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Neumático

Surtido de neumáticos de carretera nuevos para automóviles, que muestran una variedad de patrones de banda de rodadura.
Los neumáticos del tractor tienen nervaduras y huecos importantes para lograr tracción en terrenos blandos.

Un neumático ( en inglés : tire ) es un componente con forma de anillo que rodea la llanta de una rueda para transferir la carga de un vehículo desde el eje a través de la rueda hasta el suelo y para proporcionar tracción en la superficie sobre la que se desplaza la rueda. La mayoría de los neumáticos, como los de los automóviles y las bicicletas, son estructuras infladas neumáticamente , que proporcionan un cojín flexible que absorbe el impacto a medida que el neumático rueda sobre las características rugosas de la superficie. Los neumáticos proporcionan una huella, llamada parche de contacto , diseñada para coincidir con el peso del vehículo y el apoyo en la superficie sobre la que rueda ejerciendo una presión que evitará deformar la superficie.

Los materiales de los neumáticos modernos son caucho sintético , [1] caucho natural , tela y alambre, junto con negro de carbono y otros compuestos químicos. Constan de una banda de rodadura y un cuerpo. La banda de rodadura proporciona tracción mientras que el cuerpo proporciona contención para una cantidad de aire comprimido . Antes de que se desarrollara el caucho , los neumáticos eran bandas de metal colocadas alrededor de ruedas de madera para mantener la rueda unida bajo carga y evitar el desgaste. Los primeros neumáticos de caucho eran sólidos (no neumáticos). Los neumáticos neumáticos se utilizan en muchos vehículos, incluidos automóviles , bicicletas , motocicletas , autobuses , camiones , equipos pesados ​​​​y aviones . Los neumáticos de metal se utilizan en locomotoras y vagones de ferrocarril , y los neumáticos de caucho sólido (u otros polímeros) también se utilizan en varias aplicaciones no automotrices, como ruedas , carros , cortadoras de césped y carretillas .

Los neumáticos sin mantenimiento pueden provocar graves peligros para los vehículos y las personas, desde pinchazos que dejan el vehículo inoperativo hasta reventones , en los que los neumáticos explotan durante el funcionamiento y posiblemente dañen los vehículos y lesionen a las personas. La fabricación de neumáticos suele estar muy regulada por este motivo. Debido al uso generalizado de neumáticos para vehículos de motor, los residuos de neumáticos constituyen una parte sustancial de los residuos mundiales. Existe la necesidad de reciclar los neumáticos mediante el reciclaje mecánico y la reutilización, como en el caso del caucho molido y otros agregados derivados de los neumáticos , y la pirólisis para la reutilización química, como en el caso del combustible derivado de los neumáticos . Si no se reciclan adecuadamente o se queman , los neumáticos usados ​​liberan sustancias químicas tóxicas al medio ambiente. Además, el uso habitual de neumáticos produce partículas microplásticas que contienen estas sustancias químicas que entran en el medio ambiente y afectan a la salud humana. [2]

Etimología y ortografía

La palabra neumático es una forma corta de vestimenta , de la idea de que una rueda con neumático es una rueda vestida. [3] [4]

Tyre es la ortografía más antigua, [5] y tanto tire como tire se usaron durante los siglos XV y XVI. Durante los siglos XVII y XVIII, tire se volvió más común en la prensa escrita. La ortografía tire no reapareció hasta la década de 1840, cuando los ingleses comenzaron a ajustar por contracción las ruedas de los vagones de ferrocarril con hierro maleable. Sin embargo, muchos editores continuaron usando tire . El periódico Times de Londres todavía usaba tire hasta 1905. [6] La ortografía tire comenzó a usarse comúnmente en el siglo XIX para los neumáticos neumáticos en el Reino Unido. La edición de 1911 de la Encyclopædia Britannica afirma que "la ortografía 'tyre' no es aceptada actualmente por las mejores autoridades inglesas y no es reconocida en los EE. UU." , [7] mientras que el Modern English Usage de Fowler de 1926 describe que "no hay nada que decir a favor de 'tyre', que es etimológicamente incorrecto, así como innecesariamente divergente de nuestro propio uso [británico] más antiguo y del actual uso estadounidense". [8] Sin embargo, durante el siglo XX, tire se estableció como la ortografía británica estándar. [4]

Historia

John Boyd Dunlop en bicicleta, hacia  1915

Los primeros neumáticos eran bandas de cuero , [9] luego de hierro (más tarde de acero ) colocadas sobre ruedas de madera utilizadas en carros y carretas . Un trabajador experto, conocido como carretero , hacía que el neumático se expandiera calentándolo en el fuego de una fragua , colocándolo sobre la rueda y enfriándolo, lo que hacía que el metal se contrajera de nuevo a su tamaño original para ajustarse firmemente a la rueda.

