre neumáticos para la próxima temporada voy a iniciar una serie de entregas sobre el tema. Como la materia a tratar es amplia habrá que dividirlo en entregas para que sea ameno. 

La primera parada en el camino es obligatoria. Conocer la estructura interna de un neumático es fundamental para poder analizar posteriormente los efectos que sobre él se producen. Pues nada, abrocharos el cinturón que arrancamos.

Estructura de un neumático

Por muy sofisticado que parezcan, la estructura de un neumático de F1 es muy similar a los que montan habitualmente nuestros utilitarios.

 

La parte de la cubierta que se fija y ajusta a la llanta es el aro de talón. Esta pieza está formada por un cable de acero inextensible recubierto de caucho. La combinación de los dos materiales forman el talón y de él depende poder crear la estanqueidad o no. Su ajuste con la llanta es fundamental ya que  impide que el aire pueda salir por ese punto de unión y así evita las fugas. 

 

Sobre el aro del talón se van enrollando una serie de hilos (textiles o de acero) embutidos en goma que van formando la estructura interna del neumático. A esa estructura flexible se le llama carcasa y sirve de base para colocar el resto de lonas y capas de goma que conforman la  rueda. Sobre su parte interna se deposita una capa de caucho sintético para que la estructura sea estanca (impermeable  al aire), haciendo la función de cámara de aire.

Optimizar el diseño de la carcasa es vital para el rendimiento del neumático. Esta estructura debe soportar tanto la carga y como la velocidad que genera el coche; eso sí, con la inestimable ayuda de la presión del gas que se encuentre dentro de la rueda. Otras de sus funciones es crear estabilidad, mejorar el rendimiento,  confort y  eficiencia energética de la cubierta.

La zona baja del neumático, junto a los flancos juega un papel fundamental ya que es la encargada de transmitir el par motor (potencia del vehículo) cuando se acelera desde la llanta hacia la zona de contacto con el suelo. En las frenadas invertirá su función; impediría que la llanta gire para así poder detener el coche. 

 

El último elemento del lateral es el flanco. Es la zona comprendida entre la banda de rodadura y los talones. Su principal función consiste en absorber y soportar los golpes, especialmente contra las aceras. En la F1 no suele haber aceras pero sí pianos altos,  muros e incluso coches de los rivales. Está hecho de caucho flexible, y es con diferencia la parte que  soporta más presión y sufre más deformaciones durante el rodamiento. Además, en los flancos se suele grabar toda la información y marcajes del neumático. Su tamaño determina la altura de la cubierta. 

Llegamos por fin a la zona que nos interesa: la zona central del neumático. Sobre la carcasa se van añadiendo una serie de capas (lonas de cima) que van formando un cinturón que garantiza la resistencia mecánica del neumático tanto a la velocidad y como a la fuerza centrífuga. Las lonas se van superponiendo y pegando  unas sobre otras de forma radial, creando un cinturón de tejido entrecruzando que fortalecer la estructura. El cruce de sus hilos, forman un entramado de triángulos indeformables que se adherirse a la carcasa, garantizando la rigidez de la cima. El material empleado para fabricar los hilos de las lonas dependerá de las características que el fabricante quiera dar a la cubierta. Los más habituales es emplear cables metálicos (acero) y las fibras de kevlar o nomex. 

En términos de resistencia mecánica (resistencia a la torsión y a la tracción concretamente) el acero es el material elegido, de hecho se emplea para las ruedas de nuestros utilitarios pero en competición tienen un problema: con el calor se dilata, como le sucede a la mayoría de metales. Además tiene un grado de conductividad térmica elevado (conducen con mucha facilidad el calor), lo que provoca que la temperatura de la banda de rodadura suba rápidamente. Por el contrario el kevlar, como también le sucede al Nomex, presenta una baja conductividad térmica debido a que son polímeros sintéticos (un tipo de plástico). Los materiales plásticos no son buenos conductores del calor, incluso algunos se emplean como aislantes térmicos como es el caso de la baquelita, el plástico negro que recubre los mangos de las sartenes y ollas. Esta propiedad, junto a su dureza les hace ser ideales para crear carcasas de neumáticos. 

Los dos sistemas se  han empleado en la F1 con éxito en el pasado. La elección por parte del fabricante del material a emplear en la estructura interna marcará la línea a seguir en el diseño del coche ya que influirá de manera considerable en el comportamiento futuro del neumático de competición, llegando incluso a potenciar o disminuir los problemas según los casos. 

Un ejemplo. Imaginaros que tenemos un coche que por sus características técnicas le cueste mucho calentar las ruedas. Una estructura interna metálica le vendría genial para solucionarlo ya que alcanzaría la temperatura de trabajo antes a la vez que  mantendría el calor más tiempo en la banda de rodadura. En el lado contrario tenemos a un coche que destroza las ruedas por sobrecalentamiento. El Kevlar mitigaría los problemas ya que sería necesario más tiempo para alcanzar la temperatura óptica pero cuidado; efectivamente la rueda tarda más en calentarse pero tienen un problema, se enfrían muy rápido.  

En el pasado esta práctica de realizar modificaciones para corregir errores era habitual. Los fabricantes tenían vía libre para modificar sus ruedas las veces que hiciera falta suministrándolos a sus clientes preferentes a la carta ya que podían elegir sus propiedades a su antojo. Hoy en día eso no es posible y hay que modificar el diseño del coche para solucionar los problemas aunque se siguen dando casos curiosos.  

