PROYECTO NO. EE 12/05: EFECTOS DE LA LLANTA SÚPER SINGLE X-ONE EN LOS PAVIMENTOS (ANTERIORMENTE EI 07/04)

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1 INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE COORDINACIÓN DE INGENIERÍA VEHICULAR E INTEGRIDAD ESTRUCTURAL INFORME FINAL DE INVESTIGACIÓN IF EE 12/05 PROYECTO NO. EE 12/05: EFECTOS DE LA LLANTA SÚPER SINGLE X-ONE EN LOS PAVIMENTOS (ANTERIORMENTE EI 07/04) Responsable DR. MANUEL DE JESÚS FABELA G. Encargado del Área de Dinámica Vehicular Aprobó Autorizó DR. MIGUEL MARTÍNEZ MADRID Coordinador de Ingeniería Vehicular e Integridad Estructural DR. OCTAVIO RASCÓN CHÁVEZ Director General Sanfandila, Qro. 9 de junio de 2006 Rev. 2, Fecha: HOJA 1 DE 92 F1 MI-003

2 Esta investigación fue realizada en la Coordinación de Ingeniería Vehicular e Integridad Estructural del Instituto Mexicano del Transporte por el Dr. Manuel de Jesús Fabela Gallegos, el M. C. José Ricardo Hernández Jiménez, el M. C. Oscar Flores Centeno, el M. C. David Vázquez Vega y el Dr. Miguel Martínez Madrid. Participaron en la preparación y ejecución de las pruebas el Ing. Alberto Reyes Vidales, el Ing. Oscar Durán Aguilar, el Ing. Carlos Adrián Favela Gallegos y el Ing. Andrés Ramírez Valencia. Se agradecen las observaciones y recomendaciones del Dr. Octavio A. Rascón Chávez, Director General del Instituto Mexicano del Transporte, y el apoyo del Lic. José de Jesús Uribe y del Ing. Antonio Ramírez, de Industrias Michelin, S. A. de C. V., por proporcionar llantas y vehículo para pruebas en Laboratorio. Rev. 2, Fecha: HOJA 2 DE 92 F1 MI-003

3 ÍNDICE Página RESUMEN EJECUTIVO... 5 INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES Generalidades de las llantas Origen del arreglo dual Las llantas de base ancha Nuevos diseños de llantas supersencillas Supersencillas en México Objetivo Alcances METODOLOGÍA Plan general Definición de factores experimentales Equipos e instrumentos DESARROLLO DE PROTOTIPOS Diseño conceptual Principios aplicados La extensometría eléctrica Fabricación y prueba de prototipos Requisitos de prototipos Prototipo de 10 vigas Prototipo de 16 vigas DESARROLLO EXPERIMENTAL Llantas y vehículos de prueba Pruebas Factores y niveles Plan de pruebas RESULTADOS Llanta sencilla de carga ligera Rev. 2, Fecha: HOJA 3 DE 92 F1 MI-003

4 5.1.1 Distribución de la carga Presión de contacto Llantas de carga ligera en dual Distribución de la carga Presión de contacto Llantas de servicio pesado Llanta supersencilla SXO Dual de llantas DXDA Dual de llantas DXZE Dual de llantas DYG Llanta sencilla FS Discusión CONCLUSIONES REFERENCIAS ANEXOS Rev. 2, Fecha: HOJA 4 DE 92 F1 MI-003