La primera patente de lo que parece ser un neumático estándar apareció en 1847 y fue presentada por el inventor escocés Robert William Thomson . [10] Sin embargo, esta idea nunca entró en producción. El primer neumático práctico fue fabricado en 1888 en May Street, Belfast , por el escocés John Boyd Dunlop , propietario de una de las clínicas veterinarias más prósperas de Irlanda. Fue un esfuerzo para prevenir los dolores de cabeza de su hijo Johnnie, de 10 años, mientras montaba su triciclo en pavimentos irregulares. Su médico, John, más tarde Sir John Fagan, había prescrito el ciclismo como ejercicio para el niño y era un visitante habitual. Fagan participó en el diseño de los primeros neumáticos. El ciclista Willie Hume demostró la supremacía de los neumáticos Dunlop en 1889, ganando las primeras carreras de neumáticos en Irlanda y luego en Inglaterra. [11] [12] En la especificación de la patente de neumáticos de Dunlop, fechada el 31 de octubre de 1888, su interés se centra únicamente en su uso en bicicletas y vehículos ligeros. En septiembre de 1890, se le informó de un desarrollo anterior, pero la empresa se guardó la información para sí misma. [13]

En 1892, la patente de Dunlop fue declarada inválida debido a la técnica anterior por el olvidado compatriota escocés Robert William Thomson de Londres (patentes Londres 1845, Francia 1846, EE. UU. 1847). Sin embargo, a Dunlop se le atribuye el mérito de "darse cuenta de que el caucho podía soportar el desgaste de ser un neumático manteniendo su resiliencia". [14] John Boyd Dunlop y Harvey du Cros superaron las considerables dificultades que surgieron. Contrataron al inventor Charles Kingston Welch y adquirieron otros derechos y patentes, lo que les permitió una protección limitada de la posición de su negocio de neumáticos neumáticos . Neumáticos neumáticos se convertiría en Dunlop Rubber y Dunlop Tyres . El desarrollo de esta tecnología dependió de una miríada de avances de ingeniería, incluida la vulcanización del caucho natural utilizando azufre, así como el desarrollo de la llanta "clincher" para mantener el neumático en su lugar lateralmente en la llanta de la rueda.

Los cauchos sintéticos fueron inventados en los laboratorios de Bayer en la década de 1920. [15] La escasez de caucho en el Reino Unido durante la Segunda Guerra Mundial impulsó la investigación sobre alternativas a los neumáticos de caucho con sugerencias que incluían cuero, amianto comprimido, rayón, fieltro, cerdas y papel. [16]

En 1946, Michelin desarrolló el método de construcción de neumáticos radiales . Michelin había comprado la empresa automovilística Citroën en quiebra en 1934 para utilizar esta nueva tecnología. Debido a su superioridad en manejo y economía de combustible, [17] el uso de esta tecnología se extendió rápidamente por toda Europa y Asia. [18] En los EE. UU., la construcción de neumáticos de capas diagonales obsoleta persistió hasta que la Ford Motor Company adoptó los neumáticos radiales a principios de la década de 1970, [19] después de un artículo de 1968 en una influyente revista estadounidense, Consumer Reports , que destacaba la superioridad de la construcción radial. [20] [21] La industria de neumáticos estadounidense perdió su participación de mercado ante los fabricantes japoneses y europeos, [22] que compraron empresas estadounidenses. [23]

Aplicaciones

Los neumáticos se pueden clasificar según el tipo de vehículo al que sirven. Se pueden distinguir por la carga que transportan y por su aplicación, por ejemplo, en un vehículo de motor, un avión o una bicicleta.

Automotor

Trabajo ligero y medio

Neumático de invierno con clavos
Un neumático de invierno sin tacos, que muestra un dibujo de la banda de rodadura diseñado para compactar la nieve en los huecos. [24]
Neumáticos de rally de alto rendimiento

Los neumáticos de servicio ligero para vehículos de pasajeros transportan cargas en el rango de 550 a 1100 libras (250 a 500 kg) en la rueda motriz. Los camiones y furgonetas de servicio ligero a mediano transportan cargas en el rango de 1100 a 3300 libras (500 a 1500 kg) en la rueda motriz. [25] Se diferencian por la clasificación de velocidad para diferentes vehículos, incluyendo (empezando por la velocidad más baja a la más alta): neumáticos de invierno, neumáticos para camiones ligeros, neumáticos para automóviles de nivel básico, sedanes y furgonetas, sedanes deportivos y automóviles de alto rendimiento. [26] Además de los neumáticos de carretera, existen categorías especiales:

Otros tipos de neumáticos para vehículos de servicio liviano incluyen los neumáticos run-flat y los neumáticos para autos de carrera:

Trabajo pesado

Neumáticos todoterreno en transporte

Los neumáticos de servicio pesado para camiones y autobuses grandes vienen en una variedad de perfiles y transportan cargas en el rango de 4000 a 5500 libras (1800 a 2500 kg) en la rueda motriz. [25] Estos generalmente se montan en tándem en el eje motriz. [34]

Otro

Los aviones, las bicicletas y una variedad de aplicaciones industriales tienen requisitos de diseño distintos.

Neumáticos en las ruedas de un bogie de un Boeing 777

Tipos de construcción

Una sección transversal de un neumático que muestra las orientaciones de las capas.

La construcción de neumáticos abarca los neumáticos neumáticos utilizados en automóviles, camiones y aviones, pero también incluye aplicaciones no automotrices con aplicaciones de movimiento lento, de servicio liviano o ferroviarias, que pueden tener neumáticos no neumáticos.

