Referencia

Introducción

En vehículos de carga ligera y pesada es común el uso de llantas en arreglo dual en los ejes de carga y tracción. El arreglo dual consiste en colocar dos llantas de dimensiones similares a cada lado del eje para brindar un mejor soporte de la carga y una mayor área de contacto con el piso, tanto para efectos de tracción como de frenado.

El uso del dual de llantas en vehículos de carretera se introdujo a principios del siglo XX, sustituyendo las llantas sencillas en el eje motriz o de carga, [1].Con el arreglo dual de llantas se incrementó la capacidad de carga de los vehículos, lo que dio lugar a que se transportaran mayores volúmenes de carga por viaje.

La aplicación de un dual parte de la suposición de que se tendrá una distribución uniforme de la carga entre las dos llantas que lo componen y, por tanto, una transmisión de la misma a la superficie de contacto resultante con el piso. Además, se supone que ambas llantas poseen propiedades mecánicas similares y están sujetas a idénticas condiciones de operación. Como base de la transmisión de la carga al pavimento, se supone que la presión de contacto con el pavimento es similar a la presión de inflado de la llanta.

No obstante, en los vehículos en tránsito sobre las carreteras es común observar que un dual posea llantas de distinto fabricante o modelo, con diferencias en tamaño y estado de desgaste. Además, debido a las dificultades para inflar la llanta interior en el dual debido a la configuración del ensamble, es posible encontrar diferencias en la presión de inflado de una y otra llanta. Estas presiones diferentes producen comportamientos distintos en el vehículo, así como una distribución no uniforme de la presión de contacto entre llanta y pavimento.

Con el propósito de determinar el efecto de la carga y la presión de inflado en la distribución de la fuerza transmitida al pavimento, en esta nota se presenta parte de un desarrollo experimental en laboratorio. Esta parte corresponde al estudio de la proporción de la carga soportada por cada llanta de construcción diagonal para servicio de carga ligera, en base a un arreglo dual, cuando se inflan a distinta presión.

Llantas de prueba

Básicamente, existen dos tipos constructivos de llantas denominados bias-ply (diagonal) y radial, cuya diferencia principal estriba en la orientación de las capas que conforman la carcasa de la llanta. Las llantas bias-ply fueron por mucho tiempo las únicas utilizadas y siguen utilizándose en la actualidad. Las llantas radiales iniciaron su uso en automóviles a mitad del siglo XX, pero aún no han sido completamente aceptadas para su empleo en vehículos de carga, donde las bias-ply siguen jugando un papel importante, [2].

Las llantas utilizadas en el estudio fueron de construcción bias-ply, con denominación técnica LT225/95-17, montadas en arreglo dual en el eje de tracción y carga de un vehículo de carga ligera. Otras especificaciones de las llantas fueron las siguientes:

Capacidad de carga máxima en configuración sencilla: 1270 kg a 520 kPa (aprox. 75 psi) de presión de inflado

Capacidad de carga máxima en configuración dual: 1145 kg (estimado como el 90% de la máxima carga como sencilla)

Presión de trabajo recomendada por uso en el vehículo de prueba: 480 kPa (70 psi)

Clasificación de carga: 8 capas

Ancho (medido): 16,0 cm

Diámetro (medido): 86,0 cm

Las llantas utilizadas y su montaje en el eje tractivo del vehículo se muestran en la Figura 1.

Figura 1

Arreglo dual de llantas en eje de tracción

Presiones de inflado

Las presiones de inflado de las llantas, para dos condiciones de carga soportada por el dual, fueron las indicadas en la Tabla 1.

Tabla 1

Combinaciones de presión de inflado en llantas Interna – Externa del arreglo dual

El 90% de carga corresponde aproximadamente al peso producido por 2100 kg de masa soportada por el dual, mientras que el 110% al producido por una masa soportada de 2500 kg.

Pruebas

La carga, constituida por tabiques de construcción, fue acondicionada en el compartimiento de carga del vehículo, de manera tal que produjera el peso requerido soportado por el dual de prueba. El peso fue verificado colocando el vehículo sobre un sistema de pesaje dinámico con capacidad de realizar pesaje estático.

Posteriormente, el dual de prueba se colocó sobre un dispositivo de medición diseñado para determinar la distribución de la fuerza transmitida entre llanta y piso, como se muestra en la Figura 2, [3].

