Análisis 2020 Chevrolet Corvette Parte 1: Obra maestra construida con materiales compuestos

Para Parte 2, lea “Obra maestra intensiva en compuestos: Corvette 2020, Parte 2”.

El muy anticipado Chevrolet Corvette de octava generación (C8) de General Motors Co. (GM, Detroit, Míchigan, EE. UU.), generando elogios desde su revelación oficial el 18 de julio 2019, comenzó producción comercial a principios de este año. Los nuevos Corvette Stingray descapotables y cupé son notables no solo por su belleza y el hecho de que GM ha producido un cohete de calle legal de motor central de alto rendimiento por menos de 60.000 $ USD —un tercio del precio de coches de motor central de rendimiento comparable— sino que también lucen un impresionante conjunto de contenidos compuestos nuevos e innovadores, que describiremos aquí y en Parte 2 el próximo mes.

Nueva configuración de motor cambia todo

La ingeniería de GM entró en diseño preliminar sabiendo que trabajarían en vehículo de motor central —el primer Corvette de producción en ocho generaciones con esa configuración. “Evolucionamos la arquitectura de motor delantero todo lo que pudimos para rendimiento, así que cambiar a diseño de motor central fue el siguiente paso lógico para mejorar un coche ya genial y ser líder del segmento”, explica Tadge Juechter, ingeniero jefe ejecutivo-Global Corvette de GM. Equipado con paquete de rendimiento Z51, el Corvette Stingray 2020 acelera 0-60 mph (0-97 km/h) en 2,9 segundos y alcanza 312 km/h. Mover el motor hacia la parte trasera afectó muchas cosas, incluyendo centro de gravedad, posición relativa de ocupantes, ubicación de transmisión y diseño de paneles inferiores y almacenamiento en maletero. El diseño de motor central también introdujo temperaturas de operación y ruido más altos en nuevas áreas del coche.

Desafíos de estructura y aerodinámica

“Por el motor central, tuvimos que hacer las cosas diferente”, explica Ed Moss, gerente de grupo de ingeniería de estructura de carrocería de Corvette. “Desde el inicio, tuvimos muchas discusiones sobre cómo diseñar la estructura de carrocería. En un punto, todo estaba sobre la mesa debatiendo la mejor forma de diseñar y construir cada sistema. Por ejemplo, debatimos metálico versus compuesto para guardabarros. Si mantuviéramos guardabarros compuestos del C7, tendríamos que unir al pilar de bisagra [pilar A], inmediatamente adyacente a rueda delantera en vehículo de motor central, dejando muy poco espacio. Optamos por metal ahí. Incluso debatimos brevemente paneles de carrocería metálicos versus compuestos. Sin embargo, habría sido económicamente inviable crear las líneas de estilo del C8 en metálicos.”

“Un reto real fue cómo manejar la inducción de aire”, recuerda Chris Basela, ingeniero líder de estructura de carrocería de Corvette, explicando la necesidad de diferente método para canalizar aire de refrigeración hacia y a través del motor V8 6,2L naturalmente aspirado de 495 HP, que genera 637 Nm de par. “Probamos todo tipo de diseños que forzaban al aire a tomar caminos tortuosos, creando remolinos y flujos no deseados. Costó mucho trabajo iterativo con el equipo de propulsión desarrollar el mejor camino para flujo de aire porque el coche necesita respirar libremente sin restricción. También necesitábamos acceso a la caja de aire y trabajar alrededor del espacio del maletero trasero. Otro tema era calor y ruido del motor en habitáculo, porque ocupantes ya no se sientan detrás del motor sino directamente delante. Y fuimos especialmente conscientes de calidad del aire en cabina pues leyes cambiaron en Europa y otros lugares desde el C7, así que trabajamos duro para reducir COV [compuestos orgánicos volátiles].”

