2.5. Carrocería (II)

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Video resumen 2.5. Carrocería (II)

ASI FUNCIONA EL AUTOMOVIL (II) - 2.5. Carrocería 1

Aerodinámica

En los capítulos 5 del nivel 1 y en el anterior de este nivel 2 se han desarrollado temas de carrocería desde diferentes enfoques; forma, línea o funcionalidad, estructura; relacionada con la tecnología utilizada, con la seguridad activa o primaria, pasiva secundaria y terciara, y también sus características aerodinámicas.

En este módulo se trata más a fondo la aerodinámica del automóvil, la calidad de forma para reducir la resistencia al avance teniendo en cuenta la sustentación con el avión como referencia.

Se valoran los factores que afectan a la calidad aerodinámica del automóvil, con la fórmula de la resistencia al avance como base para las conclusiones.

Vamos a ver como se realiza la medición del coeficiente de penetración aerodinámica CX en el túnel de viento.

En el resumen repaso se compara el CX de diferentes automóviles y épocas, se comentan algunos detalles aerodinámicos complementarios, se presentan sistemas para adaptar la aerodinámica a las condiciones de marcha, y se exponen efectos extremos de la sustentación negativa del automóvil utilizados en competición, “efecto suelo”.

Los tres ejes de movimiento del automóvil

Con las vistas de un automóvil de frente y de lado se van a representar los tres ejes de desplazamiento; vertical, lateral y transversal.

Durante la marcha se producen en el automóvil movimientos combinados en los tres ejes, además de inclinaciones longitudinales y laterales:

  • Eje vertical Z; en este eje se producen los movimientos verticales del automóvil de subida y bajada de la carrocería con relación a las ruedas
  • Eje lateral o transversal Y; es en este eje donde se producen los movimientos hacia los lados del automóvil, que pueden implicar inclinaciones de la carrocería con relación al eje vertical Z
  • Eje longitudinal X; en este eje longitudinal y hacia adelante es donde se produce el desplazamiento habitual del automóvil para su avance, se han de vencer ciertas resistencias para hacerlo. También se generan inclinaciones longitudinales del automóvil con respecto al eje vertical Z

Particularidades de los desplazamientos verticales en el eje Z:

  • Se producen por:
    • Baches en el piso
    • Aceleraciones y frenadas que conllevan inclinaciones longitudinales
    • Carga transportada en el automóvil; ocupantes y equipaje
  • Están estos movimientos relacionados con los siguientes aspectos:
    • Diseño de las suspensiones; son inversamente proporcionales a su dureza. Se representan las suspensiones con muelle y amortiguador como modelo didáctico, que no corresponden al automóvil representado, al final se sustituyen por los elementos reales
    • Reparto del peso transportado, con más peso, menos altura con respecto al suelo, y según el reparto delante – atrás se producen inclinaciones longitudinales que afectan por su inercia a los desplazamientos verticales distintos entre los ejes
    • Forma de conducir; afecta a los desplazamientos en los tres ejes
    • Presión de los neumáticos; inversamente proporcionales a la presión (1.20.3)

Particularidades de los desplazamientos laterales Y:

  • Se producen por:
    • Curvas, que también generan inclinación de la carrocería
    • Viento lateral, tanto si es constante como racheado que puede tener efectos adicionales en los adelantamientos (1.20.3)
    • Carga en el automóvil; número de plazas ocupadas y equipaje
  • Estos movimientos están relacionados con:
    • Presión de los neumáticos, que afecta a su deriva (1.20.3)
    • Diseño de las suspensiones; menos con más dureza de suspensión y efectividad de las estabilizadoras
    • Superficie lateral del automóvil; es proporcional a los efectos del aire de costado
    • Reparto del peso transportado; si no está equilibrado entre lados se alteran los efectos de las inercias a uno u otro lado, implicando inclinaciones y reacciones diferentes de la carrocería
    • Forma de conducir; afecta a los desplazamientos en los tres ejes

Particularidades de los desplazamientos longitudinales en sentido de la marcha hacia adelante X:

