Módulo 4.4.1 – Carrocería

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Este capítulo se compone de seis partes o módulos, de las que la última es un resumen repaso del tema completo.

Aunque el tema central es la carrocería, se mencionan otros contenidos técnicos.

Algunos se habrán visto en anteriores capítulos y otros se tratarán a fondo en los siguientes.

La carrocería del automóvil es lo que se ve desde el exterior, bueno parte de esta, pues sus componentes abarcan todo el coche, de hecho, es en la carrocería donde asienta todo lo demás que conforma el automóvil.

El programa de este capítulo 4 se ve a continuación, completo el de la parte o módulo 4 (4.4.1 y 4.4.2) que se va a desarrollar en dos partes y resumidos los restantes.

Programa capítulo 4

Módulo 4.1

  • Elementos y funciones de la carrocería y su relación con la estructura e implantaciones
  • Geometría de suspensión y dirección relacionada con la carrocería

Módulo 4.2

  • Estructuras de carrocería derivada de los carruajes de tiro animal

Módulo 4.3

  • Puertas de acceso al habitáculo, al maletero y las implantaciones técnicas
  • Tipos de carrocería por la forma exterior o línea y su evolución
  • Carrocerías de automóviles con poca o nula emisión de CO2

Módulo 4.4

  • Aerodinámica del automóvil
    • Resistencia aerodinámica al avance
    • Resistencia aerodinámica al avance con el paso de los años
    • Comparación de la resistencia aerodinámica al avance sobre diferentes vehículos y años
    • Superficie frontal y aerodinámica
    • Los tres ejes de movimiento del automóvil; vertical Z
    • Los tres ejes de movimiento del automóvil; transversal Y
    • Los tres ejes de movimiento del automóvil; longitudinal X
    • Como se mide el coeficiente de calidad de forma aerodinámica CX
    • Efectos de sustentación y soluciones
    • Complementos aerodinámicos
    • Más complementos aerodinámicos
    • Comparación de la eficacia aerodinámica entre automóviles
    • El coeficiente de penetración aerodinámica CX en diferentes automóviles y de distintas épocas
    • Comparación del CX en la evolución del mismo modelo o sus equivalentes en la marca
    • CX y S en diferentes versiones de modelos de gama
    • Aerodinámica activa
    • Mas detalles relacionados con la aerodinámica
    • “Efecto suelo”

Módulo 4.5

  • Procesos de construcción del automóvil
  • Dimensiones y materiales de construcción
  • Plataforma común y diseño modular

Módulo 4.6

  • Resumen repaso

Módulo 4.4 primera parte

La aerodinámica determina la fuerza que ha de vencer el motor para que avance el automóvil por los efectos contrapuestos del aire, es la resistencia aerodinámica.

La forma de la carrocería es trascendental y también su tamaño vista de frente.

Otros aspectos son los elementos discontinuos en la línea; retrovisores exteriores, escobillas limpiaparabrisas, sistemas de apertura de puertas, y también las holguras y enrasamientos entre los diferentes complementos en la carrocería; puertas y otros abrientes, faros, pilotos, parabrisas, ventanillas, …

También influyen las zonas de turbulencias que alteran el paso del aire, pero son necesarias; radiador de refrigeración por líquido del motor y entrada de la climatización son las más implicadas.

Otros aspectos a tener en cuenta son los efectos al pasar el aire por el exterior de la carrocería relacionados con la sustentación, que pueden tender a levantar el automóvil lo que afecta a la estabilidad.

La aerodinámica a baja velocidad no tiene demasiada relevancia, pero según se aumenta va tomando más importancia, como dato de referencia; a 90 km/h se estima que el 29,8% del consumo de combustible es a causa de la aerodinámica, y va aumentando exponencialmente con la velocidad.

En estos enlaces al blog hay información complementaria relacionada:

Son tres las resistencias que ha de vencer el automóvil para avanzar; de rodadura, aerodinámica y en subida.

Resistencia aerodinámica al avance

Se representa un automóvil coupé de lado y después se verá también de frente.

