Aplicación de principios físicos en esfuerzos y
deformaciones vehiculares para optimizar seguridad y rendimiento automotriz
Juan Manuel Martínez Nogales
*
Javier Edmundo Albuja Jácome
*
Jorge Milton Lara Sinaluisa *
Santiago Manuel Torres
Barahona *
ABSTRACT
This work highlights the relevance of physics in
automotive engineering, particularly in the analysis of stresses and strains
during vehicle design. Its application is essential for improving the safety,
efficiency, and durability of automobiles, as it enables a better understanding
of how internal and external forces affect vehicle components. The study
emphasizes the need to analyze the stresses and deformations caused by these
forces, which is fundamental for properly selecting materials and structuring more
resistant designs. Additionally, finite element analysis is mentioned as a key
tool that facilitates the simulation of material behavior under various loading
conditions. This technique allows engineers to predict the point of maximum
deformation, yield strength, and breaking point of the materials used, thus
optimizing the vehicle's safety systems. Finally, the importance of
implementing controlled deformation zones is stressed—these areas are
specifically designed to absorb impact energy in the event of collisions. By
deforming in a predictable manner, they protect occupants and significantly
enhance performance in terms of passive safety. Overall, the study demonstrates
how applied physical knowledge contributes to the advancement of automotive technology.
Keywords:
Deformation, Stress,
Strength, Impact Absorption, Stiffness.
RESUMEN
Este trabajo destaca la relevancia de la física en
la ingeniería automotriz, especialmente en el análisis de esfuerzos y
deformaciones durante el diseño de vehículos. Su aplicación resulta clave para
mejorar la seguridad, eficiencia y durabilidad de los automóviles, ya que
permite comprender cómo las fuerzas internas y externas afectan sus
componentes. El estudio resalta la necesidad de analizar las tensiones y
deformaciones generadas por estas fuerzas, lo cual es fundamental para
seleccionar adecuadamente los materiales y estructurar diseños más resistentes.
Asimismo, se menciona el análisis por elementos finitos como una herramienta
clave que facilita la simulación del comportamiento de los materiales ante
distintas condiciones de carga. Esta técnica permite a los ingenieros predecir
el punto de deformación máxima, el límite elástico y el punto de ruptura de los
materiales utilizados, optimizando así los sistemas de seguridad del vehículo.
Finalmente, se enfatiza la importancia de implementar zonas de deformación
controlada, diseñadas específicamente para absorber la energía del impacto en
caso de colisiones. Estas áreas, al deformarse de forma predecible, protegen a
los ocupantes y mejoran significativamente el rendimiento en términos de
seguridad pasiva. En conjunto, el estudio demuestra cómo el conocimiento físico
aplicado contribuye al avance de la tecnología automotriz.
Palabras
Clave: Deformación, Esfuerzo, Resistencia,
Absorción De Impactos, Rigidez.
INTRODUCTION
El diseño de vehículos es una disciplina que abarca
múltiples campos de la ingeniería, entre los cuales destaca el estudio de los
esfuerzos y las deformaciones. Este campo se centra en entender cómo las
fuerzas externas e internas actúan sobre los componentes de un vehículo,
causando tensiones y deformaciones que pueden afectar su rendimiento, seguridad
y durabilidad. La importancia de este estudio radica en la necesidad de
garantizar que los vehículos sean seguros, eficientes y capaces de soportar las
condiciones operativas más exigentes.
En física, los esfuerzos (o tensiones) se definen como
la fuerza interna por unidad de área dentro de un material que se desarrolla en
respuesta a una carga aplicada. Los esfuerzos se clasifican en varios tipos
según la naturaleza de la carga (Hernández, 2021). Estas fuerzas pueden ser de
tracción, compresión, torsión o corte, y su análisis es crucial para determinar
la resistencia y rigidez de los materiales utilizados en la construcción de
vehículos. El módulo de elasticidad o módulo de Young es una medida de la
rigidez de un material y se define como la relación entre el esfuerzo y la
deformación en la región elástica del material (Servosis S.L, 2020).