  • Se producen por:
    • La fuerza motriz del automóvil; par y potencia
    • Se reduce la fuerza necesaria para avanzar con; menor oposición del aire desplazado, menos peso al iniciar la marcha y al aumentar la velocidad
    • Presión de los neumáticos; más rozamiento que se opone a la marcha con menos presión y a la inversa
  • Estos movimientos están relacionados con:
    • Área frontal o superficie maestra S; son los m2 que hacen frente al aire de la marcha del automóvil (1.5.4)
    • Coeficiente de penetración aerodinámica CX; es la calidad de la forma para vencer la resistencia del aire al avance (1.5.4)
    • Rozamiento de los neumáticos; se produce al girar los neumáticos por su fricción sobre el suelo y la deformación de sus componentes internos al soportar el peso del automóvil. En el capítulo 1.5.4 se indicó que los efectos de los rozamientos por rodadura de los neumáticos se estiman en el entorno del 19% en el consumo de combustible necesario para el desplazamiento del automóvil a 90 km/h
    • Proporcional a la velocidad de marcha; los efectos de resistencia al avance son extremadamente elevados al aumentar la velocidad, incrementándose exponencialmente con esta
  • Al final del vídeo se sustituyen los muelles y amortiguadores por los conjuntos hidroneumáticos que monta este automóvil (capítulo 2.21.1, en este nivel). Este sistema de suspensión permite mantener la altura de la carrocería, aunque varíe la ocupación mejorando la aerodinámica
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Los desplazamientos del automóvil son en los tres ejes combinándose entre sí y con inclinaciones longitudinales y laterales.

El avance es el desplazamiento genérico del automóvil por el eje longitudinal X.

La velocidad de marcha es determinante para que los efectos de la aerodinámica se hagan más notorios.

Veremos también en este capítulo la relación entre la calidad de penetración aerodinámica CX del automóvil y la sustentación, la primera afecta al consumo y la segunda a la estabilidad y sus influencias son opuestas.

Fórmula de resistencia aerodinámica al avance

Seguimos con el mismo automóvil de frente y de lado:

  • La fórmula de la resistencia al avance es; FX= ½ . K . S . CX . V2
  • FX es la fuerza necesaria para vencer la resistencia del aire al avance para el desplazamiento del automóvil
  • K es un valor para compensar las variables de medición experimental
  • S es la superficie frontal o área maestra del automóvil
  • CX es el coeficiente de calidad de penetración aerodinámica
  • V es la velocidad de circulación; influye exponencialmente en los resultados aerodinámicos. En coches competición es trascendental, pues la calidad de la forma aerodinámica influye en la estabilidad del automóvil por los efectos de la sustentación a elevada velocidad como veremos después

Particularidades de los factores de la fórmula:

  • La fuerza necesaria para avanzar FX es aportada por el motor; par y potencia
  • K es un dato para compensar la presión atmosférica, temperatura, densidad del aire y otros valores durante el control
  • S la superficie frontal o área maestra del automóvil se da en m2 y tiene influencia en los resultados aerodinámicos. En este automóvil el valor es 1,74 m2. Al comparar automóviles se ha de hacer de tamaños y tipos similares, pues afecta a la habitabilidad
  • CX es la calidad de la forma por sus resultados aerodinámicos. Se indica por un número sin unidades de medida, cuanto menor sea mejor calidad aerodinámica de la forma. En este coche su valor es 0,31. Se ve después como se mide experimentalmente el CX en el túnel de viento
  • La velocidad es determinante para los efectos aerodinámicos, lo hace con el cuadrado de su valor V2. Estimativamente, a 90 km/h la calidad aerodinámica (CX y S) influye un 30% en el consumo de combustible y los rozamientos por rodadura de los neumáticos el 19%, como se ha comentado. En este último dato afecta el peso del automóvil, así como los materiales y estructura de los neumáticos y no se considera en la fórmula, que valora exclusivamente los aspectos que influyen aerodinámicamente; la forma (CX) y superficie frontal (S). La anchura de los neumáticos si influye en esta última (S)
  • La comparación de automóviles del mismo segmento se hace teniendo en cuenta el producto S . CX para tener una valoración completa. Han de ser con automóviles de tamaños similares pues la superficie frontal influye en la habitabilidad
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Los efectos de la aerodinámica del automóvil son proporcionales a la velocidad de marcha.

A partir de 90 km/h ya influye estimativamente un 30% en el consumo, incrementándose con el cuadrado de la velocidad.

En el capítulo 1.5.4 se comparan dos automóviles con el mismo motor y carrocerías diferentes, coupé y SUV, siendo los resultados determinantes, la mejor aerodinámica del coupé (S . CX) permite consumos sensiblemente menores en las mismas condiciones de utilización.

Pero no son automóviles comparables al pertenecer a diferentes tipos de carrocería.

Se deberían comparar coupés o SUV de tamaños similares para que la aerodinámica fuese un factor a tener en cuenta en los resultados.

Sustentación positiva aerodinámica del avión… ¿En el automóvil?

Se ve un avión volando y un automóvil circulando en carretera.

En el avión el aire pasa por encima y por debajo del ala, en el automóvil el aire pasa por encima, por debajo hay muy poco espacio.