  • Lo que más afecta a la resistencia aerodinámica al avance es …
    • Forma de la línea de la carrocería y su tamaño visto de frente, ya se ha comentado que a 90 km/h estimativamente la aerodinámica es responsable del 29,8% del consumo de combustible. En azul se ve el paso del aire alrededor de la carrocería
    • Enrasamiento y holguras entre la carrocería, los elementos complementarios y abrientes; si no están perfectamente rasantes con la línea de la carrocería los elementos complementarios se alteran los flujos de aire, retrovisores exteriores escobillas del parabrisas, manillas de puertas y también si entre los elementos abrientes hay exceso de holgura, pues entra aire y se producen turbulencias. Estas zonas están en color naranja
    • Hay zonas donde las turbulencias son necesarias para el funcionamiento del automóvil, como muestra se representan tres radiadores; el de refrigeración del motor delante y en el circuito de paso del aire al habitáculo para la climatización dos más, radiador de frío o evaporador y radiador de calefacción. Lo vemos en color rojo oscuro
    • Las ruedas y los pasos internos en la carrocería y por los bajos del automóvil; las ruedas giran e inducen torbellinos de aire que chocan con los diferentes elementos mecánicos en el interior de los pasos de rueda, lo vemos en amarillo. El aire sigue por los bajos del automóvil encontrándose con los obstáculos que conforman diversos componentes mecánicos
  • Los efectos aerodinámicos en el consumo de combustible se incrementan exponencialmente con la velocidad de circulación, más adelante se resalta con la fórmula de la resistencia aerodinámica al avance
    • En uso urbano y a velocidades de ciudad la influencia de la aerodinámica es escasa, de hecho, es el peso lo que más afecta, sobre todo si se ha de parar y avanzar por mucho tráfico, también afectan las subidas
    • Es en carretera y más en autopista donde se notan los incrementos de consumo por la aerodinámica al circular más rápido
EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DEL AUTOMÓVIL A TRAVÉS DE SU HISTORIA - Módulo 4.4 (1/18)

Con el aumento de velocidad de los automóviles la calidad aerodinámica ha ido tomando más importancia, pues además el mayor consumo de combustible implica emitir más CO2 y otros contaminantes tóxicos, o necesitar sistemas de limpieza para que estos últimos no salgan al exterior.

Ya sabemos que el CO2 no es contaminante tóxico, pero al afectar al calentamiento global se ha de prescindir de las tecnologías de propulsión que lo emiten circulando.

Resistencia aerodinámica al avance con el paso de los años

La resistencia aerodinámica al avance depende de diversos factores relacionados con el vehículo, pero hay uno muy importante y es la velocidad a la que se desplaza.

Vemos la resistencia aerodinámica en cuatro vehículos, el primero es un carruaje y los otros tres automóviles de años sucesivos.

Carruaje

  • Las formas son muy cuadradas y angulares
  • Estas formas hacen que cueste desplazar el aire para avanzar, si la velocidad fuese la suficiente para producir turbulencias
  • La importancia de la forma de la carrocería por sus efectos aerodinámicos es escasa por la baja velocidad de marcha, menos de 40 km/h

Automóvil de los años 1920

  • Al derivar la carrocería de un carruaje las formas tienen cierto parecido, son más bien cuadradas y discontinuas
  • Estas formas suponen que se formen turbulencias de aire al avanzar el automóvil, que ya puede desplazarse entre 45 y 70 km/h
  • Al llegar a 70 km/h la aerodinámica ya tiene efectos en la resistencia al avance, que necesita más par y potencia
  • Para aportar mayores valores de par y potencia se ha de acelerar más lo que implica que el consumo de combustible aumente

Automóvil de los años 1950

  • En realidad, el coche de la imagen es de 1938, pero su línea se anticipa a su tiempo con formas aerodinámicas para aquellos años, por lo que le consideramos representante de coches de la década de 1950
  • Las formas son redondeadas buscando continuidad en la línea
  • El resultado es que cuesta menos desplazar el aire alrededor del automóvil para avanzar
  • Podría llegar a velocidades más altas lo que supone que la aerodinámica tenga mucha influencia en el consumo, pudiendo alcanzar 160 km/h si el motor es el adecuado
  • Con buena aerodinámica el consumo se contiene, para irse incrementando según aumenta la velocidad, este es un factor de gran influencia en la resistencia aerodinámica al avance

Automóvil del 2000 en adelante (2014)

