Propiedades de los materiales en la fabricación de autos de competición

En el automovilismo de competición, el material no es una elección estética ni únicamente estructural: es una decisión de ingeniería directamente ligada al rendimiento, la seguridad, la durabilidad y el reglamento técnico. Desde categorías basadas en autos de producción como el Turismo Carretera o NASCAR, hasta prototipos y monoplazas de altísima tecnología como los Hypercar del WEC y la Fórmula 1, la evolución de los materiales define en gran medida el salto prestacional entre categorías.

Esta nota técnica del IAD aborda los principales materiales y conceptos estructurales utilizados en autos de competición estructuras tubulares, monocascos de fibra de carbono y elementos auxiliares, analizando sus propiedades mecánicas, ventajas, limitaciones y contexto reglamentario.     

1. Estructuras tubulares de acero: el ADN del automovilismo tradicional

Concepto estructural

Las estructuras tubulares, comúnmente denominadas space frame, están compuestas por tubos de acero soldados que conforman una jaula tridimensional. Este concepto sigue siendo la base estructural en categorías como TC, TC2000 histórico, NASCAR Cup Series y múltiples campeonatos nacionales.

Materiales utilizados

Los aceros más habituales son:

• Acero al carbono SAE 1020 / 1026: económico, buena soldabilidad, ductilidad elevada.
• Acero aleado 4130 (Cromo-Molibdeno): mayor límite elástico y resistencia específica, ampliamente usado en NASCAR y prototipos tubulares avanzados.

Propiedades típicas del acero 4130:

• Módulo elástico: ~205 GPa
• Límite elástico: 435–560 MPa (según tratamiento)
• Alta tenacidad y excelente comportamiento a fatiga

Ventajas

• Alta capacidad de absorción de energía en impacto (deformación plástica progresiva).
• Reparabilidad en pista o taller.
• Costos contenidos y procesos conocidos.
• Tolerancia a errores de diseño o fabricación.

Limitaciones

• Relación rigidez/peso inferior frente a materiales compuestos.
• Dependencia crítica del diseño geométrico para lograr rigidez torsional.
• Penalización de masa, especialmente elevada respecto a monocascos.

En categorías como NASCAR, una rigidez torsional del chasis del orden de 25.000–35.000 Nm/° ya se considera elevada para un chasis tubular, lograda más por diseño que por material.

2. Monocascos de fibra de carbono: rigidez extrema y control del daño

Salto conceptual

El monocasco de fibra de carbono reemplaza completamente al chasis tradicional. No existe un “chasis” al que se le agregan componentes: la estructura principal es una sola pieza portante. Esta arquitectura domina en Fórmula 1, Fórmula 2, LMP1/Hypercar y, en menor medida, en GT de alto nivel.

Material base: polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP)

El CFRP combina:

• Fibra de carbono: extremadamente rígida y resistente a tracción.
• Matriz polimérica (resina epoxi): transfiere cargas entre fibras y define el comportamiento al impacto.

Propiedades típicas (laminado estructural):

• Módulo elástico efectivo: 70–140 GPa (direccional)
• Resistencia específica muy superior al acero
• Densidad: ~1,6 g/cm³ (vs ~7,8 g/cm³ del acero)

Ventajas

• Rigidez torsional extremadamente alta (F1 > 40.000–50.000 Nm/°).
• Control preciso de la deformación en impactos (zonas de crash programadas).
• Peso mínimo con máxima rigidez.
• Integración estructural de suspensión, motor y aerodinámica.

Limitaciones

• Costos muy elevados (material + autoclave + mano de obra especializada).
• Reparabilidad limitada.
• Comportamiento frágil: no avisa antes de fallar.
• Dependencia total del control de calidad.

En Fórmula 1, el monocasco debe superar ensayos FIA extremadamente severos, incluyendo impactos frontales superiores a 15 g con deformación controlada, manteniendo intacta la célula de supervivencia.

3. Estructuras híbridas: el compromiso del WEC y los GT

En el WEC (Hypercar) y en autos GT modernos, se emplean estructuras híbridas, combinando:

• Monocasco de carbono.
• Subestructuras de aluminio o acero.
• Crash boxes desmontables.

Aluminio estructural

Aleaciones comunes:

• Al 7075-T6: alta resistencia, baja densidad.
• Al 6061-T6: mejor soldabilidad y resistencia a fatiga.

Propiedades:

• Densidad: ~2,7 g/cm³
• Módulo elástico: ~69 GPa

El aluminio se utiliza en subchasis, estructuras de absorción de impacto y soportes, donde el carbono no resulta óptimo por comportamiento frágil o costos.

4. Materiales secundarios pero críticos

Titanio

• Usado en tornillería, válvulas, bielas y componentes sometidos a alta carga.
• Excelente resistencia específica y resistencia a la temperatura.
• Costo elevado y mecanizado complejo.

Magnesio

• Empleado en cajas de transmisión, llantas y carcasas.
• Muy liviano, pero sensible a la corrosión y fatiga.

Materiales compuestos no estructurales

• Kevlar (aramida): excelente absorción de impacto, usado en paneles antiintrusión.
• Fibra de vidrio: bajo costo, usada en carrocerías no portantes (TC, NASCAR).

5. Influencia del reglamento en la elección de materiales

El reglamento técnico es, muchas veces, más determinante que la ingeniería pura:

• TC / NASCAR: priorizan igualdad de costos, reparabilidad y seguridad → acero tubular.
• WEC Hypercar: equilibrio entre tecnología, costos y seguridad → estructuras híbridas.
• Fórmula 1: máxima libertad tecnológica → monocasco full carbono, materiales exóticos.

La ingeniería no busca siempre el material “óptimo”, sino el mejor material permitido dentro del reglamento.

Autor: Nelson Vigliani