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El éxito del neumático para bicicletas de John Dunlop • Del cuero al caucho • Los radiales • A pesar de los progresos industriales, el neumático es aún un producto complicado • El problema de los pinchazos
El problema fundamental del transporte por carretera ha sido siempre el contacto directo entre rueda y suelo; de hecho, con la interposición de elementos de suspensión entre ruedas y carrocería, es posible amortiguar sólo las grandes oscilaciones causadas por las asperezas de la carretera, mientras que las pequeñas vibraciones, de las que dependen fundamentalmente el confort, la adherencia y el ruido, están relacionadas tan sólo con el tipo de contacto entre la rueda y el terreno.
Por este motivo, cuando en el siglo XIX la difusión y la intensidad de la circulación sobre ruedas se hicieron importantes, se advirtió la necesidad de mejorar la eficacia de la rueda, inmutada durante millares de años.
El problema más grave en aquellos tiempos, cuando los carruajes ya disfrutaban de eficientes y sofisticados sistemas de suspensión, estaba representado por el ruido causado por el deslizamiento de las llantas metálicas sobre el terreno y, más todavía, sobre el empedrado de las vías urbanas. Hasta entonces, la imposibilidad de construir carreteras perfectamente lisas había sido parcialmente superada con la adopción de ruedas de gran diámetro o con el sistema de rieles; pero la solución definitiva vino cuando se realizó un soporte elástico que garantizase un contacto lo más suave y silencioso posible entre el vehículo y el suelo. Entre los intentos en este sentido cabe señalar la rueda «flexible» dotada de radios en espiral constituidos por hojas de ballesta. Es imposible establecer con exactitud cuándo y quién fue el primero que pensó en una rueda elástica hinchada con aire, dado que concebir un dispositivo tan revolucionario estaba subordinado a la concreta disponibilidad de los materiales y tecnologías adecuados para la realización de un elemento neumático.
El primer testimonio se remonta al 10 de diciembre de 1845, fecha en que Robert William Thomson depositó en Gran Bretaña la patente 10990 referente a un dispositivo neumático para aplicarlo a las ruedas de los carruajes, denominado «rueda aérea». Sin embargo, nada se sabe sobre la aplicación práctica de tal invento, que probablemente no tuvo continuación. Sólo bastantes años después fue realizado el primer ejemplar funcionante de una rueda neumática: fue obra del veterinario escocés John Boyd Dunlop. Éste aplicó a las ruedas del triciclo de su hijo un tubo de caucho sellado e hinchado con aire; el «neumático» estaba reforzado y fijado a la llanta mediante una cinta de tela de caucho encolada.
Dunlop, ignorando la prioridad de Thomson, patentó en 1888 su invento, que esta vez obtuvo un éxito inmediato en el campo ciclístico, donde era más necesaria la exigencia de una rueda elástica por la ausencia de cualquier otro tipo de suspensión. De este modo, la evolución fue rapidísima; en 1891, la creación del neumático con cámara de aire separada, desmontable y fácilmente reparable, contribuyó a la difusión y, así, el 11 de junio de 1895, el primer coche provisto de neumáticos tomó la salida en la carrera París-Burdeos; se trataba del Éclair que los hermanos Édouard y André Michelin habían equipado con neumáticos fabricados por ellos.
Esta carrera fue el paso definitivo para la afirmación del neumático, cuyo perfeccionamiento fue espoleado por el arrollador progreso del automóvil.
Pronto (1903-1905) los primitivos y delicados neumáticos lisos fueron substituidos por los característicos semelle (suela), cuya banda de rodadura, de cuero, iba provista ¿e tacos o clavos metálicos con funciones antidesgaste y para mejorar la adherencia.
El defecto fundamental de estas cubiertas, es decir la facilidad para salirse de la llanta, fue superado pronto, después que los constructores norteamericanos, en 1907, pusieron en el mercado los primeros neumáticos straight-side con los talones inextensibles por la adopción de un refuerzo metálico. Las etapas sucesivas fueron la adopción de banda de rodadura esculpida (1908-1910) y el empleo de negro de humo en la composición de la mezcla (1912).
