El ingeniero tudelano Carlos García Vidaurreta ha desarrollado sistemas capaces de absorber impactos, reducir vibraciones y adaptar su rigidez a distintas necesidades mecánicas.
Los muelles planos pueden sustituir a los tradicionales muelles helicoidales en determinados sistemas de suspensión, según ha demostrado una investigación desarrollada en la Universidad Pública de Navarra (UPNA). El trabajo del ingeniero tudelano Carlos García Vidaurreta ha probado esta solución en un remolque ligero de carga, que ha superado la ITV con el nuevo sistema instalado.
Los ensayos han mostrado además que estos muelles planos han ofrecido un comportamiento ligeramente superior al componente convencional. La tesis también ha permitido desarrollar dispositivos para absorber impactos y un muelle con rigidez regulable destinado a reducir las vibraciones producidas por un motor sometido a cargas variables.
Carlos García Vidaurreta, nacido en Tudela en 1997, ha centrado su tesis doctoral en unos dispositivos conocidos como disipadores mecánicos de energía o MEA, por sus siglas en inglés de ‘mechanical energy absorbers’. El investigador pertenece al Instituto de Smart Cities (ISC) de la UPNA.
Estos elementos son piezas planas, generalmente fabricadas en metal, sobre las que se realizan patrones geométricos radiales. Los cortes crean una serie de brazos flexibles que comunican distintos anillos concéntricos.
Cuando se ejerce una fuerza perpendicular sobre el disco, esos brazos se deforman. El dispositivo es así capaz de absorber una cantidad importante de energía, según ha explicado el autor de la investigación.
El comportamiento de cada una de estas piezas puede adaptarse modificando aspectos como el número, la longitud o la anchura de los brazos, el espesor del disco, la cantidad de anillos o la separación entre ellos. Esa capacidad de variar su geometría permite utilizar estos sistemas para absorber impactos, controlar vibraciones o proteger estructuras y otros componentes mecánicos.
Una de las líneas de trabajo de la tesis se ha centrado precisamente en estudiar cómo se comportan estos disipadores cuando una fuerza provoca una deformación permanente del material. Este funcionamiento podría resultar útil en sistemas de seguridad diseñados para reducir los efectos de impactos o movimientos sísmicos.
En esos casos, el dispositivo absorbe energía al deformarse y puede ser sustituido una vez que se ha producido el impacto. Para analizar este comportamiento, García Vidaurreta ha diseñado dos geometrías diferentes mediante análisis por elementos finitos.
Este sistema informático permite dividir virtualmente una pieza en numerosas partes pequeñas y calcular cómo responde cada una ante una determinada fuerza. Los modelos diseñados se han fabricado posteriormente y se han sometido a ensayos mecánicos, que han permitido comprobar la precisión de las simulaciones informáticas.
El estudio ha analizado además otras configuraciones. Los resultados han permitido comprobar que piezas con dimensiones iguales y una capacidad similar para absorber energía pueden presentar respuestas diferentes durante la aplicación de la carga.
Esta característica hace posible seleccionar cada geometría en función de las necesidades de la aplicación. El diseño puede adaptarse así al comportamiento mecánico que se pretende conseguir.
Una de las principales aplicaciones prácticas de la tesis ha sido la sustitución del muelle helicoidal de la suspensión de un remolque utilitario por un sistema compuesto por muelles planos. Se trata de un diseño aplicado con éxito por primera vez en el sector automovilístico, según ha indicado el investigador.
La solución ha empleado dos discos previamente deformados cuya respuesta mecánica reproduce el funcionamiento del componente convencional. Su geometría se ha calculado mediante simulaciones informáticas y posteriormente se ha comprobado con varios prototipos físicos.
Tras estas pruebas, los muelles planos se han instalado directamente en un remolque ligero. El vehículo modificado se ha llevado después a una estación oficial de ITV, donde ha sido evaluado con el nuevo sistema de suspensión.
El remolque ha cumplido los requisitos establecidos por la normativa europea de homologación. Los resultados obtenidos han mostrado, según García Vidaurreta, que los nuevos elementos no solo han satisfecho las exigencias, sino que incluso han mejorado ligeramente el rendimiento ofrecido por un muelle helicoidal convencional.