“Incluso resolver cómo ensamblar el coche fue un reto”, añade Moss. “Con diseño de motor delantero, tienes capó largo y gran compartimento motor, dando a operadores mucho espacio para construir el coche desde dentro, incluso con viga parachoques frontal ya soldada. En el Corvette de motor central, con su frontal muy corto, mantenemos el frente del coche abierto mientras se construye, luego atornillamos el parachoques frontal.”

“Fue un acto de equilibrio conseguir las formas adecuadas, asegurando que proveedores pudieran producir piezas y nuestro equipo en Bowling Green [planta de ensamblaje Corvette de GM en Kentucky] pudiera ensamblarlas”, continúa Basela. “Al final, solo hubo un compuesto de arrastre del cuerpo del C7 al C8.” Este fue SMC (compuesto de moldeo en lámina) Clase A, 1,2 gravedad específica (GS) tenaz desarrollado para Corvette 2016 y usado en variedad de cierres exteriores en el nuevo vehículo.

Arquitectura del vehículo

Durante cuatro generaciones (C5-C8), los Corvettes han presentado estructura de carrocería de tres capas y multi-material: el bastidor, usualmente mezcla de aluminio o acero —esta vez con pieza de compuesto reforzado con fibra de carbono (CFRP); la estructura de carrocería, mayormente compuesto pegado para capitalizar flexibilidad de diseño y fabricación; más cierres atornillados (paneles de carrocería), que son compuestos desde el debut de Corvette en junio 1953. Esta estructura híbrida en capas no solo proporciona aligeramiento asequible en altos volúmenes de producción —especialmente para coches de esta clase de rendimiento— sino que también permite producir múltiples variantes de vehículo con baja inversión en utillaje. De hecho, para el actual C8, GM logró producir todos los paneles de carrocería Clase A compuestos (interiores y exteriores pegados) tanto en cupé base como descapotable usando solo 20 herramientas.

Además, los Corvettes siempre se han diseñado con arquitectura de techo abierto, independientemente de si son descapotables o cupés con paneles de techo fijos o removibles. Como vehículos de techo abierto son generalmente menos rígidos que techos fijos, un foco importante para cada ingeniería de Corvette es siempre crear la base más rígida posible para mejorar suspensión y dirección. Históricamente, túneles (alojando transmisiones y ejes de transmisión en vehículos de motor delantero) han dominado estructuras de carrocería de Corvette y han sido facilitadores clave para lograr alta rigidez torsional. En el nuevo Corvette, GM logró rigidez aún mayor. Con techo removido, el cuerpo C8 es 53,78% más rígido que competidor de motor central de alto rendimiento de referencia, 29,27% más que segundo competidor, y 13,79% más que C7. Dos piezas compuestas contribuyeron importante a rigidez del vehículo —una unida directamente a estructura del bastidor (viga parachoques trasero) y otra unida al subsuelo (cierre inferior de túnel).

Estructura del bastidor

El bastidor del C8 es mayormente aleación de aluminio con una pieza de CFRP desarrollada para cumplir estrictos objetivos de dólares por kilogramo de GM. En contraste, bastidor C7 era todo aluminio y C6 mayormente acero.

La única pieza compuesta montada directamente al bastidor que viaja con la carrocería en blanco (BIW) a través del proceso de recubrimiento electrolítico anticorrosión (que GM llama ELPO), es una viga de parachoques trasero de CFRP única. Esta pieza ayuda a rigidizar el bastidor y contribuye a rendimiento en impacto trasero. Su forma curva —posible gracias a proceso novedoso llamado pultrusión de radio desarrollado por Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG (TTI, Bremervörde, Alemania)— le permite coincidir con cues de estilo trasero y encajar en espacio limitado manteniendo integridad dimensional cerca del calor del vano motor. Como primera pieza pultruida curva de la industria auto (ver reportaje completo en CW mayo 2020), la viga hueca de dos cámaras fue producida por Shape Corp. (Grand Haven, Míchigan, EE. UU.) en equipos desarrollados y construidos por TTI. La viga pesa solo 1,3 kg y presenta ojo de gancho de remolque atornillado/pegado capaz de 25 kN de fuerza de arranque.