Se compara por esta razón la forma superior del perfil del ala del avión con la del automóvil:

  • El perfil del ala del avión genera la sustentación positiva que le permite volar … si la velocidad del aire es suficiente.
  • La sustentación positiva hace que el avión se mantenga en el aire y se eleve contrarrestando la fuerza de la gravedad, la negativa implicaría efectos opuestos
  • La parte superior de la carrocería del automóvil es similar al del ala del avión
  • Esta forma similar en el automóvil genera menos sustentación positiva por la velocidad más reducida, pero puede disminuir la presión de los neumáticos en el suelo, mermando su adherencia
  • En automóviles que puedan circular a elevadas velocidades hay que encontrar soluciones aerodinámicas para evitar que la sustentación positiva comprometa su estabilidad al disminuir la adherencia de los neumáticos en el suelo, menos seguridad activa o primaria
  • Este efecto es más importante en automóviles que pueden circular a muy altas velocidades, en competición es un factor sumamente influyente, como luego veremos
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En el automóvil, para reducir los efectos de la sustentación positiva se requieren formas y complementos que merman la eficacia de penetración aerodinámica, CX y S, lo vamos a ver.

En los coches de calle se prima evidentemente la calidad aerodinámica para reducir la resistencia al avance, mejorando consumo y contaminación.

Influencia de la forma aerodinámica y añadidos exteriores en el automóvil

Vemos un automóvil circulando y se van a representar efectos aerodinámicos relacionados con la sustentación y otros que afectan a la resistencia al avance:

  • Si circula el automóvil a muy elevada velocidad, la forma de la parte superior de la carrocería puede producir efectos de sustentación positiva, tal vez con ligera elevación del coche, pero aunque no se llegue a producir la presión ruedas – suelo disminuye afectando negativamente a la adherencia
  • En cualquier caso, se ha de evitar que se pueda producir en el automóvil sustentación positiva, con más énfasis en modelos que puedan circular a muy altas velocidades

A continuación se ven las formas de carrocería que reducen los efectos de la sustentación positiva, tienden a bajar el automóvil, más presión ruedas – suelo o mantenerla:

Spoiler delantero

  • Situado en la parte frontal inferior; su implantación implica que se generen fuerzas aerodinámicas de empuje hacia abajo aumentando la presión ruedas – suelo
  • Se ha de tener en cuenta que el spoiler permita el paso del aire para refrigerar el aceite del motor en el cárter y de los discos de freno

Spoiler trasero

  • En el extremo posterior de la carrocería; sus efectos hacen que se generen fuerzas aerodinámicas que empujan esta parte del coche hacia abajo, aumentando la presión de las ruedas traseras sobre el suelo

Faldones laterales

  • Delante y detrás de las ruedas; al girar las ruedas generan torbellinos de aire que alteran la eficacia aerodinámica, mediante unas guías delante y detrás de las ruedas se puede dirigir gran parte del aire que no entra en los pasos de rueda reduciendo las turbulencias

Carenado de bajos

  • El aire que pasa por debajo del automóvil se encuentra con elementos y componentes de formas irregulares que provocan turbulencias
  • Se reduce o evita este efecto con forma lo más plana posible de los bajos del coche, facilitando el tránsito del aire sin obstáculos

Carenado de pasos de rueda

  • Al girar las ruedas se producen torbellinos de aire, parte de los cuales se reducen con los faldones laterales.
  • Pero inevitablemente quedan bastantes que llegan al interior de los pasos de rueda donde hay elementos de suspensión, dirección, frenos y transmisión que tienden a generar más turbulencias.
  • Se reducen sensiblemente haciendo que los pasos de rueda sean lo más uniformes posible, con huecos exclusivamente para los elementos necesarios, así se reducen los efectos aerodinámicos indeseados

¿Mejoran los aditivos aerodinámicos la resistencia al avance?; la superficie frontal o área maestra S aumenta y el coeficiente aerodinámico CX también, por lo que si afectan.

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Cada automóvil ha de tener la aerodinámica más adaptada a su utilización y prestaciones, en busca del mejor equilibrio entre estabilidad, consumo de combustible y contaminación.

Es trascendental que los añadidos aerodinámicos estén diseñados para ser efectivos sin afectar a otros elementos o componentes del automóvil.

Cuanto más baja esté la carrocería con respecto al suelo, menos flujo de aire pasa por esta zona, lo que reduce la resistencia al avance.

Hay suspensiones que permiten mantener la altura de la carrocería, subirla o bajarla con intervención del conductor o automáticamente según la velocidad y condiciones de marcha.

