RUEDA - Definición - Significado

La tradición común, ante la ausencia de elementos concretos, atribuye la invención de la rueda a una serie de observaciones casuales; dichas observaciones van desde las más simples, es decir, desde la comprobación de que un objeto de forma redonda gira más fácilmente, hasta las más complejas, que se refieren a la eliminación del rozamiento haciendo deslizar un peso sobre troncos de árboles. Esta segunda técnica, adoptada en los principios de la civilización, que realiza la transformación de los rozamientos de deslizamiento en rozamientos de rodadura mediante la interposición de elementos que ruedan con mayor facilidad, se cita más comúnmente como el origen de la rueda.

Sin embargo, a propósito de este argumento, conviene recordar que la transición desde el tronco de árbol, con la tabla encima, a la rueda, como dispositivo que aplicado de manera permanente a un objeto pesado permite desplazarlo con menor fatiga, no es automático. Como máximo, puede afirmarse que la costumbre de transportar un objeto sobre troncos está más próxima al cojinete de rodamiento que a la rueda. La invención de la rueda requiere un salto cualitativo, una investigación y, en síntesis, la existencia de una ciencia. Esto queda constatado por el hecho de que mientras que los pueblos más evolucionados usaban la rueda muchos años antes de Cristo (por ejemplo, los descubrimientos arqueológicos de Ur, que datan del año 3500 a. C), ésta era completamente desconocida por los aborígenes australianos cuando, 5.000 años después, se pusieron en contacto con la civilización occidental.

Desde el punto de vista mecánico, la parte que distingue la rueda es el eje: éste es fijo, es decir, no gira; es solidario con el objeto que se desplaza y soporta todo el peso trasladándolo al terreno a través de la parte móvil de la rueda, es decir, el disco. La función de esta «máquina» es transferir el rozamiento de deslizamiento (fricción) desde la zona de contacto con el terreno (donde se origina el rozamiento de rodadura, que es bastante menor) a una zona más pequeña, representada por el eje, en correspondencia con el cual se producen velocidades relativas mucho menores, puesto que son proporcionales al radio. Además, en el eje es más fácil conseguir las condiciones para reducir la fricción; de hecho, la adopción de superficies lisas y duras en la pequeña zona de contacto entre el eje de la rueda y su alojamiento, y sobre todo la posibilidad de lubricación, determinan que la fuerza necesaria para hacer girar la rueda sea muy inferior a la que se precisa para hacerla rodar sobre el terreno. Sin embargo, esto mismo puede decirse cuando el rozamiento de rodadura entre la rueda y el terreno tiende a anularse o cuando el rozamiento sobre ciertas superficies es muy bajo (aquaplaning y marcha sobre hielo). En tales circunstancias, incluso es posible que la rueda se pare, porque el rozamiento entre ésta y la superficie no es suficiente para vencer la resistencia a la rodadura. Por este motivo, para correr sobre hielo se eligen los patines de cuchilla en vez de los de ruedas.

La resistencia que una rueda opone al avance se debe en primer lugar a los rozamientos en correspondencia con el eje, después también al rozamiento de rodadura, que en teoría depende sólo del diámetro de la rueda. Cuanto más grande es el diámetro, menor es el rozamiento de rodadura. Pero, en la práctica no ocurre así. La zona de contacto entre una superficie llana y un disco, sólo en teoría, es una recta paralela al eje de rotación; en realidad, los materiales en contacto (que es tirada hacia atrás). Dicha componente es tanto más grande cuanto mayor es la deriva. En esta situación, la resultante de la adherencia total entre la superficie de la huella y el suelo queda aplicada en un punto retrasado respecto al eje de la rueda y produce un momento que tiende a enderezar la rueda situándola en la dirección de la trayectoria real.

Evidentemente, esto es válido sólo para la rueda libre, puesto que en el caso de la rueda motriz, el esfuerzo de propulsión, con la misma dirección de la llanta, tiene una componente longitudinal que tiende a trasladar hacia delante la huella, por lo que, en la situación límite, es posible que, al acelerar, la resultante de la adherencia se encuentre desplazada hacia delante. Las deformaciones y los desplazamientos de la huella producidos por el cedimiento del neumático son más sensibles en los vehículos con radio de rodadura positivo muy pequeño; de hecho, la deformación de la banda de rodadura hacia el interior de la curva determina que, cuando existen grandes ángulos de viraje, el radio de rodadura real (distancia entre el eje délos pivotes y el punto de aplicación de la adherencia) se anule o incluso llegue a ser negativo, con las consiguientes anomalías en las reacciones en el volante.

