Diseño y fabricación en fibra de basalto y de carbono de un cuadro de bicicleta de competición

En el presente trabajo se realizan tres tipos de análisis, recogidos en la norma de homologación de bicicletas, en los que se busca estudiar la viabilidad de la construcción de cuadros en fibra de basalto. Como conclusión se ha obtenido que la configuración óptima es dividir el cuadro de la bicicleta en dos zonas: zona de confort realizada en fibra de basalto y zona de potencia realizada en fibra de carbono.

El mercado de bicicletas de gama alta está copado por el empleo de fibra de carbono. El uso de este material permite obtener unos ratios de rigidez frente a peso, por tanto de rendimiento, inalcanzables para otros materiales. Esta rigidez de la estructura se traduce en una inmediata transmisión de las fuerzas de pedaleo que ejerce el ciclista y una óptima estabilidad en curvas a alta velocidad. Sin embargo, en el plano longitudinal, supone que todas las irregularidades del terreno se trasladen directamente al cuerpo del ciclista, incurriendo en un exceso de fatiga muscular.

En este trabajo se estudia la posibilidad de fabricar un cuadro de bicicleta de competición usando fibra de basalto. Conocidas las buenas propiedades mecánicas de resistencia del material, flexibilidad y baja densidad, se plantea la aplicación del mismo en ciertas partes del marco con el objetivo de incrementar la comodidad de rodadura y la absorción de impactos, pero sin perjudicar la rigidez global de la estructura y, como consecuencia, la óptima transmisión de fuerzas y bajo peso que presentan las bicicletas fabricadas en fibra de carbono.

Para encontrar una solución de compromiso entre rigidez y comodidad, se procede a analizar el mismo cuadro de bicicleta, con el mismo laminado, pero cambiando los materiales. Los análisis se han realizado usando el programa de elementos finitos Abaqus y están basados en la normativa de homologación de bicicletas UNE-EN 14781 [1].

Todos los ensayos están enfocados a la posterior fabricación del cuadro de bicicleta, que se realizará mediante ‘filament winding’. El proceso productivo es el denominado ‘tubo a tubo’ y en el que se usan racores fabricados en fibra de carbono para la unión de los tubos que forman el marco.

Los tres casos de carga que se analizan están basados en la norma UNE-EN 14781, de obligado cumplimiento para la homologación de bicicletas de carretera. Se procede a estudiar la viabilidad de la fibra de basalto para la construcción de cuadros de bicicleta de competición, con el objetivo de mejorar la flexibilidad vertical de la estructura sin comprometer la rigidez lateral-direccional de la misma.

Los casos de carga que se realizan están basados en la determinación de la rigidez global de la estructura ante la aplicación de una serie de cargas, según se muestra en la figura 1 (a), (b), (c).

1. Test de rigidez de pedaleo: se busca la deflexión mínima de la caja de pedalier.
2. Test de rigidez a torsión ante una carga transversal aplicada en el tubo de dirección: se busca el giro mínimo de la estructura ante una torsión pura del tubo de la dirección.
3. Test de flexibilidad vertical: disminución de la rigidez del tubo vertical y de la tija del sillín, para una mejor absorción de impactos.

En cada ensayo, se mide el desplazamiento u producido por la carga F en el punto de aplicación de la misma para posteriormente obtener la rigidez de la estructura en cada caso según K = F/u (1).

El objetivo principal de este estudio es obtener unos parámetros de rigidez de pedaleo y de rigidez a torsión del tubo de dirección lo más alto posible, para una eficiente transmisión de las fuerzas de pedaleo y una alta estabilidad en curva a alta velocidad respectivamente. Por otro lado, la rigidez para el ensayo de flexibilidad vertical, debe ser lo más baja posible para mejorar la comodidad en ruta.

Todos los casos de carga están realizados sobre la geometría que se muestra en la figura 2, empleando siempre las mismas secciones de tubo y el mismo laminado. El laminado que se emplea es el que se ha entendido como más adecuado tras realizar modelos previos.

En los distintos casos de carga que se analizan, se procede a sacar conclusiones debidas a fabricar la estructura en fibra de carbono, en fibra de basalto y mediante una configuración mixta utilizando fibra de basalto y carbono. Para la configuración mixta, se considera dividir la estructura en dos zonas, como muestra en la figura 2:

• Zona de confort, realizada en fibra de basalto: Tubo horizontal, vertical y tirantes. Se considera que son estos perfiles los que contribuyen a mejorar los resultados de flexibilidad y absorción de impactos.
• Zona de potencia, realizada en fibra de carbono: Tubo de dirección, diagonal y vainas. Es en esta parte de la estructura donde se busca maximizar los resultados de rigidez de pedaleo y de rigidez a torsión del tubo de dirección.