Para qué imaginarse ejemplos si la realidad lo supera. Viendo la deriva que llevaba la competición, la FIA pidió en el año 2013 a Pirelli que diseñara sus ruedas  de forma  que sufrieran una alta degradación y así mejorar el espectáculo. Para lograrlo,  “sugirió” el empleo de la estructura interna de acero. La medida parecía funcionar bien  y  degradación aumentó pero tras surgir una serie de reventones de ruedas la FIA cambió de parecer y se decantó por el uso del kevlar, más ligero y estable térmicamente para solucionar el problema, y de paso abrió las puertas de par en par  a Red Bull para dominar el resto de la temporada ¿Por qué? vamos a verlo.

 

En las primeras carreras del  año el RB9 mostraba signos que indicaban que era capaz de calentaba mejor que nadie los neumáticos. La estructura de acero ayudaba a conseguirlo pero tenían un problema: tardaban mucho en enfriarse. A una vuelta no había problemas, todo lo contrario. Esta cualidad te permite obtiene el máximo de rendimiento del compuesto de forma rápida pero a largo plazo la cosa se complica. La temperatura media del neumático durante su vida útil era demasiado elevada y eso afectaba a su rendimiento. La ecuación es simple: mayor número de vueltas a temperatura demasiado elevada = mayor degradación. Para mitigarlo los pilotos tenían que reducir el ritmo para evitar el sobrecalentamiento. Las quejas de sus pilotos no paraban de sonar carrera tras carrera. ¿Recordáis las críticas de Red Bull después de ver ganar a Alonso el Gp de España? Necesitó cuatro paradas para hacerlo. Mateschitz, el dueño del equipo consideró devaluada la competición y dijo que "la F1 ya no consiste en correr. Se trata de una competición de gestionar neumáticos. Las verdaderas carreras son diferentes. Bajo las circunstancias actuales, no podemos obtener lo mejor del coche ni de los pilotos".

Sus rivales, no eran capaces de calentar las ruedas con tanta facilidad pero sí mantener la temperatura de manera “óptima” durante más tiempo en carrera lo que facilitaba la tarea controlar la degradación,  exprimiendo el potencial del coche durante más vueltas. Pero llegó Silverstone para cambiarlo todo. 

La introducción del kevlar, un material que cuesta calentar y se enfría muy rápido trajo de cabeza a los equipos que mantenían equilibrada la temperatura de las ruadas durante la carrera ya que no lograban alcanzar su nivel óptimo de funcionamiento y ayudó de manera considerable a Reb Bull que solucionó de un plumazo gran parte de sus problemas. El resultado: 10 victorias de Vettel en 11 carreras que quedaban por disputar, nueve de ellas seguidas. ¿Veis la importancia? 

Por último llegamos a la capa más conocida por todos. La banda de rodadura es la parte del neumático que está en contacto con el suelo y está formada por una capa de goma que proporciona la adherencia (agarre, grip) tanto en suelo seco como en mojado. La adherencia se produce gracias a la fricción (rozamiento) que existe entre la superficie de la goma contra el suelo. El agarre no es un valor estable, depende de muchos factores como es la temperatura, la fuerza que ejerza el coche sobre las ruedas, el área de contacto, las condiciones del asfalto, etc. 

El compuesto que forma la banda de rodadura se crea mezclando caucho, un material blando y elástico con tres ingredientes fundamentales: carbón, sulfuro (azufre) y aceite, que en diferentes proporciones modificarán su dureza. La mezcla deseada se calienta para endurecer el caucho, proceso llamado vulcanización. Normalmente cuanto más aceite tenga un compuesto más blando será y más agarre creará aunque su durabilidad es menor. 

En la actualidad las posibilidades de elección son muy limitadas. Todos los equipos de F1 cuentan con una gama de cinco compuestos de seco que varían según su dureza y dos para mojado. 

La principal novedad para la temporada 2017 es el aumento de un 25% de la superficie de la banda de rodadura. Al aumentar la superficie de contacto con el suelo permitirá mejorar el agarre y por tanto los tiempos por vuelta serán más bajos. El neumático delantero que actualmente tiene 245 mm de anchura pasará a 304 mm y el trasero de 325 mm a 405 mm. Por tanto, las nuevas medidas de los neumáticos lisos serán 305/670-13 delante y 405/670-13 detrás -el diámetro total pasará de los actuales 660 mm a 670. El diámetro de las llantas seguirán siendo de 13 pulgadas, aunque Pirelli no descarta cambios en este aspecto en el futuro.

Como vemos, cualquier tipo de neumático, sean de calle o de competición son piezas de ingeniería muy complejas donde el empleo de los materiales marcan la diferencia. El neumático de un utilitario está hecho con un cinturón de capas radiales de acero recubierto de compuestos muy duros para  aumentar la durabilidad, por lo general superior a los 20.000 kilómetro de vida útil. En F1 la cosa cambia. Se construyen para ser muy resistentes y lo más ligero que sea posible pero rara vez superan los 200 kilómetros de vida. 

En este artículo hemos visto de forma general todos los elementos que forman estas piezas. Su conocimiento facilitará la tarea de análisis de todos los problemas que van asociado a su uso competitivo pero ¿alguna vez os habéis preguntado por qué se emplea el caucho y  sólo caucho en la fabricación de ruedas y no otro material? Yo tengo la respuesta pero os dejaré intrigados durante unos días. Si os adelanto que es tema  muy interesante y sorprendente, pero eso será otra historia.

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