Desde sus primeras aplicaciones, la rueda ha experimentado una evolución esencialmente estilística; sin embargo, estructuralmente permaneció inalterada durante mucho tiempo: rueda de madera de radios, con la superficie de rodamiento y el cubo reforzados, a veces, con aros metálicos. Únicamente a partir de 1843, como consecuencia de la invención de la vulcanización del caucho, comenzaron a montarse aros de caucho macizo en substitución de los metálicos; de este modo pudieron amortiguarse mejor los pequeños golpes choques, así como las vibraciones producidas por las irregularidades del terreno. Dicha solución se mantuvo hasta el primer decenio del siglo xx, a pesar de la producción de neumáticos, iniciada ya en 1885. Los neumáticos de entonces conseguían superar a duras penas las exigencias de los vehiculos más ligeros; por tanto, los vehículos pesados estaban obligados a adoptar ruedas con aros de caucho macizos. Esto les impedía alcanzar velocidades más elevadas, puesto que, a causa del enorme ciclo de histéresis del caucho y de su baja conductibilidad térmica, era fácil alcanzar, durante la marcha, temperaturas próximas a las de fusión del caucho. Para paliar este inconveniente se introdujeron las ruedas semineumáticas, en las cuales la cubierta estaba dotada de una cavidad interna denominada cámara de ventilación.

Las ruedas neumáticas demostraron bien pronto que eran las únicas que podían amortiguar adecuadamente los choques contra las irregularidades del terreno; no obstante, su sencillez y fragilidad impulsaron la realización de curiosas soluciones alternativas. Entre éstas, tuvieron cierta importancia las denominadas ruedas elásticas, que estaban constituidas por un aro metálico exterior revestido de caucho y unido al buje por medio de muelles de fleje en vez de los radios tradicionales; de esta manera, era posible un desplazamiento elástico del aro exterior, que imitaba el comportamiento de una rueda neumática. Es curioso comprobar que una solución semejante fue adoptada, en versión moderna, para la realización de las ruedas del primer automóvil lunar construido en Estados Unidos.

A principios de los años diez fueron introducidas, por vez primera en Gran Bretaña, las ruedas de radios metálicos que, por estar construidas en dos partes (rueda propiamente dicha y cubo fijo), permitían una substitución rápida, reduciendo así las molestias de los pinchazos. Para simplificar la producción con ruedas totalmente metálicas surgieron interesantes alternativas como la rueda Sankey, constituida por dos partes de chapa de acero de estampación soldadas entre sí para formar una rueda de radios.

La aplicación, en 1914, de las primeras ruedas de disco construidas por Michelin tuvo una importancia fundamental; éstas, dado su menor coste, substituyeron rápidamente a las ruedas de radios, que continuaron empleándose casi exclusivamente en los automóviles deportivos. La solución propuesta por Michelin se reveló tan interesante que ya no fue abandonada ni reemplazada; incluso las ruedas actuales constan de un disco metálico, al que se confiere forma cónica para que soporte mejor las solicitaciones transversales, soldado o sujeto con clavos a la garganta.

La primera rueda fundida de aleación ligera hizo su aparición en 1924, en el Gran Premio del A.C.F., y fue montada en el Bugatti tipo 35; esta innovación, que habia despertado gran interés por sus indiscutibles ventajas dado su menor peso (reducción del momento de inercia y de las masas no suspendidas), no tuvo continuación inmediata a causa de su elevado coste y una cierta fragilidad.

Los primeros que adoptaron de manera definitiva las ruedas de aleación ligera fueron los norteamericanos, a principios de los años cincuenta; en Europa, en 1957 fueron adoptadas por Lotus y en 1958 por Cooper. En 1963, Ferrari montó las ruedas de aleación ligera en sus monoplazas y al año siguiente también en los vehículos de serie. Esto representó la consagración definitiva de las ventajas de este tipo de ruedas, que más tarde han llegado a utilizarse en casi todos los vehículos.