Para garantizar al neumático una mayor seguridad de marcha fue fundamental la sustitución, adoptada desde 1915, de las telas por el tejido cable (sin trama), cuya estructura, al evitar los rozamientos internos, limitaba el sobrecalentamiento y confería a los flancos una mayor resistencia a las continuas flexiones a que eran sometidos durante la marcha. Tal innovación permitió reducir la mayor causa de los reventones, bastante frecuentes en aquella época, y superó las premisas para la reducción progresiva de las presiones de hinchado; de hecho, la escasa resistencia a la fatiga de flexión de las carcasas imponía presiones bastante elevadas, hasta 7 atm, para limitar el aplastamiento bajo carga.
Entre las más recientes e importantes etapas del desarrollo del neumático cabe recordar: el uso de cables de acero en la composición de las telas, en 1936; la aparición de carcasas de estructura radial en 1946; la creación, a partir de 1950, de neumáticos sin cámara de aire (tubeless), y la producción, en 1959, de cubiertas de tipo radial dotadas de banda de rodadura independiente e intercambiable.
En tiempos más recientes, los esfuerzos de los técnicos se han dirigido, además del continuo perfeccionamiento de los neumáticos de tipo convencional, al estudio y experimentación de soluciones alternativas que permitan eliminar o reducir todos los riesgos y problemas derivados del pinchazo, y a la substitución, por desgaste, de los neumáticos.
A este propósito, es necesario recordar que, dada la estrecha conexión que siempre ha existido entre el neumático y el automóvil, el futuro del primero está condicionado a los avances del segundo, por lo que es difícil imaginar si el neumático del mañana será simplemente una ulterior perfección de la «rueda aérea» o si será un dispositivo completamente distinto, coherente con los transportes de su tiempo.
En su forma más convencional y difundida el neumático está constituido por una cubierta, que comprende carcasa, banda de rodadura y talones, y por los elementos de retención (cámara de aire y válvula); en los neumáticos llamados sin cámara o tubeless, el elemento de retención del aire está representado por una sutil capa de caucho impermeable, llamada liner, que recubre toda la parte interna de la cubierta; en este caso, incluso la parte interna de la garganta y, sobre todo, la zona de contacto entre cubierta y llanta asumen funciones de retención.
La estructura de la carcasa debe ser muy elástica y resistente a la fatiga; basta pensar que la rueda de un coche sufre, según sus dimensiones, de 500 a casi 700 vueltas por cada kilómetro, a las que corresponden otras tantas flexiones para cada sección de la carcasa. Por tanto, durante toda su vida cada fibra del neumático habrá experimentado decenas de millones de solicitaciones por el solo hecho de girar; a éstas hay que añadir todos los esfuerzos longitudinales (de tracción y frenado) y transversales (de estabilidad), y los golpes que se producen durante la marcha.
La solución umversalmente adoptada consiste en la superposición de una o de un número par de telas o capas, cortadas y dispuestas entre-sí según ángulos diferentes en función de la estructura prefijada. Estas telas están constituidas por cables, de sección relativamente grande, dispuestos en el sentido de la urdimbre, sobre los cuales, mediante calandrado, es aplicada la mezcla de caucho; la trama está constituida por hilos muy sutiles y distantes unos de otros que no soportan ningún esfuerzo y sirven simplemente para mantener ordenados los cables durante la aplicación del caucho. La fabricación del neumático tiene lugar con el auxilio de una máquina confeccionadora. Ésta está constituida por un tambor rodante y contraíble en sentido radial sobre el cual los materiales son superpuestos a partir de aquellos que ocupan la posición más interna.
Las principales operaciones se desarrollan en base al siguiente esquema en línea de máxima: arrollamiento sobre el tambor y unión de los extremos de la hoja de caucho junto a las telas de refuerzo sobre los talones y a la tela de la carcasa (los cables o cordones son paralelos al eje del tambor si la estructura es radial, y tienen más telas dispuestas oblicuamente si la estructura es diagonal); colocación de alambres de refuerzo de los talones; doblado de los extremos de la tela sobre los alambres de refuerzo; colocación de tiras del caucho requerido, obtenidas de las telas de calidad distinta en las zonas de los talones, de los flancos y de la banda de rodadura.