2.1. Test de rigidez de pedaleo

Se compara, en este apartado los resultados de rigidez de pedaleo. Tal y como se muestra en la figura 1 (a), se aplica una carga de 1100 N en el pedal que se descompone en los ejes X, Y, Z, según F = [0, -191.01, -1083.29] N. El estudio que se realiza es el debido a la aplicación de la fuerza transversal al plano lateral de la estructura, FY. Las condiciones de contorno en desplazamientos que se dan son:

• Puntera (zona de anclaje de la rueda trasera): desplazamientos impedidos y giros permitidos en todos los ejes.
• Zona inferior del tubo de dirección: desplazamientos y giros impedidos, excepto el giro según el eje Y.

Se representa, en la tabla 1 los resultados de desplazamientos obtenidos al analizar la estructura fabricada en las tres configuraciones descritas.

Por consiguiente, según (1), las rigideces globales de las estructuras debidas a las fuerzas de pedaleo son las que se muestran en la figura 3.

La figura 3 muestra que la mayor rigidez de pedaleo corresponde al caso de toda la estructura realizada en fibra de carbono, empeorando los resultados en más de un 50% el uso de fibra de basalto. Sin embargo, una configuración mixta, no implica una reducción significativa de los resultados de rigidez.

2.2. Test de rigidez de dirección

Se evalúa en este caso la rigidez a torsión del tubo de dirección, para evaluar la estabilidad en curva a alta velocidad. Tal y como se muestra en la figura 1 (b), se toman como condiciones de contorno en desplazamientos:

• Punteras: desplazamientos impedidos y giros permitidos.
• Pivote tubo de dirección: sólo giro según X permitido.
• Tubo vertical: empotramiento de la parte superior.

Este ensayo aplica la carga de 500 N mostrada en la figura 1 (b) según Y, a una distancia de 352,5 mm de la zona inferior del tubo de la dirección, generando un momento según X igual a Mx = 176,25 Nm. Se representa en la tabla 2 el giro según X producido en el tubo de la dirección, debido a la aplicación de esta fuerza, medido en grados.

Se muestran en la figura 4 los parámetros globales de rigidez a torsión del tubo de dirección obtenidos al analizar la estructura fabricada en fibra de carbono, fibra de basalto y mediante la configuración híbrida de ambas.

Interesa en este apartado tener la mayor rigidez torsional posible de la estructura, ya que esto se traducirá en una mayor seguridad y confianza para el ciclista al negociar curvas a alta velocidad. Se observa en la figura 4 que la mayor rigidez corresponde a la estructura fabricada mediante la configuración mixta descrita.

2.3. Test de flexibilidad vertical

Este ensayo busca evaluar la comodidad de rodadura. El objetivo es tener un mayor grado de flexibilidad vertical, para la mejor absorción de las irregularidades e impactos que puedan darse sobre el ciclista al circular por caminos o carreteras en mal estado.

La figura 1 (c) muestra la fuerza vertical que se aplica, Fz = - 700 N y se mide el desplazamiento uz, en el punto de aplicación de la misma. Las condiciones de contorno en desplazamientos que se consideran son:

• Punteras: se impiden todos los desplazamientos y giros.
• Extremo inferior del tubo de dirección: se impiden todos los desplazamientos y giros, excepto el desplazamiento según X y el giro según Y.

En todos los casos, el tubo del sillín se mantiene en fibra de basalto. se recoge en la tabla 3 el desplazamiento uz que se genera en el punto de aplicación de la carga.

La figura 5 muestra los parámetros globales de flexibilidad vertical obtenidos al analizar los tres tipos de estructuras.

Este apartado busca obtener una mayor flexibilidad vertical para la correcta amortiguación de las irregularidades del terreno y que esta reducción de los impactos implique una menor fatiga muscular en el ciclista. El emplear fibra de basalto para la fabricación del tubo horizontal, vertical y tirantes, implica asemejar los resultados de flexibilidad a la estructura completa en fibra de basalto.

Se han realizado análisis para corroborar la viabilidad del uso de fibra de basalto para la fabricación de cuadros de bicicleta. Los ensayos realizados demuestran como una correcta configuración de los tubos de la bicicleta realizados en fibra de basalto y de carbono, permite optimizar tanto los parámetros de rigidez de pedaleo y de dirección, así como aumentar el grado de flexibilidad vertical de la estructura incurriendo en una mayor comodidad de rodadura.

Dividiendo la estructura en zona de confort (tubo horizontal, vertical y tirantes) y zona de potencia (tubo de dirección, diagonal y vainas), se obtienen unos resultados que permiten ofrecer una estructura totalmente equilibrada, conjugando alta rigidez para una óptima transmisión de las fuerzas de pedaleo y dirección, y, por otro lado, una alta flexibilidad vertical, que implica una mayor comodidad de uso.

Referencias

1. UNE-EN 14781. Bicicletas de carreras. Requisitos de seguridad y métodos de ensayo.