  • La aerodinámica ha ido tomando más protagonismo al aumentar la velocidad de los automóviles, vemos uno que es en realidad un coche concepto de diseño aerodinámico, con excelentes resultados
  • Las formas son muy suaves, redondeadas y continuas con todos los componentes enrasados y sin holguras
  • Cuesta menos desplazar el aire alrededor del vehículo para avanzar
  • Puede alcanzar velocidades superiores a 200 km/h
  • Las formas de la carrocería reducen mucho la resistencia aerodinámica al avance
  • El consumo es reducido al no necesitar altos valores de par y potencia para avanzar, pero se va incrementando con la velocidad, pues este factor es determinante al tener que evacuar más aire en el mismo tiempo
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Se han representado las corrientes de aire con más o menos turbulencias según las formas de la carrocería, para asociar con las imágenes el comportamiento aerodinámico en cada uno de los vehículos por sus formas.

Comparación de la resistencia aerodinámica al avance sobre diferentes vehículos y años

Esta diapositiva complementa a la anterior y prepara para las siguientes explicaciones.

Imagen superior izquierda (carruaje)

  • Formas muy cuadradas y líneas irregulares
  • Sobresalen las manillas de las puertas
  • Caída vertical de la zaga
  • Bajos irregulares con elementos que alteran el paso del aire
  • Holguras entre puertas y la carrocería que rompen la continuidad
  • Ruedas al aire que provocan turbulencias al girar
  • Los efectos aerodinámicos son escasos por la baja velocidad de marcha

Imagen superior derecha (coche de los años 1920)

  • Formas más o menos cuadradas al ser una carrocería derivada de carruaje
  • Líneas discontinuas con muchas irregularidades
  • Sobresalen las manillas de las puertas
  • La zaga cae vertical
  • Las puertas tienen bastante holgura en su acoplamiento a la carrocería
  • Bajos con muchas irregularidades: ejes, suspensiones, dirección, escape …
  • Turbulencias en la entrada de aire al radiador de refrigeración del motor, situado detrás de este
  • Ruedas cubiertas parcialmente por los guardabarros, lo que implica que se produzcan turbulencias de aire
  • Más efectos aerodinámicos por las turbulencias generadas por la línea potenciados al poder circular a más velocidad (que un carruaje)

Imagen inferior izquierda (automóvil de los años 1950)

  • Formas redondeadas y continuas con líneas suavizadas
  • La caída de la zaga es suave y progresiva
  • Ruedas cubiertas con guardabarros y carenadas las traseras
  • Bajos con ciertas irregularidades por los elementos mecánicos
  • Sobresalen las manillas de las puertas, las escobillas limpiaparabrisas y el retrovisor exterior si lo lleva
  • Holguras entre puertas y carrocería
  • Turbulencias de aire en el radiador de refrigeración del motor, en el frontal, y en la entrada al radiador de calefacción para el habitáculo, delante del parabrisas
  • Mejor aerodinámica que mantiene su eficacia al aumentar la velocidad, aunque entonces se incrementa la resistencia al avance y el consumo sube

Imagen inferior derecha (coche concepto aerodinámico de 2014)

  • Formas continuas y redondeadas
  • Zaga con caída progresiva e inclinada
  • Ruedas con llantas lisas y cubiertas, las traseras carenadas
  • Bajo liso y carenado en busca de la mayor continuidad posible
  • Puertas enrasadas en la carrocería y acopladas sin holguras
  • Sin elementos sobresalientes de la carrocería ni radiador de calefacción
  • Radiador de refrigeración del motor colocado de forma que altere lo menos posible la aerodinámica a la vez que le atraviesa el aire
  • Excelente aerodinámica algo menos afectada por la velocidad, pero la resistencia aerodinámica inevitablemente se incrementa según se circula más deprisa
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Con estos cuatro vehículos y los comentarios se busca aportar una idea de como se podría tratar de mejorar la calidad aerodinámica, al menos por la forma.

Vamos a profundizar más en estos aspectos teniendo además en cuenta el otro factor influyente, el tamaño del automóvil visto de frente, su superficie frontal.