Estructura de carrocería: Parte A

Virtualmente todos los componentes de estructura de carrocería del C8 son compuestos y se pegan y/o atornillan al bastidor tras someterse a ELPO. Piezas compuestas notables en este nivel incluyen cierres estructurales de subsuelo y el suelo —que cubriremos en esta edición— y maleteros delantero y trasero, conductos de inducción y entorno trasero y mamparo —que cubriremos, junto con paneles de carrocería y adornos, el próximo mes.

Cierre estructural inferior de túnel removible

El cierre estructural inferior de túnel removible del C8, que actúa como puerta de acceso, contribuye más del 10% a la rigidez torsional del vehículo y actúa como camino de carga primario durante choque. Este panel híbrido-compuesto consiste en tres capas de preforma de fibra de vidrio. Estas consisten en fibras continuas/tejidas y picadas/aleatorias al 38% de fracción de volumen de fibra (FVF), con velos añadidos a capas superiores e inferiores en cada pila para mejor acabado superficial. Preformas de vidrio se intercalan con dos capas de preformas hechas con fibra de carbono Toray (Tokio, Japón) T700 12K módulo estándar en forma de tejido biaxial NCF al 21% FVF y matriz de éster vinílico (VE). El cierre se produce por Molded Fiber Glass Co. (MFG, Ashtabula, Ohio, EE. UU.) usando su proceso propietario PRiME (Refuerzo Preposicionado asegurando Excelencia en Fabricación), tipo de moldeo por compresión líquida (LCM).

Excepto un solo cierre de aluminio cerca de ruedas traseras que es parte del soporte de motor, los paneles de subsuelo restantes consisten en SMC de compresión o termoplásticos de inyección. Entre otros beneficios, estos paneles reducen turbulencia y arrastre del subsuelo, mejoran eficiencia de combustible y mantienen humedad, polvo y piedras fuera del motor y tren motriz. Además, proporcionan base dimensional para múltiples interfaces exteriores e interiores.

Los paneles SMC de baja densidad pero estructurales presentan nuevas formulaciones (en este caso, 40% FVF fibra de vidrio picada/resina poliéster insaturado (UP)) desarrolladas por MFG. El material se llama SMC “float” porque densidad de cada panel es menor a 1,0 (GS promedio=0,97) y así puede flotar en agua. MFG produjo todas las piezas estructurales SMC y LCM del coche.

Suelo híbrido optimizado

El vehículo también luce suelo híbrido optimizado para flexión torsional y protección en impacto lateral contra poste (comprometiendo paneles laterales y túnel, a los que se une). Paneles de suelo presentan aluminio estampado cara cabina pegado a láminas de compuesto 1,5-GS cara carretera (60% peso fibra continua y tejida de vidrio/VE) producidas vía proceso PRiME. Antes de termo-pegar ambas capas con adhesivo estructural de poliuretano Pliogrip 9100 de Ashland Global Holdings Inc. (Wilmington, Delaware, EE. UU.), MFG limpia y prepara los materiales.

Todas las piezas compuestas pegadas directamente al bastidor C8 se someten primero a ablación láser, proceso desarrollado por GM, MFG y Adapt Laser Systems LLC (Kansas City, Misuri, EE. UU.) para Corvette 2016, y adaptado de método de industria de compuestos para limpieza de moldes. La ablación láser reemplaza lijado manual y reduce mano de obra, tiempo y coste, elimina polvo y mejora repetibilidad. Ruta láser, ángulo de ataque y nivel de energía son personalizables para material y geometría de cada pieza. Para maximizar flexibilidad de fabricación, todo el subsuelo, incluido el suelo, se conecta al bastidor y a sí mismo vía pegado y tornillos.

En la edición de agosto de CW, continuaremos cubriendo innovación en compuestos del nuevo Corvette, reanudando con componentes adicionales en nivel de estructura de carrocería y finalizando con cierres exteriores (paneles de carrocería), más adornos y mejoras. Ver Parte 2.