Automotor

Tras el anuncio de Consumer Reports en 1968 sobre la superioridad del diseño radial, los neumáticos radiales comenzaron un ascenso inexorable en participación de mercado, alcanzando el 100% del mercado norteamericano en la década de 1980. [20] La tecnología de neumáticos radiales es ahora el diseño estándar para prácticamente todos los neumáticos de automóviles, pero se han utilizado otros métodos. [26]

La construcción de neumáticos radiales (o de capas radiales) utiliza cordones de capas de carrocería que se extienden en línea recta a través de la banda de rodadura de talón a talón, de modo que los cordones se colocan en ángulos aproximadamente rectos con respecto a la línea central de la banda de rodadura y paralelos entre sí, así como cinturones estabilizadores directamente debajo de la banda de rodadura. Las capas generalmente están hechas de nailon, poliéster o acero, y los cinturones de acero, fibra de vidrio o kevlar . [46] [47] La ​​huella del neumático, más ancha que la de un neumático diagonal, y las paredes laterales flexibles proporcionan un mejor agarre en las curvas, y sus cinturones circunferenciales lo estabilizan. Las ventajas de esta construcción sobre la de un neumático diagonal son muchas, incluida una mayor vida útil de la banda de rodadura, mejor control de la dirección, menor resistencia a la rodadura , mejor economía de combustible, desgaste más uniforme, mayor resistencia al calor, menos reventones y una conducción más estable y cómoda a alta velocidad. Las desventajas, además de un costo más alto que el de los neumáticos diagonales, son una conducción más dura a bajas velocidades y, en general, un peor rendimiento en terrenos accidentados. [48] ​​[49] [26] Los neumáticos radiales también rara vez se ven en diámetros mayores a 42 pulgadas, ya que dichos neumáticos son difíciles de fabricar. [50]

La construcción de neumáticos diagonales (de capas diagonales o de capas cruzadas) utiliza cordones de capas del cuerpo que se extienden en diagonal de talón a talón, generalmente en ángulos de 30 a 40 grados desde la dirección de desplazamiento. [51] Las capas sucesivas se colocan en ángulos opuestos, formando un patrón entrecruzado al que se aplica la banda de rodadura. Este diseño es resistente a la deformación de la pared lateral y a las perforaciones (y a la expansión de las perforaciones o "división de torsión") y, por lo tanto, duradero en uso severo. [52] Dado que la banda de rodadura y las paredes laterales comparten sus capas de carcasa, el cuerpo del neumático se flexiona como un todo, lo que proporciona la principal ventaja de esta construcción, mejor tracción y movimiento más suave en superficies irregulares, con una mayor tendencia a adaptarse a terrenos rocosos y a desprenderse de barro y arcilla, especialmente porque el caucho suele ser de un compuesto más blando que el utilizado en los neumáticos radiales. Sin embargo, esta conformidad aumenta la resistencia al rodamiento de un neumático diagonal, y su rigidez permite menos control, tracción y comodidad a velocidades más altas, mientras que el corte entre sus capas superpuestas provoca fricción que genera calor. [53] [54] [55] [26] Aún así, los neumáticos diagonales se benefician de una estructura más simple y, por lo tanto, cuestan menos que los radiales de tamaño similar, y siguen utilizándose en equipos pesados ​​y vehículos todoterreno, aunque el mercado de movimiento de tierras se ha desplazado hacia los radiales. [26] [56]

Un neumático diagonal con cinturón comienza con dos o más capas diagonales a las que se adhieren correas estabilizadoras directamente debajo de la banda de rodadura. Esta construcción proporciona una conducción más suave, similar a la del neumático diagonal, al tiempo que reduce la resistencia a la rodadura porque las correas aumentan la rigidez de la banda de rodadura. El diseño fue introducido por Armstrong, mientras que Goodyear lo popularizó con el neumático de marca registrada " Polyglas ", que presenta una carcasa de poliéster con correas de fibra de vidrio. [57] El neumático "con cinturón" comienza con dos capas principales de poliéster, rayón o nailon recocido como en los neumáticos convencionales, y luego se colocan encima correas circunferenciales en diferentes ángulos que mejoran el rendimiento en comparación con los neumáticos diagonales sin cinturón. Las correas pueden ser de fibra de vidrio o acero. [57]

Otro

Neumático sin aire

Los neumáticos sin cámara son neumáticos neumáticos que no requieren una cámara de aire separada.

Los neumáticos semineumáticos tienen un centro hueco, pero no están presurizados. Son livianos, de bajo costo, a prueba de pinchazos y brindan amortiguación. [58] Estos neumáticos a menudo vienen como un conjunto completo con la rueda e incluso cojinetes de bolas integrados . Se utilizan en cortadoras de césped , sillas de ruedas y carretillas . También pueden ser resistentes, generalmente se usan en aplicaciones industriales, [59] y están diseñados para no salirse de la llanta con el uso.

Un neumático sin aire es un neumático no neumático que no está sujeto a presión de aire. Se utilizan con mayor frecuencia en vehículos pequeños, como carros de golf, y en vehículos utilitarios en situaciones en las que el riesgo de pinchazo es alto, como en equipos de construcción. Muchos neumáticos utilizados en aplicaciones industriales y comerciales no son neumáticos y se fabrican a partir de compuestos de caucho y plástico sólidos mediante operaciones de moldeo. Los neumáticos sólidos incluyen los que se utilizan para cortadoras de césped, patinetas, carros de golf, scooters y muchos tipos de vehículos industriales ligeros, carros y remolques. Una de las aplicaciones más comunes de los neumáticos sólidos es para equipos de manipulación de materiales (montacargas). Dichos neumáticos se instalan utilizando una prensa de neumáticos hidráulica.

Las ruedas de madera para vehículos tirados por caballos suelen tener un neumático de hierro forjado . Esta construcción se extendió a los carros de los tranvías tirados por caballos, que rodaban sobre adoquines de granito o raíles de hierro fundido .