El investigador ha destacado también varias posibles ventajas de los muelles planos para la industria del automóvil. Entre ellas figuran un diseño más compacto, una elevada rigidez frente a deformaciones laterales y un proceso de fabricación más versátil y escalable.
La tesis defendida en la UPNA ha estudiado igualmente un muelle plano de rigidez regulable. La denominada constante elástica determina la fuerza necesaria para deformar un muelle una determinada cantidad, de modo que cuanto mayor sea esta constante, mayor es también su rigidez.
El sistema diseñado permite modificar la longitud útil de los brazos flexibles del disco. De esta forma, es posible cambiar la rigidez del muelle sin necesidad de sustituir físicamente el elemento.
El comportamiento de este mecanismo se ha estudiado mediante simulaciones y se ha validado posteriormente con una máquina de ensayos de tracción, capaz de aplicar una fuerza controlada y registrar la deformación que se produce.
El dispositivo se ha probado también para amortiguar las vibraciones generadas por un motor sometido a cargas variables. La modificación de la rigidez permite cambiar la frecuencia natural del sistema, es decir, el ritmo al que este tiende a vibrar.
Este ajuste permite evitar que esa frecuencia coincida o se aproxime a las vibraciones que produce el propio motor. Cuando ambas frecuencias son similares puede aparecer la resonancia, un fenómeno que amplifica el movimiento y que puede provocar un mayor desgaste o daños en los componentes.
La capacidad de regulación permite mantener unas condiciones adecuadas de amortiguación aunque cambie el funcionamiento del motor, sin tener que sustituir el elemento mecánico. En el montaje experimental se han utilizado dos tipos diferentes de discos, seleccionados en función del peso soportado en cada punto de apoyo.
El trabajo realizado desde la UPNA y su campus de Tudela también ha incluido una revisión de las investigaciones científicas publicadas hasta ahora sobre los muelles planos y su utilización como disipadores mecánicos de energía. Estos componentes se emplean ya en campos como los sistemas microelectromecánicos, la robótica, el transporte o la refrigeración.
También cuentan con aplicaciones relacionadas con el control de vibraciones y con sistemas de micro y nanoprecisión. El análisis realizado ha concluido que el acero inoxidable es el material utilizado con mayor frecuencia en este tipo de dispositivos.
Entre los principales métodos de fabricación aparecen la electroerosión por hilo, el corte por láser y el corte por chorro de agua. La revisión científica ha detectado además que aproximadamente un tercio de los estudios analizados no incluía pruebas experimentales.
La tesis ha subrayado por ello la importancia de contrastar los modelos matemáticos y las simulaciones con piezas realmente fabricadas y ensayos físicos. Esa ha sido precisamente una de las características de los dispositivos desarrollados durante el trabajo de Carlos García Vidaurreta.
La tesis lleva por título ‘Disipador mecánico de energía’ y ha sido dirigida por dos docentes del Departamento de Ingeniería del campus de Tudela de la UPNA: el catedrático Juan Ignacio Latorre Biel, investigador del Instituto ISC, y el profesor titular José Ramón Alfaro López.
El trabajo se ha desarrollado dentro del programa de doctorado en Ciencias y Tecnologías Industriales. La tesis se presenta como un compendio de cuatro artículos científicos, tres de ellos publicados en revistas internacionales incluidas en el Journal Citation Reports (JCR) y un cuarto que se encuentra en proceso de revisión.
Carlos García Vidaurreta ha estudiado en la UPNA el grado en Ingeniería en Diseño Mecánico y posteriormente el máster universitario en Ingeniería Mecánica Aplicada y Computacional. Entre 2021 y 2023 ha trabajado en la oficina técnica de la empresa Ventilación Axial Ibérica.
El ingeniero también ha desarrollado actividad docente en la Universidad Internacional de La Rioja y en la UPNA. En la universidad pública navarra ha impartido 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, García Vidaurreta desarrolla labores docentes en la asignatura Tecnología Avanzada del Prototipado, impartida en el campus de Tudela, y dirige trabajos de fin de grado.