Las ruedas de radios están constituidas por una llanta de acanaladura unida al cubo central por 2-3 series de tirantes metálicos tensados por tornillos (nipples). Los radios están dispuestos tangencialmente, según superficies cónicas de concavidad contrapuesta, de manera que se puedan transmitir tanto los esfuerzos longitudinales (de tracción y frenado) como los transversales. El acoplamiento entre la rueda y el cubo se realiza por medio de diferentes sistemas de fijación; los más difundidos son el Rudge-Whitworth y el Riley.

Respecto a las ruedas de disco, la estructura de radios metálicos ofrece ciertas ventajas en cuanto a la elasticidad de la rueda y a la ventilación de los frenos; el peso es inferior al de una rueda metálica de estampación sólo para los diámetros grandes, mientras que para los diámetros pequeños es igual o incluso mayor. Su construcción es bastante complicada y costosa, así como su limpieza y la regulación periódica de la tensión de los radios. Otro motivo que ha determinado el abandono de las ruedas de radios consiste en la imposibilidad de adoptar las gargantas anchas difundidas en los vehículos más rápidos.

Las ruedas de disco están formadas por una llanta de garganta soldada o sujeta con clavos a un disco de estampación, estructurado de manera que aumente la rigidez y la resistencia a las solicitaciones transversales. El disco es de chapa de acero muy dulce de embutición profunda, con un espesor de unos 3-5 mm. Generalmente, la parte central tiene un espesor mayor y es ondulada en la zona de fijación, con el fin de aumentar la resistencia e impedir un contacto completo entre el disco y la brida; esto permite obtener una reacción elástica del disco sobre los tor-

nillos de fijación (en número de 3-5) para evitar un posible aflojamiento producido por las flexiones y vibraciones de la estructura. Muchas veces, el disco presenta una serie de agujeros, próximos a la garganta o canal, cuya función consiste en reducir peso y crear una corriente de aire axil para la refrigeración de los frenos durante la rotación. Este tipo de rueda es el más difundido por su resistencia, duración y bajo coste.

Merece mención especial un ejemplo moderno de rueda de chapa soldada: el construido para la versión del Mercedes 630 SEL, vehículo aparecido en 1969 para participar en las competiciones.

Las ruedas de aleación ligera, apreciadas principalmente por su mejor aspecto estético, dada la posibilidad de conseguir la forma deseada, presentan grandes ventajas de tipo dinámico, pero acompañadas por unos altos costes de producción. Si se exceptúan algunos tipos especiales, la estructura fundamental de las ruedas de aleación ligera es de radios trapeciales con el fin de robustecer la zona del buje y aligerar la parte exterior, dotada de numerosos nervios de refuerzo. Respecto a las ruedas de disco de acero de estampación, permiten, por término medio, una reducción del peso y del momento de inercia de un 35 %, llegando incluso al 50 %.

La reducción del peso implica una disminución de las masas no suspendidas, con mejora de la estabilidad y reducción de la magnitud de las solicitaciones que sufren los neumáticos durante las sacudidas a alta frecuencia; el menor momento de inercia tiene poca influencia sobre la aceleración y el frenado del vehículo, pero reduce notablemente el efecto giroscópico que se produce durante el viraje y durante las variaciones de cámber a alta velocidad. De hecho, la rueda reacciona a la variación del eje de rotación con una fuerza perpendicular al plano de la propia variación y proporcional al momento de inercia de la rueda.

En las ruedas destinadas a los vehículos de competición, se ha obtenido una reducción del peso con la adopción de los neumáticos tubeless; la ausencia de cámara de aire ha permitido construir la garganta en forma de gran V, de manera que la llanta se reduce sólo a los alojamientos de los talones de la cubierta y a la unión con el cubo.

En el caso de choques accidentales, las ruedas de aleación ligera están más expuestas al riesgo de roturas que las de estampación, que se deforman plásticamente.

Los problemas técnicos relacionados con la fundición de las ruedas son numerosos: por ejemplo, es importante no crear variaciones de espesor que pueden provocar distorsiones y tensiones durante el enfriamiento de la fusión; deben evitarse de manera absoluta las inclusiones y las burbujas de gas, que, además de producir desequilibrios en la distribución de las masas, perjudican la resistencia. Las aleaciones más empleadas son las de aluminio y magnesio (electrón), y son fundidas en arena, en coquilla, por inyección-fusión o a presión.