Al llegar a este punto, el futuro neumático está constituido por un manguito cilindrico inconsistente y pegajoso que, en la fase de acabado, se conforma en un anillo de las dimensiones debidas, por la colocación de eventuales telas de cintura; sobre éstas es encolada la banda de rodadura con la sucesiva operación de vulcanizado. Ésta hace perder a la mezcla de caucho la plasticidad original, confiriéndole características elásticas estables. La vulcanización en matrices se realiza con prensas especiales, aprovechando la acción combinada del calor y la presión. El cuerpo del neumático es calentado simultáneamente desde el exterior (por ejemplo, vapor circulando por el interior de la matriz) y desde el interior (normalmente una membrana de caucho en el interior de la cubierta).
La presión (15-20 atm y aún más) sirve para comprimir el neumático desde el interior, con objeto de hacerle adquirir la forma, el relieve y las inscripciones correspondientes. El tiempo de vulcanizado varía según las dimensiones del neumático, las técnicas operativas y las mezclas utilizadas; de pocos minutos para el neumático de bicicleta, a 20-30 mn para los neumáticos de coche y hasta 24 h para los grandes neumáticos destinados a las máquinas para movimiento de tierras. En general, la temperatura de vulcanización es de 200 °C.
Vídeo que explica la fabricación del neumático:
Sobre estas bases, cada fabricante confecciona las carcasas de los propios neumáticos, diferenciándolos, no obstante, por todo lo que concierne a la elección de los materiales y la disposición de cada elemento que compone la estructura. Estas diferencias tienen el origen tanto en las características específicas exigidas por el uso a que se destina el neumático (bajas o altas velocidades, cargas, condiciones del terreno), como en la orientación técnica de la empresa constructora y de los procedimientos tecnológicos que se utilizan.
Además de las universalmente adoptadas estructuras de carcasa en diagonal, radial y biasbelted, existen también otras diferencias, más o menos visibles, que hacen referencia a los materiales de las telas, su número, las mezclas y el diseño de la banda de rodadura, que tienen su influencia en el plano de la utilización práctica. Por ejemplo, la estructura radial puede estar confeccionada de manera distinta, aunque se utilicen los mismos materiales; el fruto de cada combinación es un neumático distinto, o sea un neumático con un comportamiento diferente respecto a los otros (adherencia, desgaste, flexibilidad, ruido, etc.).
Carcasas metálicas y textiles
Respecto a las características de los materiales utilizados para la confección de las carcasas existen diferencias fundamentales entre los hilos metálicos y las fibras textiles; en el primer caso se trata de alambres de acero armónico cobreado superficialmente, mientras que en el segundo caso se trata tanto de fibras naturales (algodón) como de fibras sintéticas (rayón, nilón, poliésteres, fibras de vidrio, etc.).
La utilización cada día mayor de cables de acero está provocada por las características mecánicas de este material: la elevada resistencia a la tracción permite obtener la misma robustez con un número de telas inferior y, en definitiva, con un peso menor. Sin embargo, su empleo está limitado por lo que se refiere a la estructura de los flancos, a causa de las elevadas flexiones, que son mucho mejor soportados por el nilón, dotado de un trabajo de rotura más elevado.
La superioridad del acero en relación con las fibras sintéticas tiene su aspecto fundamental en el calentamiento causado por las continuas deformaciones a que está sometido el neumático durante su marcha; a causa de la imperfecta elasticidad de los materiales, la estructura deformada elásticamente, cuando vuelve a la forma original, no restituye íntegramente su energía almacenada, sino que una parte la transforma en calor. Esto corresponde a la energía suministrada para hacer rodar el neumático que, referida a la unidad de tiempo, representa la absorción de potencia. La capacidad de un material de calentarse por efecto de solicitaciones de fatiga toma el nombre de histéresis.
La histéresis alta o baja de un neumático, que determina la mayor o menor producción de calor durante la marcha, es función de las pérdidas por histéresis de las mezclas y de los hilos que componen la carcasa; por tanto, es máxima para carcasas diagonales textiles y mínima para carcasas radiales metálicas.
Se puede afirmar que un neumático «metálico» tiene mayor resistencia, se calienta menos, es más rígido y, por tanto, responde con mayor rapidez a las maniobras del conductor; mientras que un neumático «textil» es más suave, responde menos bruscamente a las solicitaciones de la conducción y, respecto al metálico, a igualdad de rigidez, es más pesado y tiene el defecto de deformarse más fácilmente. En particular, a causa de la reducida elasticidad de las fibras textiles, estos neumáticos, después de un largo estacionamiento, pueden quedar deformados, o sea conservando un cierto aplastamiento en la zona de la huella, hasta que el neumático haya circulado durante un cierto tiempo.
