Una investigación valida el uso de muelles planos en lugar de los helicoidales en la suspensión de un remolque ligero

PAMPLONA 29 Ago. (EUROPA PRESS) -

El ingeniero Carlos García Vidaurreta (Tudela, 1997) ha demostrado en su tesis doctoral, defendida en la Universidad Pública de Navarra (UPNA), que los muelles planos pueden sustituir a los muelles helicoidales convencionales en determinados sistemas de suspensión.

En una de las aplicaciones desarrolladas, dos de estos elementos se instalaron en un remolque ligero de carga. El vehículo modificado superó la inspección técnica de vehículos (ITV) conforme a la normativa europea y la nueva solución mostró, en los ensayos realizados, un comportamiento ligeramente superior al del componente original, según ha explicado la UPNA en una nota.

La investigación también ha permitido diseñar dispositivos para absorber impactos y un muelle de rigidez regulable destinado a amortiguar las vibraciones de un motor sometido a cargas variables.

Los dispositivos estudiados, denominados disipadores mecánicos de energía o MEA ('mechanical energy absorbers'), por sus siglas en inglés, son piezas planas, generalmente metálicas, en las que se recortan patrones geométricos radiales. Estos cortes forman una serie de brazos flexibles que conectan distintos anillos concéntricos. Cuando se aplica una fuerza perpendicular al plano del disco, los brazos se deforman y "el dispositivo es capaz de absorber una cantidad significativa de energía", según ha explicado el autor de la tesis, que pertenece al Instituto de Smart Cities (ISC) de la UPNA.

El comportamiento de cada pieza puede modificarse mediante parámetros como el número, la longitud y la anchura de los brazos, el espesor del disco, la cantidad de anillos o la separación entre ellos. Esta posibilidad de cambiar la geometría permite adaptar la pieza a distintas funciones, como la absorción de impactos, el control de vibraciones o la protección de estructuras y componentes mecánicos.

Una parte de la investigación se ha centrado en el comportamiento de estos disipadores cuando la fuerza aplicada provoca una deformación permanente del material. Este funcionamiento puede resultar útil en sistemas de seguridad destinados a reducir los efectos de impactos o movimientos sísmicos, ya que el dispositivo absorbe energía al deformarse y puede reemplazarse después del suceso.

Para estudiar este proceso, el investigador diseñó dos geometrías mediante análisis por elementos finitos, un método informático que permite dividir una pieza en numerosas partes pequeñas y calcular cómo responde cada una de ellas ante una fuerza. Los modelos se fabricaron posteriormente y se sometieron a ensayos mecánicos.

El estudio analizó también otras configuraciones y constató que dispositivos con dimensiones iguales y capacidades de absorción similares podían responder de forma diferente durante la aplicación de la carga. Esta característica permite seleccionar la geometría más adecuada en función del comportamiento mecánico requerido.

Otra de las aportaciones de la tesis ha consistido en desarrollar un sistema de muelles planos para reemplazar el muelle helicoidal de la suspensión de un remolque utilitario, un diseño "aplicado con éxito por primera vez en el sector automovilístico", según ha apuntado el investigador. Esta solución emplea dos discos previamente deformados cuya respuesta mecánica reproduce la del componente convencional.

La geometría se definió mediante simulaciones informáticas y se comprobó con ensayos realizados sobre varios prototipos. Una vez completadas estas pruebas, el nuevo sistema se instaló en el remolque y se evaluó en una estación oficial de inspección técnica de vehículos (ITV). El vehículo modificado cumplió los requisitos establecidos por la normativa europea de homologación.

"Los resultados mostraron que los muelles planos no solo satisfacían los requisitos exigidos, sino que incluso mejoraban ligeramente el rendimiento de un muelle helicoidal convencional. Además, el estudio destaca el potencial de los muelles planos en el sector automovilístico, debido a ventajas como un diseño más compacto, elevada rigidez frente a deformaciones laterales y un proceso de fabricación más versátil y escalable", ha señalado Carlos García Vidaurreta.

La tesis ha abordado igualmente el diseño de un muelle plano cuya rigidez puede regularse. La denominada constante elástica determina la fuerza necesaria para deformar un muelle una cantidad concreta. Cuanto mayor es esta constante, más rígido resulta el dispositivo.

El sistema desarrollado permite variar la longitud útil de los brazos flexibles del disco y, de este modo, modificar su rigidez sin reemplazar el muelle. Su comportamiento se estudió mediante simulaciones y se validó con una máquina de ensayos de tracción, que aplica una fuerza controlada y registra la deformación producida.

El dispositivo se probó posteriormente como amortiguador de las vibraciones generadas por un motor sometido a cargas variables. Al modificar la rigidez del muelle, cambia también la frecuencia natural del sistema, es decir, el ritmo al que este tiende a vibrar. Este ajuste permite evitar que dicha frecuencia coincida o se aproxime a la de las vibraciones producidas por el motor. Cuando ambas son similares, puede producirse resonancia, un fenómeno que amplifica el movimiento y puede aumentar el desgaste o causar daños en los componentes.

Esta capacidad de adaptación permite mantener unas condiciones adecuadas de amortiguación ante cambios en el funcionamiento sin necesidad de sustituir el elemento mecánico. En el montaje experimental se emplearon dos tipos de discos, seleccionados en función del peso soportado por cada uno de los puntos de apoyo del motor.

La investigación incluye también una revisión de los estudios publicados sobre muelles planos y su uso como disipadores mecánicos de energía. Estos componentes se utilizan en ámbitos como los sistemas microelectromecánicos, la robótica, el transporte, la refrigeración, el control de vibraciones y las aplicaciones de micro y nanoprecisión.

El análisis muestra que el acero inoxidable es el material empleado con mayor frecuencia. Entre los principales procedimientos de fabricación, figuran la electroerosión por hilo, el corte por láser y el corte por chorro de agua.

La revisión constató asimismo que cerca de un tercio de los trabajos analizados no incluía pruebas experimentales. La tesis subraya, por ello, la necesidad de contrastar los modelos matemáticos y las simulaciones con piezas fabricadas y ensayos físicos, como se ha hecho en los dispositivos desarrollados durante esta investigación.

La tesis, titulada 'Disipador mecánico de energía', ha sido dirigida por dos docentes del Departamento de Ingeniería del campus de Tudela de la UPNA: el catedrático e investigador del Instituto ISC Juan Ignacio Latorre Biel y el profesor titular José Ramón Alfaro López, y se ha desarrollado dentro del programa de doctorado en Ciencias y Tecnologías Industriales. El trabajo se presenta como un compendio de cuatro artículos científicos, tres de ellos, publicados en revistas internacionales incluidas en el Journal Citation Reports (JCR), y otro, en proceso de revisión.

Carlos García Vidaurreta cursó sucesivamente en la UPNA el grado en Ingeniería en Diseño Mecánico y el máster universitario en Ingeniería Mecánica Aplicada y Computacional. Entre 2021 y 2023, trabajó en la oficina técnica de la empresa Ventilación Axial Ibérica.

También ha desarrollado actividad docente en la Universidad Internacional de La Rioja y en la UPNA. En esta última institución, ha impartido la asignatura de Estadística en el grado en Ingeniería en Diseño Mecánico y ha participado en el título propio de Experto Universitario en Diseño de Producto. En la actualidad, ejerce labores docentes en la asignatura Tecnología Avanzada del Prototipado, impartida en el campus de Tudela, y dirige trabajos de fin de grado.