La fusión en arena es el procedimiento que permite obtener la mejor estabilidad dimensional y las mejores características mecánicas, pero resulta largo y costoso, pues requiere una serie de operaciones muy complejas para cada fusión; de ahí que sólo se emplee para la producción de ruedas de competición, con un número muy pequeño de ejemplares.

La fusión en coquilla y la inyección-fusión son las técnicas generalmente más empleadas para las grandes producciones destinadas a los vehículos de serie, tanto por la economía como por la calidad del producto. En cambio, la fusión a presión confiere a la pieza una mayor fragilidad, que debe ser compensada adoptando espesores mayores. Este procedimiento está bastante difundido en Estados Unidos.

Una vez fundidas, las ruedas de aleación ligera requieren numerosas mecanizaciones, como el desbarbado, el escariado de los agujeros de fijación, la aplicación de casquillos de metal duro en correspondencia de los agujeros de fijación, el torneado de la garganta y, cuando se desee, la aplicación de una capa superficial con funciones estéticas y protectoras. Además, generalmente son sometidas a controles de dimensiones y de peso, y, sobre todo, de calidad para comprobar la posible existencia de poros o grietas que podrían comprometer la resistencia mecánica.

El diámetro de las ruedas está condicionado tanto por el tipo de vehículo que deben equipar como por el terreno sobre el que han de trabajar; en los carruajes, se han adoptado siempre las ruedas traseras de gran diámetro para obtener una menor sensibilidad a las irregularidades del terreno y una menor velocidad de rotación en el buje. Las ruedas delanteras deben ser siempre de radio inferior, puesto que, a causa de la dirección con eje central, durante el viraje deben entrar por debajo de la caja del vehículo. También los automóviles adoptaron durante mucho tiempo ruedas de gran diámetro a causa de las pésimas condiciones de las carreteras. Un factor determinante en la elección del diámetro de las ruedas, además del tipo de terreno sobre el que debe circular el vehículo» es su peso: aumentando el diámetro de la rueda, a igualdad de sección, se incrementa la superficie de la huella y, al mismo tiempo, la carga soportable (pero el mismo efecto puede obtenerse ensanchando la sección).

En los vehículos de serie, el centrado se obtiene por medio de tetones calibrados o por una arandela en la misma brida del cubo en correspondencia con el agujero central del disco.

Las mejoras introducidas en la superficie de la carretera han permitido reducir el diámetro de las ruedas. Dicha solución presenta ventajas considerables: permite reducir el peso de las ruedas y, por tanto, la cantidad de las masas no suspendidas, con lo que se consiguen aceleraciones mayores a igualdad de par motor; obtener relaciones de transmisión (engranajes del cambio y de la reducción final), y árboles más ligeros gracias a la menor relación de reducción necesaria entre la velocidad de rotación del motor y de las ruedas.

De hecho, a igualdad de velocidad, la rueda más pequeña gira más rápidamente y, por tanto, su velocidad de rotación se aproxima más a la del motor.

La reducción del diámetro está limitada por la posibilidad de carga de los neumáticos y por las dimensiones de los frenos cuando éstos están colocados directamente sobre las ruedas; a este propósito cabe recordar que el cambio de los grandes frenos de tambor por los de disco permitió una notable reducción del diámetro de la llanta, consintiendo, a igualdad de diámetro total de la rueda, la adopción de neumáticos con sección mayor. Las ruedas más pequeñas implican también una cierta ventaja respecto al coste del neumático y una menor sensibilidad a los desequilibrios, tanto estáticos como dinámicos. Sin embargo, es necesario indicar que, un neumático de diámetro menor, al realizar un mayor número de revoluciones a igualdad de recorrido, está sujeto a un mayor desgaste.

El diámetro de la rueda es generalmente de 500-750 mm para los turismos y de 700-1.250 mm para los camiones; las máquinas para movimiento de tierras tienen ruedas de diámetro mayor, por regla general de unos 1.500 mm. Aunque, naturalmente, hay excepciones.