En realidad, se trata de diferencias cuyo mayor o menor grado de advertencia durante el uso normal está condicionado por muchos factores que van desde la precisión de la dirección y de la suspensión a la sensibilidad y el tipo de manejo del conductor, por lo que el juicio sobre la mayor o menor estabilidad de un tipo de neumático respecto a otro resulta siempre un hecho generalmente subjetivo.
Por este motivo no se ha creído necesario especificar explícitamente todas las características de un neumático y no existen normas precisas y unificadas referentes a las indicaciones, sobre el flanco de la cubierta, de su estructura interna: normalmente, tales indicaciones se limitan a los datos dimensionales, a las siglas referentes a la velocidad máxima de empleo, al tipo de carcasa y, eventualmente, al número de plyrating. Casi siempre faltan el número y la composición de las telas de los flancos y de la cintura y los datos del uso para el cual cada neumático está homologado; tales indicaciones se encuentran solamente sobre las cubiertas destinadas a aquellos países que lo exigen expresamente y según criterios no unificados; por ejemplo, los neumáticos de los coches para el mercado norteamericano deben llevar la indicación (un número) relativa a la homologación según las normas DOT (Departament of Transports). Entre las inscripciones, significativas o no, presentes sobre el flanco, tienen singular importancia las referentes a los defectos del neumático; una cubierta puede salir más o menos defectuosa en el aspecto o en la estructura, además de las imperfecciones de la propia estructura, debido a las características de los materiales que la componen o por la complejidad de las operaciones de confección.
Existe a este propósito una tabla de clasificación adoptada prácticamente por todos los fabricantes, que indica con símbolos propios el nivel de calidad de los neumáticos. Cuando un neumático sale con pequeñas imperfecciones de aspecto (letras, dibujo de la banda de rodadura, etc.), pero estructural y dimensionalmente correcta, se suele denominar de segunda clase, indicación que se pone sobre la cubierta (a veces se pone en el término inglés blemishd); cuando ha sufrido una reparación, se indica sobre la cubierta la palabra recauchutado o simplemente R.
La banda de rodadura: mezcla y dibujo
El elemento distintivo más aparente de un neumático es la * banda de rodadura, que tiene sus aspectos fundamentales en la *mezcla y en el dibujo.
La mezcla de la banda de rodadura es fruto de la investigación sobre el mejor compromiso entre duración, adherencia y desgaste, factores que se suelen contrarrestar mutuamente. Una mezcla muy blanda, por ejemplo, es muy adherente pero tiene poca duración y, como se calienta fácilmente, se desgasta de manera irregular; al contrario, una mezcla muy dura tendrá una gran resistencia al desgaste pero una adherencia reducida.
Para las cubiertas destinadas al uso normal, la elección recae hacia mezclas más bien duras para prolongar la duración del neumático, recurriendo, para tener un buen agarre, a un cuidadoso estudio del dibujo. Éste está formado por una red de acanaladuras diferentes en anchura y profundidad, cuya disposición viene determinada por la estabilidad en condiciones de terreno seco o mojado. De hecho, en un neumático para empleo sobre carretera, o sea no concebido para un determinado uso, la banda de rodadura, y por tanto el dibujo del neumático, en la práctica consiste en una serie de tacos que con su comportamiento bajo los esfuerzos condicionan la adherencia y el desgaste; en consecuencia, éstos dependerán tanto de la extensión de la superficie adherente como de su distribución en la superficie de la huella respecto a la dirección del movimiento. Cuanto más grande sea su flexibilidad, mayor será el ángulo de deriva que adoptará el neumático en las curvas.
La flexibilidad de un taco individual es proporcional a su altura (profundidad de los surcos) e inversamente proporcional a su sección (extensión de la superficie); por tanto, la deriva resultante será, sobre terreno seco y a igualdad de cualquier otra condición, mayor para un neumático con dibujo estrecho y profundo, y menor en el caso de dibujo reducido o poco profundo.