Figura 2

Aspectos del desarrollo de las pruebas

El dispositivo de medición, instrumentado con galgas extensométricas, fue conectado a un sistema de adquisición y registro de datos, los cuales fueron almacenados en medios magnéticos.

Una vez ubicado el dual sobre el dispositivo de medición, el eje de carga fue levantado por medio de un gato hidráulico mientras se establecía la combinación de presiones de inflado de las llantas. Los datos registrados fueron posteriormente procesados para determinar la proporción de la carga soportada a lo ancho de la zona de contacto, así como la soportada por cada llanta en el dual.

Resultados

En la Figura 3 se presenta gráficamente la distribución de la carga a lo ancho de la zona de contacto para las llantas en el dual. Los indicadores de los trazos corresponden a las combinaciones de las presiones de inflado llanta interna – llanta externa. Los puntos sobre los indicadores R1 a R5 corresponden a la llanta interna, mientras que R6 a R10 lo son a la externa.

Figura 3

Distribución de la carga en el ancho de la zona de contacto de las llantas en el dual

La proporción de la carga soportada por cada llanta en el dual, para las condiciones de carga consideradas, se indican en la Tabla 2. “I” se refiere a la llanta interna y “E” a la externa.

Los gráficos muestran que, para el tipo de llanta bajo pruebas, no se presenta uniformidad a lo ancho de las llantas en el dual. Muestran también que se presentan zonas de concentración de la carga, comúnmente en el centro de la llanta interna y en los bordes de la externa. Estos puntos sugieren, por tanto, que se pueden generan zonas de concentración de esfuerzo localizados sobre la superficie del piso.

Respecto a la proporción de la carga soportada por cada llanta en el dual, los valores en la tabla indican que para cada combinación de presión equivalente entre interna y externa, la llanta interna está expuesta a soportar mayor carga proporcional que la externa. Esto se puede ilustrar para el caso de las máximas diferencias de presión con carga al 90%, en el que la interna soporta el 72,8% contra el 71,9% de la externa cuando son infladas a 480 kPa, indicadas en gris en la tabla. Un comportamiento similar se presenta para el caso de carga de 110%.

Tabla 2

Carga transmitida [%] por llanta en el dual a diferente presión de inflado [kPa]

Valores máximos resaltados en gris

Por otro lado, el 72,8% de la carga soportada por la llanta interna para el 90% de carga soportada por el dual, equivale a que la llanta esté soportando aproximadamente el 130% de su carga de trabajo nominal. Cuando se soporta mayor carga por el dual (110%), a la mayor diferencia de presión entre las llantas interna y externa (480-345), el 58% de carga proporcional en la interna implica que haya un 28% más por arriba de su capacidad nominal.

Observaciones

Del desarrollo presentado se desprenden las siguientes observaciones:

La suposición de la distribución uniforme de carga, que produzca una presión de contacto uniforme con el piso, no se presenta en el tipo de llantas del estudio.

La llanta interna en el dual tiene una mayor susceptibilidad a soportar proporcionalmente mayor carga que la externa, ante diferentes presiones de inflado en cada llanta. Grandes diferencias pueden producir que una u otra llanta deba soportar cargas mayores a las de su capacidad nominal.

El comportamiento de la distribución de la carga ante las diferencias de presión de inflado en una y otra llanta del dual, sugieren que una presión diferencial entre ambas pueda mejorar la proporción de la carga soportada por cada llanta. Sin embargo, esto debe ser analizado con mayor profundidad y sujeto a pruebas experimentales de mayor alcance.

*   Referencias

1. Baxter, J. “Big Rig Basis. The Big Footprint”, The Truckers News. Randall&Reilly Publishing. July 2004.

2. Gillespie, T. D. “Fundamentals of Vehicle Dynamics”. Society of Automotive Engineers, Inc. USA. 1992.

3. Fabela Gallegos, Manuel de Jesús; Hernández Jiménez, José Ricardo; Flores Centeno, Oscar. “Diseño de prototipo para medición de la distribución de la fuerza transmitida por la llanta al piso”. Artículo No. A1_55 Memorias del XII Congreso Anual de SOMIM, 20 al 22 de Septiembre de 2006. Acapulco, Gro. pp 1-196 a 1-201.

Manuel FABELA
Alberto REYES