Superficie frontal y aerodinámica

La calidad de la forma aerodinámica es determinante para que el automóvil desplace con más o menos facilidad el aire a su alrededor para avanzar, pero el tamaño visto de frente que ha de hacerse sitio es el otro factor:

  • En la resistencia que opone el aire al avance influye además de la forma …
  • … la superficie frontal o área maestra
  • … y la resistencia al avance va aumentando exponencialmente con la velocidad, por la forma y superficie frontal
  • En el carruaje al circular a baja velocidad es casi nula la influencia aerodinámica
  • En el coche de ± 1920, al poder circular más rápido la aerodinámica comienza a tener cierta influencia, proporcional a la velocidad que se alcance
  • El coche de ± 1950 llega a mayor velocidad y su diseño tiene en cuenta la aerodinámica, con mayor influencia yendo más rápido, pero que inevitablemente incrementa el consumo
  • En el caso del coche concepto aerodinámico de 2014 puede alcanzar velocidades más altas, y en su diseño prima la calidad aerodinámica con excelentes resultados en consumo de combustible, que sube con la velocidad. Es un coche laboratorio para estos ensayos
  • La superficie frontal o área maestra determina el aire que se ha de evacuar para avanzar, con más o menos esfuerzo según la forma de la carrocería
  • Cuanto mayor sea la superficie frontal con la misma forma aerodinámica más par y potencia hará falta para avanzar, y a la inversa
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En principio, parece que al tener tanta influencia la superficie frontal del automóvil, lo mejor será reducir su valor, pero esto afecta a diversos aspectos muy valorados, por lo que se ha de estudiar muy bien según el tipo de automóvil, lo vemos con detalle más adelante.

Los tres ejes de movimiento del automóvil; vertical Z

Cuando un automóvil se desplaza, el movimiento que más más resalta y determina su utilidad es el avance longitudinal, pero hay dos movimientos más, vertical y transversal.

Movimientos verticales en el Eje Z

  • La implantación técnica es un punto de partida que indica el reparto de pesos entre ejes y sus inercias. En este caso el motor es longitudinal delantero por delante del eje y tracción
  • Carga y su reparto; la ocupación y equipaje que lleve el automóvil además de la implantación determina las inercias reales durante la marcha. En el coche van cuatro personas y su equipaje
  • Al circular, los baches, aceleraciones, frenadas y curvas hacen que las inercias vayan provocando movimientos verticales, oscilaciones y balanceos
  • Las suspensiones tienen gran influencia en el control de estos movimientos en el eje vertical Z, especialmente los amortiguadores
  • La presión de los neumáticos afecta en estos movimientos, pues su flexibilidad colabora con la suspensión
  • El estado del piso influye al determinar el trabajo de las suspensiones, y los movimientos verticales derivados del automóvil más o menos acusados
  • Efectos de sustentación (aerodinámica) por la velocidad, implica que circulando rápido el paso del aire puede tender a levantar el coche del suelo, reduciendo la fuerza de apoyo de los neumáticos sobre el piso, lo que haría disminuir la adherencia. Se ve más adelante con detalle
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Cuanto más peso lleve el automóvil su altura sobre el suelo es menor, y mayores las inercias dinámicas inducidas durante la marcha.

Los tres ejes de movimiento del automóvil; transversal Y

Otro eje por el que se producen movimientos del automóvil es el transversal.

En principio no se debería desplazar por este eje el automóvil pues se sale de la trayectoria, pero hay situaciones en las que se va a producir, entre estas las curvas, pero hay más.

Movimientos transversales en el Eje Y

  • Desplazamientos laterales, oscilaciones y balanceos, que tienen componentes en el eje vertical Z y en el transversal Y
  • La implantación técnica, la carga y su reparto son el punto de partida de las inercias dinámicas
  • Las características de las suspensiones, y especialmente los amortiguadores, son trascendentales en controlar los movimientos transversales (Y) y verticales (Z)
  • La presión de los neumáticos se preconiza para que su deriva sea la adecuada en cada circunstancia de circulación
    • Un caso que afecta mucho a la seguridad activa o primaria, es que la presión sea correcta para la carga transportada y velocidad de circulación si hay viento lateral y más en adelantamientos
    • Es importante que, si el automóvil es empujado por el aire lateral y se desplaza por el eje transversal Y, se desvíe más parte delantera … así al corregir el conductor con el volante hará entrar de nuevo al automóvil en su carril
  • La superficie lateral del automóvil y su forma aerodinámica influye en su comportamiento ante viento lateral y adelantamientos
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Los movimientos en los ejes vertical Z y transversal Y se deben a alteraciones de las inercias durante la marcha con importantes efectos en la estabilidad.