Las ruedas de algunas locomotoras y tipos más antiguos de material rodante están equipadas con neumáticos para ferrocarril para evitar la necesidad de reemplazar la totalidad de una rueda. El neumático, generalmente hecho de acero, rodea la rueda y se mantiene en su lugar principalmente mediante un ajuste por interferencia .

Los neumáticos de los aviones pueden funcionar a presiones que superan las 200 libras por pulgada cuadrada (14  bar ; 1.400  kPa ). [60] Algunos neumáticos de aviones se inflan con nitrógeno para "eliminar la posibilidad de una reacción química entre el oxígeno atmosférico y los gases volátiles del revestimiento interior del neumático que produzca una explosión del mismo". [61]

Fabricación

Los neumáticos se fabrican en unas 450 fábricas de neumáticos en todo el mundo. La producción de neumáticos comienza con materias primas a granel, como caucho, negro de carbono y productos químicos, y produce numerosos componentes especializados que se ensamblan y curan. Se utilizan muchos tipos de caucho, siendo el más común el copolímero de estireno-butadieno . [62]

Las previsiones para el mercado mundial de neumáticos para automóviles indican un crecimiento continuo hasta 2027. Las estimaciones sitúan el valor del volumen de ventas mundial en torno a los 126.000 millones de dólares en 2022 y se espera que alcance un valor de más de 176.000 millones de dólares en 2027. [63] La producción de neumáticos también está experimentando un crecimiento. En 2015, Estados Unidos fabricó casi 170 millones de neumáticos. [64] Anualmente se fabrican más de 2.500 millones de neumáticos, lo que convierte a la industria de los neumáticos en un importante consumidor de caucho natural. Se estima que para 2019 se venderán 3.000 millones de neumáticos a nivel mundial cada año. [65] Las estimaciones sitúan la producción mundial de neumáticos en 2.268 millones en 2021 y se prevé que alcance los 2.665 millones de neumáticos en 2027. [66]

En 2011, las tres principales empresas de fabricación de neumáticos por ingresos fueron Bridgestone (que fabricó 190 millones de neumáticos), Michelin (184 millones) y Goodyear (181 millones); les siguieron Continental y Pirelli . [67] [68] El grupo Lego produjo más de 318 millones de neumáticos de juguete en 2011 y fue reconocido por Guinness World Records como el fabricante con mayor producción anual de neumáticos. [69] [70]

Componentes

Componentes de un neumático radial
Neumáticos de bicicleta de montaña con un patrón de tacos abiertos para un mejor agarre en suelos blandos.
La ausencia de ranuras maximiza la fricción sobre pavimento seco en un juego de neumáticos lisos de Fórmula Uno

Un neumático consta de varios componentes: la banda de rodadura, el talón, la pared lateral, el hombro y la lona.

Pisada

La banda de rodadura es la parte del neumático que entra en contacto con la superficie de la carretera. La parte que está en contacto con la carretera en un momento dado se denomina parche de contacto . La banda de rodadura es un compuesto de caucho grueso o de caucho/compuesto formulado para proporcionar un nivel adecuado de tracción que no se desgaste demasiado rápido. [71]

El dibujo de la banda de rodadura se caracteriza por un sistema de ranuras circunferenciales, entalladuras laterales y ranuras para neumáticos de carretera [26] o un sistema de tacos y huecos para neumáticos diseñados para terrenos blandos o nieve. Las ranuras recorren circunferencialmente el neumático y son necesarias para canalizar el agua. Los tacos son la parte del diseño de la banda de rodadura que entra en contacto con la superficie de la carretera. Las ranuras, entalladuras y ranuras permiten que los neumáticos evacuen el agua.

El diseño de las bandas de rodadura y la interacción de tipos específicos de neumáticos con la superficie de la carretera afectan el ruido de la calzada , una fuente de contaminación acústica que emana de los vehículos en movimiento. Estas intensidades de sonido aumentan con velocidades más altas del vehículo. [72] Las bandas de rodadura de los neumáticos pueden incorporar una variedad de distancias entre ranuras ( longitudes de paso ) para minimizar los niveles de ruido en frecuencias discretas. Las entalladuras son hendiduras cortadas a lo largo del neumático, generalmente perpendiculares a las ranuras, que permiten que el agua de las ranuras escape lateralmente y mitigue el hidroplaneo . [26]

Los diferentes diseños de la banda de rodadura abordan una variedad de condiciones de conducción. A medida que aumenta la relación entre el área de la banda de rodadura del neumático y el área de las ranuras, también aumenta la fricción del neumático en el pavimento seco, como se ve en los neumáticos de Fórmula Uno , algunos de los cuales no tienen ranuras. Los neumáticos de alto rendimiento a menudo tienen áreas vacías más pequeñas para proporcionar más caucho en contacto con la carretera para una mayor tracción, pero pueden estar compuestos con caucho más blando que proporciona una mejor tracción, pero se desgasta rápidamente. [73] Los neumáticos para barro y nieve (M&S) emplean ranuras más grandes y profundas para enganchar el barro y la nieve. [26] Los neumáticos para nieve tienen ranuras aún más grandes y profundas que compactan la nieve y crean resistencia al corte dentro de la nieve compactada para mejorar el rendimiento de frenado y en las curvas. [74]

Las barras de desgaste (o indicadores de desgaste) son elementos elevados ubicados en la parte inferior de las ranuras de la banda de rodadura que indican que el neumático ha alcanzado su límite de desgaste. Cuando los tacos de la banda de rodadura están desgastados hasta el punto en que las barras de desgaste se conectan a través de los tacos, los neumáticos están completamente desgastados y deben retirarse del servicio, generalmente cuando la profundidad restante de la banda de rodadura es de 1,6 milímetros (0,063 pulgadas). [75]