Las deformaciones se refieren a los cambios en la
forma o dimensiones de un material como resultado de los esfuerzos aplicados.
Estas deformaciones pueden ser elásticas, donde el material vuelve a su forma
original una vez retirada la carga, o plásticas, donde el material experimenta
una deformación permanente (Morales, s.f.).
La premisa fundamental de este estudio es que para
diseñar vehículos que sean tanto seguros como eficientes, es esencial
comprender cómo los diferentes materiales y estructuras reaccionan bajo
diversas condiciones de carga. En el contexto del diseño de vehículos, los
esfuerzos y deformaciones influyen en varios aspectos críticos, ya que Cuando
de lo que se trata es de construir maquinas o cualquier ingenio de una cierta
utilidad, es preciso garantizar que sus condiciones de resistencia sean las
adecuadas (Canet, 2012). Por ejemplo, en la estructura del chasis, es vital
asegurarse de que puede soportar las cargas dinámicas y estáticas sin sufrir
deformaciones permanentes que comprometan la seguridad del vehículo. Del mismo
modo, los componentes del motor y la transmisión deben diseñarse para resistir
altas temperaturas y fuerzas de fricción, minimizando el desgaste y aumentando
la vida útil (López, 2023).
El estudio de los esfuerzos y deformaciones no solo
contribuye a la seguridad y la eficiencia, sino que también tiene implicaciones
económicas y medioambientales. Un diseño optimizado puede reducir el peso del
vehículo, lo que a su vez mejora la eficiencia del combustible y disminuye las
emisiones de gases contaminantes. Además, al prolongar la vida útil de los
componentes, se reducen los costos de mantenimiento y reparación. Este proyecto
de investigación se propone explorar las técnicas y metodologías empleadas en
este campo, con el objetivo de contribuir al desarrollo de vehículos más
eficientes y seguros (López, 2023).
MATERIALS AND METHODS
En la
presente investigación se han utilizado como principales materiales diversas
fuentes de información, tales como tesis, artículos de revistas de ingeniería,
libros y documentos provenientes de repositorios de universidades tanto
nacionales como internacionales. Estas fuentes han permitido recopilar y
sintetizar información de primera mano, proveniente de referencias confiables y
de alto impacto dentro de la comunidad de la ingeniería. En cuanto a la
metodología, esta se define como un proceso sistemático orientado a resolver un
problema de investigación mediante la recopilación de datos a través de
distintos métodos, proporcionando su interpretación y extrayendo conclusiones
pertinentes (Marhasova et al., 2022). En este documento, la investigación y la
síntesis de la información constituyen la base sobre la cual se ha estructurado
el texto, abordando diversos puntos relevantes para el desarrollo del tema
propuesto.
Incidencia
del estudio de factores relacionados al soporte de esfuerzos y cargas en
unvehículo
Análisis
de Esfuerzos (FEA)
Mediante
el análisis de esfuerzos se puede detectar errores de manera oportuna en
procesos industriales como la fabricación de automóviles, esto representa la
anticipación de escenarios posiblemente riesgosos, y es por ello que contar con
herramientas que ayuden a mitigar ciertos impactos que pueden causar daños
materiales como no materiales resulta de suma importancia.
Un
análisis de esfuerzos, también conocido como análisis de elementos finitos (del
inglés finite element análisis, FEA), está basado en la idea de construir un
objeto complejo a partir de piezas más pequeñas que se puedan entender y
manejar de una manera más sencilla, (Chen & Liu, 2015).
Hoy
en día la innovación está del lado de la tecnología, y con el tiempo han ido
surgiendo ciertas herramientas que han facilitado y acelerado el trabajo,
haciéndolo más preciso y más eficiente, esto llevado al análisis y estudio de
ciertas fuerzas que actúan sobre un sistema como por ejemplo un automotor,
resulta sumamente útil, (Pérez, 2022)
Los
ordenadores han revolucionado la práctica de la ingeniería. El diseño de un
producto, que antes se hacía mediante tediosos dibujos a mano, se ha sustituido
por el diseño asistido por ordenador (CAD) mediante gráficos informáticos. El
análisis de un diseño que solía hacerse mediante cálculos manuales y muchas de
las pruebas se han sustituido por simulaciones por ordenador utilizando
software de ingeniería asistida por ordenador (CAE). Juntos, el CAD, el CAE y
la fabricación asistida por ordenador (CAM) han cambiado radicalmente el
panorama de la ingeniería. Por ejemplo, un coche, que antes tardaba de cinco a
seis años en diseñarse, ahora puede fabricarse en un año, desde el diseño
conceptual hasta la producción, gracias a las tecnologías CAD, CAE y CAM, (Chen & Liu, 2015).