Por este motivo, un neumático con banda de rodadura lisa (o bien con una banda de rodadura con dibujo integral) obtiene la mejor adherencia. Desde luego, esto es válido solamente cuando la superficie de carretera está seca y perfectamente limpia, ya que, en caso de polvo, la excesiva rigidez del neumático es contraproducente, y, en caso de carretera mojada, la banda de rodadura lisa no consigue evacuar el agua, ofreciendo una débil adherencia incluso a bajas velocidades.
Los neumáticos de competición
Cabe realizar una descripción especial para los neumáticos de competición, es decir, para todas aquellas cubiertas concebidas y creadas expresamente para tal finalidad; estas cubiertas están estudiadas únicamente en función de mejorar la adherencia para cada una de las condiciones de la superficie de la carretera o pista.
La posibilidad de las frecuentes y rápidas substituciones durante una carrera ha llevado a una especialización exagerada, ya que se ha logrado realizar un gran número de neumáticos con prestaciones muy elevadas, pero para una gama de circunstancias muy reducidas en cada caso.
En líneas generales, una diferenciación se puede hacer entre los neumáticos de pista y los de carretera. Los primeros están concebidos para trabajar sobre superficies lisas, regulares, con elevado coeficiente de rozamiento y destinados a vehículos perfectamente comprobados en cuanto a los ángulos de las ruedas se refiere. Los segundos están destinados al uso de competición en todas las condiciones de firme irregular y no asfaltado: baches, tierra, hielo o nieve.
Los neumáticos de pista, los denominados racing, están constituidos por cubiertas sin cámara de aire y tienen poco en común con los convencionales; la carcasa, de estructura diagonal textil, para tener la máxima ligereza llega a carecer de la capa impermeable característica de los tubeless. Deberán estar montados sobre llantas perfectamente estancas y los talones están encolados o fijados mediante mordazas a los bordes de la acanaladura central. Los requisitos principales son la gran rigidez lateral y una gran adherencia de la banda de rodadura; estos resultados se obtienen bajando la altura de los flancos y adoptando mezclas especiales.
La banda de rodadura de los racing está constituida por una pasta muy blanda que se vuelve pegajosa con el aumento de la temperatura; dado que el intervalo de temperaturas en que se producen las mejores condiciones de adherencia es muy reducido, conviene calentar el neumático y, sobre todo, no superar la temperatura ideal por encima de la cual la pérdida de consistencia del caucho provoca desgastes muy rápidos, pérdida de adherencia y, al límite, la separación de la banda y el desgarre de la carcasa.
Puesto que la temperatura de la banda de rodadura está en función de la temperatura externa, del tipo de asfalto, del asentamiento del vehículo y de la conducción del piloto, es necesario escoger cada vez la mezcla adecuada a la temperatura de funcionamiento; como se produce una elevada cantidad de calor en la carcasa de estructura diagonal, es posible intervenir sobre la temperatura de la banda de rodadura variando la presión del neumático, o sea provocando un mayor o menor calentamiento por la histéresis de la cubierta.
Los racing especiales para lluvia conservan la misma carcasa, pero tienen una banda de rodadura con mucho dibujo (para permitir un drenaje eficaz y aumentar la presión específica), cuya mezcla, muy blanda, es adherente incluso a bajas temperaturas; estas cubiertas, si se utilizan en condiciones normales, se calientan rápidamente hasta el punto de provocar el despegue de la banda de rodadura.
Un tipo intermedio, denominado «para todo tiempo», está representado por neumáticos para seco con mezcla blanda y banda de rodadura de anchura reducida y con dibujo moderado. Se trata de una solución de compromiso a la que se recurre en caso de incertidumbre sobre el desarrollo de las condiciones atmosféricas cuando se prevé no efectuar la substitución de los neumáticos, pero que no da resultados satisfactorios en ningún caso.
En los años setenta se inició la producción experimental de neumáticos de pista con carcasa radial; tales neumáticos, conocidos inicialmente como racing de carretera o semirracing para su uso principalmente en carretera, son mejores que los de carcasa diagonal por la constancia dimensional y la ausencia de vibraciones; sin embargo, por su baja histéresis no pueden utilizar las mismas mezclas de gran adherencia de los racing convencionales.