Otro

El talón del neumático es la parte del neumático que entra en contacto con la llanta en la rueda. Este componente esencial está construido con cables de acero robustos revestidos de caucho duradero especialmente formulado para resistir el estiramiento. La precisión del ajuste del talón es crucial, ya que sella el neumático contra la rueda, manteniendo la integridad de la presión de aire y evitando cualquier pérdida de aire. El diseño del talón garantiza una conexión segura y antideslizante, evitando que el neumático gire independientemente de la rueda durante el movimiento del vehículo. Además, la interacción entre las dimensiones del talón y el ancho de la rueda influye significativamente en la capacidad de respuesta y la estabilidad de la dirección del vehículo, ya que ayuda a mantener la forma prevista del neumático y el contacto con la carretera.

El flanco es la parte del neumático, o neumático de bicicleta , que sirve de puente entre la banda de rodadura y el talón. El flanco está hecho en gran parte de caucho, pero reforzado con tela o cordones de acero que le proporcionan resistencia a la tracción y flexibilidad. El flanco contiene la presión del aire y transmite el par aplicado por el eje motriz a la banda de rodadura para crear tracción, pero soporta poco del peso del vehículo, como se desprende del colapso total del neumático cuando se pincha.

Las paredes laterales están moldeadas con detalles específicos del fabricante, etiquetas de advertencia exigidas por el gobierno y otra información para el consumidor. [76] [77]

Las paredes laterales también pueden tener, a veces, ornamentación decorativa que incluye inserciones de pared blanca o de línea roja, así como letras de neumáticos . [78]

El hombro es la parte del neumático que se encuentra en el borde de la banda de rodadura, donde hace la transición hacia la pared lateral. [79]

Las capas son capas de cordones relativamente inextensibles incrustados en el caucho [80] para mantener su forma al evitar que el caucho se estire en respuesta a la presión interna. Las orientaciones de las capas juegan un papel importante en el rendimiento del neumático y son una de las principales formas en que se clasifican los neumáticos. [81]

Manchas

Blem (abreviatura de "blemished") es un término que se utiliza para designar a un neumático que no pasó la inspección durante la fabricación, pero solo por razones superficiales, cosméticas o estéticas. Por ejemplo, un neumático con letras pintadas de blanco que esté manchado o incompleto podría clasificarse como un "blem". Los neumáticos con defectos son completamente funcionales y, por lo general, tienen la misma garantía que los neumáticos sin defectos, pero se venden con descuento. [82]

Materiales

Los materiales de los neumáticos modernos se pueden dividir en dos grupos, los cordones que forman la capa y el elastómero que los recubre.

Cordones

Las cuerdas, que forman la capa y el talón y proporcionan la resistencia a la tracción necesaria para contener la presión de inflado, pueden estar compuestas de acero , fibras naturales como el algodón o la seda , o fibras sintéticas como el nailon o el kevlar . Es importante una buena adherencia entre las cuerdas y el caucho. Para lograrlo, las cuerdas de acero se recubren con una fina capa de latón, [83] también se añadirán diversos aditivos al caucho para mejorar la unión, como mezclas de resorcinol / HMMM .

Elastómero

Aproximadamente el 50% de los neumáticos utilizan el copolímero de estireno-butadieno como ingrediente principal [15]

El elastómero, que forma la banda de rodadura y recubre los cordones para protegerlos de la abrasión y mantenerlos en su lugar, es un componente clave del diseño de los neumáticos. Puede estar compuesto de varios materiales compuestos de caucho (el más común es el copolímero de estireno-butadieno ) con otros compuestos químicos como sílice y negro de carbono .

Optimizar la resistencia a la rodadura en el material elastomérico es un desafío clave para reducir el consumo de combustible en el sector del transporte. Se estima que los vehículos de pasajeros consumen aproximadamente entre el 5 y el 15 % de su combustible para superar la resistencia a la rodadura, mientras que se entiende que la estimación es mayor para los camiones pesados. [84] Sin embargo, existe una compensación entre la resistencia a la rodadura y la tracción y el agarre en mojado: si bien se puede lograr una baja resistencia a la rodadura reduciendo las propiedades viscoelásticas del compuesto de caucho ( tangente baja (δ) ), se produce a expensas de la tracción y el agarre en mojado, lo que requiere histéresis y disipación de energía (tangente alta (δ)). Un valor de tangente baja (δ) a 60 °C se utiliza como indicador de baja resistencia a la rodadura, mientras que un valor de tangente alta (δ) a 0 °C se utiliza como indicador de alta tracción en mojado. [31] Diseñar un material elastomérico que pueda lograr tanto una alta tracción en mojado como una baja resistencia a la rodadura es clave para lograr seguridad y eficiencia de combustible en el sector del transporte.

El material elastómero más común utilizado hoy en día es un copolímero de estireno - butadieno . Combina las propiedades del polibutadieno , que es un polímero altamente gomoso ( Tg = -100 °C) que tiene una histéresis alta y, por lo tanto, ofrece buenas propiedades de agarre en mojado, con las propiedades del poliestireno , que es un polímero vítreo ( Tg = 100 °C) que tiene una histéresis baja y, por lo tanto, ofrece una baja resistencia a la rodadura además de resistencia al desgaste . Por lo tanto, la relación de los dos monómeros en el copolímero de estireno-butadieno se considera clave para determinar la temperatura de transición vítrea del material, que está correlacionada con sus propiedades de agarre y resistencia. [85]

Las emisiones de partículas no derivadas del escape, generadas por el desgaste de frenos, embragues, neumáticos y superficies de la carretera, así como por la suspensión de polvo de la carretera, constituyen una parte poco conocida pero creciente de las emisiones del tráfico rodado y perjudican significativamente la salud pública. [86]

En la rueda

Cámara de aire de bicicleta con vástago de válvula.