Procesos
de un análisis de elementos finitos
Procesamiento
El
punto de partida está en definir la pieza a analizar. Para ello se debe
segmentar la totalidad del componente en elementos, nodos y mallas que en su
conjunto definen los elementos finitos, (Konter, 2005). Esto se logra con el apoyo de sistemas de software
especializados en el diseño y dibujo de productos, la mayoría de ellos basados
en tecnología 3D. Su utilización permite predecir los errores con facilidad,
además reduce los costos en comparación con el desarrollo de prototipos
manuales, (Carmona, 2004).
Análisis
La
información procesada por los sistemas informáticos se traduce en un código,
que permite detectar las problemáticas a partir de una base de datos
preestablecida.
Cada
uno de los elementos finitos es analizado por los modelos matemáticos que
configuran los programas de software, (Agueda, 2010).
La
durabilidad, resistencia, aerodinámica y flexión son algunos de los aspectos
medibles, que al obtenerse sirven como parámetro para mejorar y garantizar la
máxima calidad de las piezas producidas, (Anderson, 1995).
Posprocesamiento
Una
vez que el código ha detectado las inconsistencias en los productos, los
programas se encargan de enfatizar los errores mediante gráficos. Las
deformaciones, tensiones, desplazamientos, el estrés mecánico y la
transferencia de calor son algunos de los aspectos que pueden detectarse
gracias al análisis de esfuerzos.
En
la fabricación de vehículos, es necesario realizar una prueba de la resistencia
del chasis o bastidor, estructura la cual será la encargada de soportar la
carrocería montada, como la carga útil que pueda llegar a llevar dicho
vehículo, (Huerta et al., 2020)
Condiciones
de diseño
Existen
ciertos factores que deben ser tomados en cuenta para realizar un análisis de
esfuerzos y cargas exitoso hacia un vehículo, como lo son: seguridad
al conductor, espacios suficientes para los componentes del auto, comodidad y
confort. Además de someter a simulaciones y pruebas de choques como: impacto
frontal, impacto trasero, impacto lateral, volcadura, pruebas de aterrizaje por
salto delantero y por salto trasero, y asi poder definir un diseño seguro y que
garantice una confiabilidad y calidad máxima, (Nawani et al., 2014)
Debe resultar relevante también
tener criterios como lo son:
· Las
dimensiones totales del vehículo
· Dimensiones
del habitáculo
· Dimensiones
del cofre motor
· Importancia
del coeficiente aerodinámico
Son concepciones de diseño y
variables que, al momento de realizar un análisis de esfuerzos, deben estar en
una lista para recordarlos, (Solano & Fernando, 2014)
Al final cada análisis e
intervención que se haga para garantizar la seguridad al conductor y los
ocupantes del automotor tendrá cierta incidencia en factores como:
· Las
necesidades en el material de construcción
· Diseño
de espacios de los sistemas automotrices
· Uso
de neumáticos
· Costos
de producción
· Estética
(Concepción, 2011)
Estimación, manejo
y cómo se comportan las deformaciones debido al uso del vehículo y frente a
posibles choques
El
comportamiento de vehículos modernos requiere una comprensión profunda de los
principios de la física, especialmente en lo que respecta a los esfuerzos y
deformaciones. La física de materiales y la mecánica estructural son
fundamentales para asegurar que los vehículos no solo cumplan con los
requisitos de rendimiento, sino que también proporcionen altos niveles de
seguridad a los ocupantes. Al estudiar cómo los materiales responden a diversas
fuerzas y cargas, los ingenieros pueden diseñar estructuras que optimicen el
peso, maximicen la eficiencia energética y resistan impactos durante
colisiones. Este enfoque integral permite desarrollar vehículos más seguros y
con mejor rendimiento, alineados con los estándares y expectativas actuales del
mercado automotriz.