Las cubiertas para carretera se subdividen en neumáticos de asfalto, de tierra e invernales; los primeros se aproximan mucho a los neumáticos de pista y pueden tener banda de rodadura lisa o adaptada, mediante unas ranuras que a veces se hacen en el propio terreno de la competición, de acuerdo con las particulares condiciones del recorrido. El tipo de tierra tiene una banda de rodadura con mucho dibujo con mezcla más bien dura, similar a los invernales, y una sección reducida en comparación con las cubiertas de los neumáticos para asfalto.
Sobre los recorridos nevados o helados se utilizan neumáticos con los relieves del dibujo muy acusados, con mezclas más bien blandas, preparados para ser provistos de clavos; éstos varían en el número, en lo que sobresalen y en su disposición en función del estado del recorrido y de los reglamentos particulares. Una sigla muy usada para estos neumáticos es M + S, que significa barro + nieve (en inglés, mud and snow).
Cuando los clavos están prohibidos o limitados, se recurre a mezclas muy blandas y a las llamadas superadherentes o de fricción (se definen así aquellas mezclas que, a igualdad de dibujo, dan una adherencia sobre hielo superior a la convencional); para mejorar la estabilidad en las condiciones de adherencia muy escasa en que son utilizadas, estas cubiertas tienen una sección muy reducida con objeto de obtener una elevada presión específica.
Todas estas cubiertas especiales dan prestaciones extraordinarias, pero sólo tienen aplicación en el campo de las competiciones; la contribución de tales experiencias a la producción de serie se reduce a la puesta a punto de nuevas mezclas y dibujos, en tanto que no se prevé una aplicación inmediata en la producción de serie de neumáticos muy anchos con banda de rodadura lisa o de cubiertas invernales con más de 500 clavos que sobresalgan algunos milímetros.
La tendencia de los fabricantes está orientada hacia la producción de neumáticos cada vez más anchos y bajos; basta pensar que los llamados low-profile en pocos años han pasado de la relación altura/sección de 0,88 a 0,55 y menos. Estos modelos, que a veces sólo encuentran justificación en el aspecto estético, mientras que no aportan ventajas apreciables al usuario normal en el plano funcional, plantean problemas por sus dimensiones, la geometría de la dirección y de las suspensiones y, sobre todo, tienen el inconveniente de un coste elevado.
En el plano experimental, y debido en parte al empuje dado por los fabricantes de coches, se aspira a la realización de un neumático insensible a los pinchazos o que en cualquier caso no imponga la presencia de la rueda de recambio. En tal sentido, las propuestas más concretas son el Denovo total-mobüity de la Dunlop y el Dip triangular de la Pirelli.
El Denovo es un neumático muy similar a los convencionales tubeless, dotado de una carcasa muy flexible y resistente, y con los talones fijados a la llanta; en caso de aflojamientos, el neumático no se sale de la acanaladura de la llanta y el aplastamiento provoca la rotura de algunos recipientes colocados en su interior. El líquido que contienen tiene la doble función de lubricar las superficies que rozan y de restablecer, con su evaporación parcial, una presión de 0,3 atm. En estas condiciones, el neumático puede recorrer más de 150 km a la velocidad de 80 km/h.
En el caso del Pirelli triangular se ha intentado realizar un neumático completamente nuevo, con estructura y principio de funcionamiento diferentes de la concepción tradicional. Mientras que en un neumático normal el peso del coche tira hacia abajo y los flancos de la parte superior del neumático y el aire sirven solamente para hacer rígida la estructura, en este nuevo neumático la rueda se apoya sobre los dos flancos en la zona adyacente a la superficie de la huella. Así, los flancos son solicitados por compresión en vez de por tracción, y el aire sirve solamente para evitar el contacto entre ellos y la banda de rodadura y determina que el sistema sea más elástico.
La principal ventaja de este tipo de neumático reside en la notable economía y sencillez de- construcción, dado que todos los elementos están sometidos a compresión, solicitación que el caucho soporta muy bien; por tanto, no son necesarias las estructuras de ligazón (las telas), que en la carcasa convencional resultan imprescindibles para dar la resistencia a la tracción de que carece el caucho. En realidad, está prevista una cintura estabilizadora en la zona de la banda de rodadura y los anillos de refuerzo de los talones, mientras que el resto del neumático, totalmente de caucho, no necesita los complejos procedimientos de fabricación de las telas y de la carcasa.