Los componentes asociados de los neumáticos incluyen la rueda en la que están montados, el vástago de la válvula a través del cual se introduce el aire y, para algunos neumáticos, una cámara de aire que proporciona el medio hermético para mantener la presión del neumático.

Características de rendimiento

Envolvente de rendimiento de neumáticos de Goodyear

Las interacciones de un neumático con el pavimento son complejas. Un modelo (empírico) de propiedades de los neumáticos que se utiliza habitualmente es la "Fórmula Mágica" de Pacejka . [92] Algunas de ellas se explican a continuación, en orden alfabético, por sección.

Dinámica

Efectivo

Carga

Tener puesto

El desgaste de los neumáticos es una fuente importante de contaminación del caucho . Un motivo de preocupación en este sentido es que la contaminación por el desgaste de los neumáticos de los vehículos no está regulada, a diferencia de las emisiones de escape. [102]

Neumático que muestra un desgaste desigual de la banda de rodadura hasta el punto de exponer la carcasa.
Desgaste de la banda de rodadura
Esto ocurre a través del contacto normal con las carreteras o el terreno; existen varios tipos de desgaste anormal de la banda de rodadura. Una mala alineación de las ruedas puede provocar un desgaste excesivo de las costillas más internas o externas. Los caminos de grava, los terrenos rocosos y otros terrenos accidentados provocan un desgaste acelerado. Un inflado excesivo por encima del máximo de la pared lateral puede provocar un desgaste excesivo en el centro de la banda de rodadura. Los neumáticos modernos tienen cinturones de acero incorporados para evitar esto. Un inflado insuficiente provoca un desgaste excesivo de las costillas externas. Las ruedas desequilibradas pueden provocar un desgaste desigual de los neumáticos, ya que la rotación puede no ser perfectamente circular. Los fabricantes de neumáticos y las empresas automovilísticas han establecido mutuamente normas para las pruebas de desgaste de la banda de rodadura que incluyen parámetros de medición para el perfil de pérdida de la banda de rodadura, el número de tacos y el desgaste del talón y la punta. [26]
Barra de desgaste e indicador de desgaste de la banda de rodadura en la banda de rodadura del neumático para nieve
Indicadores de desgaste de la banda de rodadura ( TWI )
Barras elevadas en los canales de la banda de rodadura, que indican que la banda de rodadura se está desgastando y, por lo tanto, es insegura. Los indicadores son obligatorios en todos los neumáticos nuevos desde 1968 en los EE. UU. [103] En muchos países, el Código de circulación prohíbe conducir en vías públicas cuando la superficie de contacto está al ras con cualquiera de estas barras; esto suele definirse cuando la profundidad de la ranura es de aproximadamente 1,5 o 1,6 mm (2/32 de pulgada). TWI también se puede utilizar para referirse a pequeñas flechas o íconos en la pared lateral del neumático, que indican la ubicación de las barras de desgaste elevadas.
Daños por envejecimiento
El envejecimiento de los neumáticos o la "degradación termooxidativa" pueden ser causados ​​por el tiempo, las temperaturas ambientales y de funcionamiento, la presión parcial de O2 en un neumático, la fatiga por flexión o las características de construcción y composición. Por ejemplo, la exposición prolongada a los rayos UV hace que los componentes químicos del caucho se deformen, lo que puede causar podredumbre seca. Diversos métodos de almacenamiento pueden ralentizar el proceso de envejecimiento, pero no eliminarán la degradación de los neumáticos. [104]

Tamaños, códigos, estándares y agencias reguladoras

Diagrama de identificación de neumáticos con códigos de neumáticos

Los neumáticos de los automóviles tienen una variedad de marcas de identificación moldeadas en la pared lateral, a modo de código de neumático . Indican el tamaño, la clasificación y otra información pertinente a ese neumático en particular.

Américas

La Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA) es un organismo del gobierno de los EE. UU. dentro del Departamento de Transporte (DOT) encargado de regular la seguridad automotriz en los Estados Unidos. [105] La NHTSA estableció el Sistema Uniforme de Clasificación de Calidad de Neumáticos ( UTQG ), es un sistema para comparar el rendimiento de los neumáticos de acuerdo con el Código de Regulaciones Federales 49 CFR 575.104; requiere el etiquetado de los neumáticos para el desgaste de la banda de rodadura, la tracción y la temperatura. El Código DOT es una secuencia de caracteres alfanuméricos moldeados en la pared lateral del neumático y permite la identificación del neumático y su edad. El código es obligatorio por el Departamento de Transporte de los EE. UU. [105] pero se utiliza en todo el mundo. [106] El Código DOT también es útil para identificar neumáticos sujetos a retiro de producto [107] o al final de su vida útil debido a la edad. La Asociación de Neumáticos y Llantas (T&RA) es una organización de estándares estadounidenses voluntaria que promueve la intercambiabilidad de neumáticos, llantas y piezas aliadas. De particular interés es que publican dimensiones clave de neumáticos, dimensiones del contorno de la llanta, estándares de dimensión de válvulas de neumáticos y estándares de carga/inflado.