5 RESUMEN EJECUTIVO Las llantas de los vehículos de autotransporte son los únicos componentes que interactúan con el pavimento. Debido al contacto entre llanta y pavimento, esta interacción trasciende no sólo en el comportamiento del vehículo, sino también en el efecto que produce en la integridad estructural del camino. En México se dispone de variedad de marcas de llantas con una amplia diversidad de modelos para distintas aplicaciones, con diferencias en tamaño, construcción y desempeño. La configuración típica de uso en vehículos pesados consiste en colocar una llanta en cada lado del eje direccional y dos llantas de dimensiones similares a cada lado de los ejes de tracción y de los de carga. Este arreglo de dos llantas es comúnmente conocido como arreglo dual, cuyo propósito es tener una mejor distribución de la carga por llanta y una mayor área de contacto, tanto para efectos de tracción, como de frenado. El uso del arreglo dual de llantas supone una distribución uniforme de la carga sobre la superficie de contacto resultante, así como propiedades mecánicas similares en cada llanta e idénticas condiciones de operación de ambas llantas en el arreglo y de ambos duales en un eje. De manera aproximada se supone, además, que la presión de contacto con el pavimento es similar a la presión de inflado de la llanta. En vehículos en tránsito es común observar duales con llantas distintas, con diferencias en desgaste, presión de inflado, alineamiento, rigidez, tipo de construcción, marca y tamaño. Estas condiciones alteran la distribución de la presión de contacto, así como la magnitud a lo ancho y largo de la huella de la llanta sobre el pavimento, generando zonas de concentración de la carga. Para determinar la distribución de la carga en la zona de contacto entre llanta y piso, se realizaron mediciones estáticas en llantas en arreglos sencillo y dual, considerando también el empleo de un tipo de llanta de base ancha, denominada supersencilla. Las mediciones se llevaron a cabo a nivel de laboratorio, empleando un par de dispositivos prototipo diseñados a base de vigas apoyadas en los extremos e instrumentados aplicando la extensometría eléctrica. Bajo diferentes condiciones de carga soportada y de presión de inflado, incluyendo el caso de diferente presión en cada llanta en arreglo dual, se realizaron pruebas para determinar la distribución de la fuerza aplicada al piso por el arreglo de llanta o llantas, a lo largo y ancho de la zona de contacto. Las pruebas consistieron en colocar la llanta o el arreglo dual sobre el prototipo y registrando la proporción de la carga aplicada a cada barra bajo la llanta. Las distintas condiciones de carga se suministraron a través del peso propio de los vehículos utilizados, de cargas ligera y pesada, y la colocación de masa adicional en los compartimentos de carga respectivos. En las pruebas se utilizaron llantas de carga ligera LT245/75R16 sencillas y LT225/95-17 en dual, y llantas de servicio pesado en tres duales distintos con llantas 11R22.5 y un modelo de supersencilla 455/55R22.5 (Michelin SuperSingle XOne), colocadas en el eje de carga. Adicionalmente, se realizaron algunas mediciones sobre una llanta sencilla 295/75R22.5 colocada en el eje direccional. A partir de la distribución de la carga en la zona de contacto, se estimaron los correspondientes esfuerzos de contacto entre llanta y piso. Los resultados de las mediciones Rev. 2, Fecha: HOJA 5 DE 92 F1 MI-003

6 mostraron que la presión de contacto entre llanta y piso no es uniforme. Para las llantas de servicio pesado sujetas a prueba, la presión de inflado fue superior a la presión promedio de contacto e incluso a la presión máxima estimada. Este hecho contradice la suposición tradicional de que la presión de contacto es uniforme en la zona de contacto y similar a la presión de inflado de la llanta. En las llantas de carga ligera con presiones de inflado recomendadas por el fabricante, el dual presentó valores de presión de contacto de alrededor de 507 kpa, siendo 1,3 veces más alto que la producida por la llanta sencilla a las máximas presiones de inflado. Además, la llanta interna del dual soporta ligeramente más carga que la externa para una misma presión de inflado, con un diferencial de hasta el 4,7 %. Respecto a las llantas de servicio pesado, la supersencilla produjo presiones estimadas de contacto de 700 kpa, mientras que en las llantas en dual se alcanzaron cerca de 780 kpa, para condiciones semejantes de carga e inflado. La llanta sencilla en el eje direccional produjo presiones de contacto de hasta 664 kpa, 1,12 veces más que la producida por la supersencilla con carga similar. En términos generales un incremento en la carga, combinada con un decremento en la presión de inflado, mejoran la distribución de la fuerza en la zona de contacto y disminuyen la presión de contacto con el piso. No obstante, las características de esa distribución dependen del tipo y construcción de la llanta. Para ciertos tipos de llanta utilizadas en arreglo dual, la distribución de la fuerza y presión de contacto presentan mayor uniformidad cuando existe una pequeña diferencia en las presiones de inflado en una y otra llanta. Las presiones máximas de contacto obtenidas con llantas en arreglo dual y con la misma presión de inflado fueron del orden de 780 kpa, mientras que en la versión supersencilla apenas alcanzaron los 700 kpa. Con pocas excepciones, esa presión de contacto estuvo por debajo de la máxima de inflado para la mayoría de las condiciones de carga y presión, aunque a menores presiones de inflado la presión de contacto fue mayor que la de inflado. Considerando el arreglo dual con diferente presión de inflado entre una y otra llanta, fue evidente que la llanta con mayor presión debe soportar una mayor proporción de la carga sobre el dual. Para diferencias de presión del 50%, la de mayor presión debe soportar desde 1,2 a 1,4 veces más de lo indicado como capacidad máxima. Bajo el enfoque de la interacción entre llanta y piso, el uso de llantas en arreglo dual no es una condición de garantía para obtener una distribución uniforme de la carga transmitida al pavimento, ni de promover menores índices de daño que la llanta supersencilla bajo prueba. Este hecho sugiere que los duales de llantas pueden inducir regiones de concentración de esfuerzos en el pavimento que intensifiquen el daño al mismo. Aunque se utilizaron diversos modelos de llantas en el estudio, los resultados obtenidos no pueden ser generalizados para todos los tipos de llantas disponibles en el mercado y utilizadas por los vehículos de carga. Para cada llanta la distribución de la fuerza en la zona de contacto puede ser distinta y, consecuentemente, presentar diferencias en las presiones de contacto. Determinar tales diferencias implicaría desarrollar estudios específicos para cada modelo o versión de llanta. Rev. 2, Fecha: HOJA 6 DE 92 F1 MI-003