Se ven estas tecnologías en el capítulo 2.21.1.

Medición del coeficiente de penetración aerodinámico CX en el túnel de viento

Túnel de viento es como se denomina al equipo para la medición de la calidad aerodinámica de un objeto experimentalmente.

Este es y así funciona:

  • Se ve la cámara del túnel de viento en donde se colocará el objeto del ensayo, hay dos turbinas, una a cada lado, una de estas insufla aire a determinada velocidad y la otra lo recoge recirculando de nuevo hacia la turbina de entrada
  • La velocidad del aire se regula para simular diferentes velocidades de marcha del objeto que se va a medir según las normas a aplicar
  • Si no hay nada en el interior del túnel de viento que interrumpa el flujo de aire el CX es 0 y si se obstruye el paso sería 1
  • Se coloca un automóvil en el interior de la cámara del túnel de viento para medir su calidad aerodinámica, se puede hacer con las ruedas paradas o, como en la imagen, girando para que sean más completos, precisos y efectivos los resultados
  • Se ajusta la velocidad del aire y se procede al análisis
  • Los flujos de aire rodean la carrocería por todos los lados para continuar su recorrido
  • La resistencia que ofrece el automóvil al paso del aire es valorada por múltiples sensores llegando a calcular el CX que en este coche es 0,31
  • Hay zonas del automóvil en las que se producen turbulencias necesarias y difíciles de reducir, unas de estas son en el entorno en los retrovisores exteriores que disminuyen con formas más redondeadas y si se integran en la carrocería
  • Pero hay dos zonas en las que se han de generar turbulencias, en el frontal por donde ha de entrar aire para la refrigeración del motor y bajo el parabrisas, para que entre aire que permita la actuación de la climatización del habitáculo
  • En el resumen repaso veremos cómo se pueden reducir e incluso eliminar estas turbulencias de refrigeración del motor y climatización temporalmente
  • Para saber la calidad aerodinámica del automóvil se ha de multiplicar el CX obtenido por la superficie frontal o área maestra como ya se ha visto, y así poder comparar con otros automóviles equivalentes
  • En este coche S es 1,74 m2 por lo que el producto S . CX es; 1,74 . 0,31 = 0,54
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En los primeros ensayos en túnel de viento se adherían en toda la superficie de la carrocería unos hilos de muy poco peso, que por efecto de la gravedad quedaban en reposo hacia abajo.

Al pasar el aire generado por las turbinas los hilos se posicionaban en la dirección de los flujos de aire.

Cuanto más uniforme sea la dirección que toman los hilos mejor es la calidad aerodinámica.

Si en una zona las direcciones son distintas indican que hay turbulencias.

Con el sistema de medición controlado electrónicamente y con gran cantidad de sensores la precisión de la medida es sensiblemente mayor.

A continuación, en el resumen repaso, se representa en un automóvil esta forma de medición aerodinámica.

Resumen repaso

Coeficiente de penetración aerodinámica CX de diferentes automóviles y años

La resistencia aerodinámica al avance del automóvil ha ido mejorando progresivamente por varias razones, dos importantes son la mayor velocidad de los coches que requiere menos resistencia al aire y un efecto derivado de este, a menor resistencia al avance el consumo de combustible disminuye.

En los diseños aerodinámicos se valora S, CX y la compensación de la sustentación positiva según cada automóvil.

Vemos varios automóviles resaltando su CX y año correspondiente.

Aparece una escala vertical indicando el CX que empieza en 0 y llega hasta 1:

  • 0,60 Fiat Balilla de 1932
  • 0,54 Lada Niva de 1977
  • 0,51 Citroën 2CV de 1948
  • 0,48 Daff 33 de 1959 y Fiat 128 de 1969
  • 0,47 Lancia Aprilia de 1937
  • 0,46 Volkswagen 1200 de 1961
  • 045 Range Rover de 1970
  • 0,44 Jaguar Type E de 1961
  • 0,43 / 0;50 Fiat Dino con capota / descapotado de 1968
  • 0,42 Volkswagen Kombi de 1967 y Morris Mini de 1959
  • 0,41 Fiat 127 de 1972
  • 0,39 Renault 4 de 1961
  • 0,38 Mercedes 220 de 1959
  • 0,35 Maserati Ghibli de 1967
  • 0,34 Porsche 911 de 1970 y Renault Avantime de 2001
  • 0,33 NSU Ro80 de 1967
  • 0,31 Citroën DS19 de 1955
  • 0,30 Saab 92 de 1949
  • 0,26 Audi A6 de 2019
  • 0,24 Toyota Prius de 2015
  • 0,21 Tesla Model 3 de 2016
  • 0,186 Volkswagen XL1 de 2014

A continuación se ven dos objetos con el peor y mejor CX posible; la esfera con 0,1 y el cubo con 1,00.