El Instituto Nacional de Normalización Metrológica y Calidad Industrial (INMETRO) es el organismo federal brasileño responsable de la certificación de ruedas y neumáticos de automóviles. [108]

Europa

La Organización Técnica Europea de Neumáticos y Llantas (ETRTO) es la organización de normalización europea "para establecer dimensiones de ingeniería, características de carga/presión y directrices de funcionamiento". [109] Todos los neumáticos vendidos para uso en carretera en Europa después de julio de 1997 deben llevar una marca E. La marca en sí es una "E" mayúscula o una "e" minúscula, seguida de un número dentro de un círculo o rectángulo, seguido de otro número. Una "E" (mayúscula) indica que el neumático está certificado para cumplir con los requisitos de dimensión, rendimiento y marcado de la regulación ECE 30. Una "e" (minúscula) indica que el neumático está certificado para cumplir con los requisitos de dimensión, rendimiento y marcado de la Directiva 92/23/EEC. El número dentro del círculo o rectángulo denota el código de país del gobierno que otorgó la aprobación de tipo. El último número fuera del círculo o rectángulo es el número del certificado de aprobación de tipo emitido para ese tamaño y tipo de neumático en particular. [110]

La práctica recomendada de la Asociación Británica de Fabricantes de Caucho (BRMA), emitida en junio de 2001, establece que "los miembros de BRMA recomiendan enfáticamente que los neumáticos sin usar no se pongan en servicio si tienen más de seis años y que todos los neumáticos se reemplacen diez años después de la fecha de su fabricación". [111]

Asia

La Asociación Japonesa de Fabricantes de Neumáticos para Automóviles (JATMA) es la organización de normas japonesa para neumáticos, llantas y válvulas. [112] Realiza funciones similares a las de T&RA y ETRTO.

La Certificación Obligatoria de China (CCC) es un sistema de certificación obligatorio relativo a la seguridad de los productos en China que entró en vigor en agosto de 2002. El sistema de certificación CCC es administrado por la Administración General Estatal de Supervisión de Calidad, Inspección y Cuarentena de la República Popular China (AQSIQ) y la Administración de Certificación y Acreditación de la República Popular China (CNCA). [113]

Mantenimiento

Un taller de reparación de neumáticos en Níger

Para mantener la salud de los neumáticos, son adecuadas varias acciones: rotación de neumáticos, alineación de ruedas y, en ocasiones, recauchutado del neumático.

Inflación

Resistencia a la rodadura en función del inflado de los neumáticos

El inflado es fundamental para el desgaste y la resistencia a la rodadura adecuados de los neumáticos. Muchos vehículos tienen sistemas de control para garantizar un inflado adecuado. Se recomienda a la mayoría de los vehículos de pasajeros mantener una presión de los neumáticos dentro del rango de 32 a 35 libras por pulgada cuadrada (220 a 240  kPa ) cuando los neumáticos no se calientan con la conducción. [116] [117]

Peligros

Burbuja de neumáticos
Neumático que muestra grietas debido a la exposición prolongada a la intemperie
Un neumático pinchado en un turismo

Los peligros para los neumáticos pueden surgir por fallas en el propio neumático o por la pérdida de tracción en la superficie sobre la que rueda. Las fallas estructurales de un neumático pueden provocar pinchazos o reventones más peligrosos . Algunas de estas fallas pueden deberse a un error de fabricación y pueden dar lugar a retiradas de vehículos del mercado, como las fallas generalizadas de los neumáticos Firestone en los vehículos Ford que dieron lugar a la controversia sobre los neumáticos Firestone y Ford en los años 90.

Falla de los neumáticos

Los neumáticos pueden fallar por diversas razones, entre ellas: [122]

Fallas en el funcionamiento del vehículo

Impactos en la salud

Los neumáticos contienen una serie de sustancias químicas tóxicas, incluidos metales pesados ​​y agentes químicos utilizados para aumentar la durabilidad de los neumáticos. [2] Estos suelen incluir hidrocarburos aromáticos policíclicos , benzotiazoles , isopreno y metales pesados ​​como el zinc y el plomo . [2]

A medida que los neumáticos se utilizan para las operaciones de los vehículos, el desgaste natural del neumático deja partículas microfinas equivalentes a PM0.1 , PM2.5 y PM10 como residuo de neumático. [2] Este residuo se acumula cerca de las carreteras y las áreas de uso de los vehículos, pero también se desplaza al medio ambiente a través de la escorrentía superficial . [2] Tanto los seres humanos como los animales están expuestos a estos productos químicos en el lugar de acumulación (es decir, al caminar sobre la superficie de la carretera) y a través de la acumulación en entornos naturales y cadenas alimentarias. [2] Una revisión de la literatura de 2023 del Imperial College de Londres advirtió sobre los productos químicos tóxicos y los microplásticos producidos por el desgaste de los neumáticos como posibles consecuencias graves y generalizadas para el medio ambiente y la salud. [2]

Además, la quema de neumáticos libera estos productos químicos como contaminantes del aire y deja residuos tóxicos que pueden tener efectos significativos en las comunidades locales y en los equipos de respuesta a emergencias. [127]

Fin de uso

Neumáticos reciclados en tanques de agua en el techo de Cherchen , Xinjiang

Una vez que los neumáticos se descartan, se consideran neumáticos de desecho. Los neumáticos de desecho a menudo se reutilizan para cosas que van desde barreras para autos chocadores hasta pesas para sujetar lonas. Los neumáticos no son deseados en los vertederos , debido a sus grandes volúmenes y al espacio vacío del 75%, que consume rápidamente un espacio valioso. Es probable que los neumáticos de caucho contengan algunos rastros de metales pesados ​​​​u otros contaminantes graves , pero estos están fuertemente unidos dentro del compuesto de caucho real, por lo que es poco probable que sean peligrosos a menos que la estructura del neumático esté seriamente dañada por el fuego o productos químicos fuertes. [128] Algunas instalaciones tienen permitido reciclar neumáticos de desecho triturándolos y procesándolos en nuevos productos o vendiendo el material a plantas de energía autorizadas para combustible. Algunos neumáticos también pueden recauchutarse para su reutilización.