Como
parte de la evolución en tecnología e ingeniería, los fabricantes utilizan
elementos ajenos a la estructura con el propósito de minimizar los daños y por
ende reducir las lesiones a ocupantes. El principal objetivo del manejo es
crear una estructura o sistema funcional, confiable, seguro, económico y de
calidad en varias fases sucesivas, teniendo en cuenta diversos criterios
mecánicos que sirvan de guía para el producto final. (Fuentes, s. f.). La estructura denominada “Soporte de paragolpes”
está adecuada en la sección delantera y trasera, con un diseño y
características constructivas donde se integran variedad de materiales, zonas
deformables y tipos de unión específicos que mitigan la energía antes que se
prolongue hacia la carrocería. (Revista Autocrash,
s. f.)
En
la industria automotriz se realizan estudios del comportamiento dinámico de
cada uno de los componentes del vehículo, con el objetivo de optimizar y
mejorar sus comportamientos. Cuando el impacto es lateral, la energía debe ser
trasmitida a zonas circundantes, para evitar que se prolongue a la zona
estructural del habitáculo de pasajeros. (Armijos & Salvador, 2016)
Hu
(2021) da a conocer una ilustración por fases, analizando cada componente por
separado. El objetivo es minimizar la masa total del sistema, para esto se
obtiene un parametrizado del diseño de cada componente. En este proceso se
utiliza ecuaciones que describen la funcionalidad del componente, designando
variables con restricciones. Estas mismas se aplican en el proceso de diseño
mejorando el rendimiento del trabajo.
García
(2016) afirma que “se requiere que este sistema cumpla con dos características
físicas y cuantificables importantes que son la elasticidad, importante para
almacenar energía debido a elementos elásticos que se deforma, y la
amortiguación, que absorbe energía del elemento elástico al retornar a su forma
original y así evitar oscilaciones en el habitáculo del vehículo”.
González
(2004) afirma que “la industria automotriz ofrece gran inversión en
investigación y desarrollo de sistemas que mejoran seguridad, confort y
maniobrabilidad, un punto crítico es la modelación ya que en la gran mayoría de
casos se realiza una simulación sencilla que podría mejorarse.”
Según
Álamo Viera (2016): Ambos parámetros caracterizan en primera instancia a las
oscilaciones y su frecuencia (f) producidas en el vehículo, y se deben tener en
consideración cuando se realiza el diseño de un sistema, ya que pueden resultar
incómodas e incluso perjudiciales, tanto para los pasajeros del vehículo como
para la parte física del mismo.
Martínez
Silva (2015) enuncia que “el elemento de amortiguamiento es el cual permite
mantener la masa suspendida y masa no suspendida bajo control. Reduce,
restringe o impide las oscilaciones producidas al acumularse energía en los
elementos elásticos”.
Un
método que se ha implementado hace no muchos para el manejo de la deformación
es la prueba de choque, la cual consiste en una forma de pruebas destructivas
para garantizar un diseño seguro en caso de impacto o colisión (Guatemal & Ramirez,
s. f.). Se debe tener en cuenta que no
siempre es económico destruir un espécimen para garantizar su seguridad,
especialmente en el caso de producción a pequeña escala. La simulación de
choque es muy popular últimamente, porque es una representación virtual de un
ensayo destructiva de impacto de un vehículo empleando una simulación por
computadora con el fin de examinar el nivel de seguridad del vehículo y sus
ocupantes en diferentes condiciones como la velocidad de colisión, colisionar
el objeto, el material y el número del componente del objeto colisionando,
entre otros, por lo tanto, ahorra el tiempo y el costo (Mishra & Pradhan,
2016).