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Se ha hablado antes de la mejor aerodinámica con el carenado de los bajos, veámoslo en un recuadro:

  • En la imagen superior del recuadro se ve por debajo un automóvil sin bajos carenados; los diferentes componentes mecánicos con formas irregulares producen turbulencias que alteran el paso de los flujos de aire
  • Se ve en la imagen inferior del recuadro otro automóvil con los bajos carenados, queda solamente descubierto lo que es imprescindible; en este coche el sistema de escape para evacuar calor al exterior.
  • Los flujos de aire encuentran menos dificultades para pasar hacia atrás bajo el coche

También se ha comentado que una forma de medir el CX en los inicios era mediante hilos pegados a la carrocería, lo vemos en este otro recuadro:

  • Se ve el automóvil sin que pasen los flujos de aire con los hilos en la carrocería en posición vertical por su peso
  • Se pone en funcionamiento el túnel de viento y los flujos de aire inciden sobre los hilos que se posicionan en la dirección de las capas de aire; cuanto más uniforme sea la posición de los hilos menos freno al paso del aire, mejor aerodinámica

Aerodinámica activa; control variable de las turbulencias de aire

La imagen de base es un coupé visto de lado:

  • Se representa la implantación técnica que tiene motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera)
  • También se ve al conductor y otros ocupantes
  • Al circular el automóvil el aire ha de pasar a su alrededor, con más o menos facilidad según su calidad aerodinámica y velocidad
  • En el frontal y bajo el parabrisas hay dos zonas de turbulencias necesarias, como ya se ha comentado, para refrigeración del motor y funcionamiento del aire acondicionado en el frontal y adaptar la temperatura del aire que entra al habitáculo bajo el parabrisas
  • Las necesidades de aire para refrigerar el motor, funcionamiento del aire acondicionado y climatizar el habitáculo no son constantes, por lo que hay posibilidad de adaptar los flujos de entrada, es decir las turbulencias en estas zonas, según las condiciones de marcha
  • Se hace regulando de forma variable el paso de los flujos de aire por estas zonas, mediante control electrónico y trampillas, lo vemos:
    • Trampillas en el frontal; permiten regular el caudal de paso de aire para refrigerar el motor según las necesidades. Este aire también incide en el condensador de aire acondicionado para generar frío en el sistema (1.27.1). Cuanto más cerradas estén las trampillas menos turbulencias y mejor aerodinámica
    • Trampillas en la base del parabrisas; pueden adaptar el caudal de aire que pasa según las demandas de climatización, cuanto más cerradas estén las trampillas menos aire pasa mejorando la aerodinámica al disminuir las turbulencias
  • También es posible hacer que los spoilers delantero y trasero sean dinámicos actuando de forma variable, hasta determinada velocidad están ocultos mejorando el CX y a partir de esta van saliendo para aumentar la sustentación negativa y la estabilidad, aunque el CX sea menor
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Efecto suelo en competición

Partimos de un fórmula 1 (F1) visto de frente y de lado:

  • La parte inferior de la carrocería en la superficie exterior que está frente al suelo tiene forma de ala invertida
  • Al pasar aire bajo el F1 a muy alta velocidad la forma de ala invertida genera fuerte succión, es decir sustentación negativa, es el efecto suelo que “pega” el coche al piso sin aumentar el peso
  • Se puede incrementar el efecto suelo mediante faldillas flexibles en los extremos inferiores de los pontones laterales, las faldillas son flexibles y van rozando con el piso.
  • Se hace casi estanco el paso del aire aprovechando bastante más el efecto suelo.
  • Las suspensiones y los neumáticos han de estar diseñados para estos esfuerzos adicionales que les exigen más
  • Aún es posible aumentar más el efecto suelo incorporando una turbina o más en la parte de atrás por donde sale el aire de la marcha que pasa bajo el F1, la velocidad de la turbina aumenta la velocidad de salida del aire logrando incrementar bastante más el efecto suelo y la estabilidad.
  • Se ha de tener en cuenta que si se dañan las faldillas se pierde efecto suelo, lo que puede ser muy peligroso al no contar el piloto con la estabilidad acorde a la velocidad que espera, especialmente en curva
  • Los spoilers delanteros y traseros (uno o más) pueden ser dinámicos, para aportar efecto de freno aerodinámico antes de las curvas y reducir la resistencia al aire en rectas y aumentar así la velocidad
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