Cuestiones medioambientales

Humo tóxico que sale de un incendio en un vertedero de neumáticos.

Los estadounidenses generan alrededor de 285 millones de neumáticos desechados por año. [129] Muchos estados tienen regulaciones en cuanto a la cantidad de neumáticos desechados que se pueden mantener en el sitio, debido a preocupaciones con el vertido, los riesgos de incendio y los mosquitos. En el pasado, millones de neumáticos se han descartado en campos abiertos. Esto crea un caldo de cultivo para los mosquitos, ya que los neumáticos a menudo retienen agua en su interior y permanecen lo suficientemente calientes para la reproducción de mosquitos. Los mosquitos crean una molestia y pueden aumentar la probabilidad de propagación de enfermedades. También crea un peligro de incendio, ya que una pila de neumáticos tan grande es mucho combustible. Algunos incendios de neumáticos han ardido durante meses, ya que el agua no penetra ni enfría adecuadamente los neumáticos en llamas . Se sabe que los neumáticos se licúan, liberando hidrocarburos y otros contaminantes al suelo e incluso al agua subterránea, bajo el calor y las temperaturas extremas de un incendio. El humo negro de un incendio de neumáticos causa contaminación del aire y es un peligro para las propiedades a sotavento.

El uso de trozos de neumáticos usados ​​para paisajismo se ha vuelto controvertido debido a la lixiviación de metales y otros contaminantes de los trozos de neumáticos. El zinc se concentra (hasta un 2% en peso) a niveles lo suficientemente altos como para ser altamente tóxico para la vida acuática y las plantas. [130] Es especialmente preocupante la evidencia de que algunos de los compuestos que se filtran de los neumáticos al agua contienen disruptores hormonales y causan lesiones hepáticas. [131]

Los neumáticos son una fuente importante de contaminación por microplásticos . [132]

Recauchutado

Los neumáticos que están completamente desgastados se pueden recauchutar , remanufacturar para reemplazar la banda de rodadura desgastada. [133] Esto se conoce como recauchutado o reencamisado, un proceso de pulido de la banda de rodadura desgastada y aplicación de una nueva. [134] Hay dos procesos principales utilizados para recauchutar neumáticos, llamados métodos de curado por moldeo y precurado. Ambos procesos comienzan con la inspección del neumático, seguida de un método de inspección no destructiva como la shearografía [135] para localizar daños no visibles y escombros y clavos incrustados. Algunas carcasas se reparan y otras se descartan. Los neumáticos se pueden recauchutar varias veces si la carcasa está en condiciones de uso. Los neumáticos utilizados para vehículos de entrega corta se recauchutan más que los neumáticos de larga distancia durante la vida útil del cuerpo del neumático. Las carcasas aptas para recauchutado tienen la banda de rodadura vieja pulida para prepararlas para el recauchutado. [136]

Durante el proceso de recauchutado, los técnicos de recauchutado deben asegurarse de que la carcasa esté en las mejores condiciones posibles para minimizar la posibilidad de una falla de la carcasa. Las carcasas con problemas como banda de rodadura tapada, separación de la banda de rodadura, cortes irreparables, correas corroídas o daños en los flancos, o cualquier neumático desinflado o patinado, serán rechazadas. El método de curado en molde implica la aplicación de caucho crudo sobre la carcasa previamente pulida y preparada, que luego se cura en matrices. Durante el período de curado, tiene lugar la vulcanización y el caucho crudo se adhiere a la carcasa, tomando la forma de la banda de rodadura de la matriz. Por otro lado, el método de precurado implica la aplicación de una banda de rodadura ya hecha sobre la carcasa pulida y preparada, que luego se cura en un autoclave para que pueda ocurrir la vulcanización. [136]

Reciclaje

Los neumáticos se pueden reciclar, entre otras cosas, en asfalto termofusible , generalmente como modificador de caucho granulado (pavimento asfáltico reciclado, CRM, RAP), [137] [138] y como agregado en hormigón de cemento Portland . [139] Los neumáticos triturados pueden crear mantillo de caucho en los patios de recreo para disminuir las lesiones por caídas. [140] Hay algunos edificios "verdes" que se están construyendo tanto en edificios públicos como privados que están hechos de neumáticos viejos. [141]

El método de pirólisis de neumáticos para reciclar neumáticos usados ​​es una técnica que calienta neumáticos enteros o triturados en un recipiente reactor que contiene una atmósfera libre de oxígeno y una fuente de calor. En el reactor, el caucho se ablanda, tras lo cual los polímeros de caucho se descomponen continuamente en moléculas más pequeñas.

Otros usos

Se han desarrollado otros usos posteriores para los neumáticos desgastados, entre ellos:

Véase también

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