Aproximadamente
el 80% de las lesiones del impacto del vehículo en las extremidades inferiores
son causadas por contacto con los elementos de carrocería que en el fenómeno de
choque retroceden y presionan estas partes del cuerpo. (Mallory y Stammen 2006).
Estimación de
deformaciones
1.
Fatiga de Materiales
La
fatiga es el debilitamiento de un material debido a la repetición de cargas y
descargas a lo largo del tiempo, ya sea por la conducción diaria, vibraciones
en el motor y las frenadas.
2.
Deformación Plástica
Es
la deformación permanente de un material cuando se somete a una carga superior
a su límite elástico, puede ser debido a golpes y accidentes que provoquen
deformaciones locales.
3.
Análisis por Elementos Finitos (FEA)
Es
una técnica computacional que permite simular el comportamiento del vehículo
bajo diferentes condiciones de uso y choque para estimar deformaciones.
Manejo de
Deformaciones
1.
Mantenimiento Preventivo
Inspección Regular (realizar un control con
frecuencia para determinar posibles daños).
Reemplazo de Piezas (el cambio de piezas que
demuestren desgaste o deformación).
2.
Reparación Post-Choque
Enderezado
y Realineación.
Sustitución
de Componentes (reemplazo de elementos irreparables).
Comportamiento de
las Deformaciones Frente a Choques
1.
Absorción de Impactos
Zonas
de Deformación Controlada
Materiales
de Alta Resistencia
2.
Distribución de Fuerzas
Diseño
de Chasis
Sistemas
de Seguridad Activa y Pasiva (Airbags, cinturones de seguridad)
3.
Pruebas de Choque
Evaluación
de Seguridad (frontal, trasera, lateral)
Normativas
y Estándares
Análisis previo de
aplicación de esfuerzos en una carrocería para el correcto diseño de un
vehículo
Análisis de Esfuerzos y Deformaciones en el Diseño de Vehículos
El diseño de vehículos es un
proceso complejo que requiere un análisis exhaustivo de los esfuerzos y
deformaciones que se producen en la estructura, particularmente en la
carrocería. El análisis previo es crucial para garantizar la seguridad, el
rendimiento y la durabilidad del vehículo.
Figura 1. Torsión y flexión de la carrocería.
Fuente: Autores (2025)
Análisis de Esfuerzos en la Carrocería
El estudio de los esfuerzos en
la carrocería de un vehículo es fundamental para determinar su resistencia
estructural. Algunos de los esfuerzos clave a considerar son:
Esfuerzos de Flexión
Estos esfuerzos se producen
cuando la carrocería se somete a cargas verticales, como el peso del vehículo y
sus pasajeros. Es importante analizar la distribución de estos esfuerzos a lo
largo de la estructura para evitar deformaciones excesivas que puedan afectar
el funcionamiento de los sistemas del vehículo.
Según Torres y Carrillo (2021),
"la flexión de la carrocería puede generar problemas de alineación de las
ruedas, así como interferencias entre los diferentes componentes del vehículo,
lo que puede comprometer su seguridad y rendimiento".
Esfuerzos de Torsión
Cuando el vehículo gira o se
desplaza por terrenos irregulares, la carrocería se somete a esfuerzos de
torsión que pueden causar deformaciones y grietas. Estos esfuerzos deben ser
cuidadosamente evaluados para garantizar la estabilidad y maniobrabilidad del
vehículo.
Según la Universidad
Politécnica Salesiana (s.f.), "la torsión de la carrocería afecta
directamente la respuesta del vehículo a los giros del volante, por lo que su
análisis es crucial para el diseño de la suspensión y la dirección".
Esfuerzos de Impacto
En caso de colisión, la
carrocería debe ser capaz de absorber y disipar los esfuerzos de impacto para
proteger a los ocupantes. El análisis de estos esfuerzos es fundamental para el
diseño de la estructura de seguridad del vehículo.
Salazar Fiallos (2021) menciona
que "la capacidad de la carrocería para disipar los esfuerzos de impacto
determina en gran medida la supervivencia de los ocupantes en un accidente, por
lo que este análisis es prioritario en el diseño de vehículos".
Figura
2. ¿Cómo actúa
una carrocería frente a una colisión?
Fuente:
Autores (2025)
Análisis de Deformaciones en la Carrocería
Además de los esfuerzos, el
estudio de las deformaciones en la carrocería es fundamental para garantizar el
correcto funcionamiento y la seguridad del vehículo. Algunas deformaciones
clave a considerar son:
Deformación por Flexión
La deformación vertical de la
carrocería debido a las cargas estáticas y dinámicas debe ser controlada para
evitar problemas de alineación y funcionamiento de los sistemas del vehículo,
como la suspensión y la dirección.
Coria Gutiérrez, Hernández
Domínguez y Garnica Anguas (2018) afirman que "las deformaciones por
flexión pueden generar desalineaciones en las ruedas, lo que afecta
directamente la estabilidad y el control del vehículo".
Deformación por Torsión
La torsión de la carrocería
puede afectar la maniobrabilidad y el control del vehículo, por lo que debe ser
minimizada mediante un diseño adecuado de la estructura.
Según la Universidad
Politécnica Salesiana (s.f.), "la deformación por torsión altera la
geometría de la suspensión y la dirección, lo que se traduce en una pérdida de
estabilidad y control del vehículo".
Deformación por Impacto
En caso de colisión, la
carrocería debe deformarse de manera controlada para absorber la energía del
impacto y proteger a los ocupantes. El análisis de estas deformaciones es
crucial para el diseño de la estructura de seguridad.
Salazar Fiallos (2021) menciona
que "la deformación controlada de la carrocería durante un impacto es
fundamental para disipar la energía y evitar lesiones graves a los
ocupantes".
Herramientas de Análisis
Para llevar a cabo el análisis
de esfuerzos y deformaciones en la carrocería, se utilizan herramientas de
simulación y modelado, como el Método de Elementos Finitos (FEM) implementado
en software como ANSYS o ABAQUS. Estas herramientas permiten evaluar el
comportamiento de la estructura bajo diferentes condiciones de carga y
optimizar el diseño de la carrocería.
Figura
3. Análisis
estructural en ANSYS
Fuente: Autores,
2025
Según Torres y Carrillo (2021),
"el uso de herramientas de simulación basadas en el Método de Elementos
Finitos permite a los diseñadores evaluar de manera precisa los esfuerzos y
deformaciones en la carrocería, lo que facilita la optimización del
diseño".
DISCUSSION
Mediante
la aplicación de un análisis de esfuerzos (FEA) se puede llegar a evitar
ciertas situaciones que pueden poner en riesgo a personas que se encuentren a
bordo de un vehículo, y mejorar la calidad de los materiales de este, ya que,
al llevar un control detallado de todas las variables, se vuelven un tanto más
predecible ante escenarios determinados.
La
implementación de zonas de deformación controlada y refuerzos estructurales
asegura que los vehículos puedan absorber eficientemente la energía de los
impactos, siendo muy efectivos al momento de ocurrir algún incidente, además la
adopción de tecnologías avanzadas y el uso de materiales innovadores son
esenciales para los estándares actuales.
El
análisis de esfuerzos y deformaciones en la carrocería es un proceso clave en
el diseño de vehículos, que permite identificar y mitigar los puntos críticos
de la estructura, optimizando su resistencia y durabilidad. La aplicación de
herramientas de simulación y modelado es fundamental para llevar a cabo este
análisis de manera precisa y efectiva, contribuyendo a la seguridad y el
rendimiento de los vehículos.
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* Magíster en Diseño Mecánico, Docente Investigador Escuela Superior Politécnica de Chimborazo,
Riobamba.
javier.albuja@espoch.edu.ec,
https://orcid.org/0009-0005-5044-3373
* Magíster en Física Docente Investigador Escuela Superior Politécnica de Chimborazo,
Riobamba.
j_lara@espoch.edu.ec, https://orcid.org/0000-0002-3116-5161
* Magíster en Física Docente Investigador Escuela Superior Politécnica de Chimborazo,
Riobamba
santiago.torres@espoch.edu.ec, https://orcid.org/0009-0002-4493-6508