De todo lo que afecta a estos movimientos, los amortiguadores de las suspensiones son trascendentales para su control, con la particularidad de que el desgaste progresivo de estos puede no ser detectado por el conductor y ponerse de manifiesto en una situación crítica.

Los tres ejes de movimiento del automóvil; longitudinal X

De los tres ejes de movimiento del automóvil, el que determina su utilidad como medio de transporte es el longitudinal en el eje X, del que llevamos hablando desde el inicio de este capítulo relacionándolo con la aerodinámica, y ahora ampliamos las informaciones con tres imágenes de un mismo automóvil; de frente, de lado y en planta.

  • Avanza el automóvil por su eje longitudinal X, desplazando el aire a su alrededor con más o menos esfuerzo por su forma, superficie frontal y velocidad
  • La resistencia aerodinámica al avance se supera con par motor y potencia
  • La resistencia aerodinámica al avance a velocidad mantenida disminuye
    • Con mejor calidad de forma aerodinámica y se mide con el coeficiente de penetración aerodinámica CX, sin unidades de medida. En principio cuanto menor sea la altura del automóvil mejor CX
    • Con menos superficie frontal o área maestra S, en m2. Con menor altura del automóvil menos S
  • La resistencia aerodinámica al avance viene dada por esta fórmula;

                                              FX = ½ . K. CX . S . V2

      • FX es la fuerza necesaria para vencer la resistencia aerodinámica al avance
      • K es un valor para compensar variables de medición
      • S es la superficie frontal o área maestra en m2
      • CX es el coeficiente de calidad de forma aerodinámica, sin unidades de medida
      • V2 es la velocidad al cuadrado
  • A 90 km/h la aerodinámica se estima que influye un 29,8% en el consumo de combustible, y va aumentando exponencialmente con la velocidad
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La aerodinámica del automóvil depende en su diseño del CX y S.

Vamos a ver diferentes automóviles con el paso de los años y como se puede mejorar su calidad aerodinámica, aunque para compararlos se ha de hacer por el mismo tipo de automóvil, desde punto de vista de su utilización para que el resultado sea objetivo.

Pero antes se representan formas de medir el CX.

Como se mide el coeficiente de calidad de forma aerodinámica CX

Valorar la calidad de forma aerodinámica de un automóvil requiere laboriosas pruebas y cálculos.

Con la llegada de la posibilidad de incorporar cálculos por ordenador y sofisticados algoritmos, se pueden lograr excelentes mediciones antes de las empíricas que corroboran los resultados.

El valor del CX está comprendido entre 1 (o algo mayor) y 0, mejor cuanto menor sea el valor del número, sin unidades de medida.

Vemos de forma didáctica dos métodos de medir el CX, antes y ahora.

Medición del CX por hilos en la carrocería

  • Se pegan en el exterior de la carrocería unos hilos de determinada longitud y peso mínimo
  • Una turbina frente al automóvil impulsa aire simulando que está circulando
  • Los hilos sometidos a los flujos de aire toman diferentes posiciones según las corriente y turbulencias indicando la dirección seguida por el aire y sus bucles
  • Mediante laboriosos cálculos se determina según la posición de los hilos la calidad de forma aerodinámica, que en este caso da un CX de 0,42

Medición exacta del CX en túnel de viento

  • Se coloca el automóvil dentro de un tubo, túnel de viento
  • Varias turbinas emiten flujos de aire a velocidades determinadas
  • El automóvil puede estar en marcha y las ruedas girando sobre rodillos, lo que mejora la precisión de las medidas
  • Se analizan los resultados llegando al valor exacto, en este caso el CX es 0,35
  • Como referencias de aerodinámica de formas; el CX de un cuadrado es 1,15 y de una gota de agua 0,04
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Se pueden complementar las pruebas con sustancias inertes en el aire que le dan distintos colores para visualizar mejor sus recorridos y turbulencias en las diferentes zonas.

Efectos de sustentación y soluciones

Circulando a elevada velocidad se pueden producir efectos aerodinámicos que tiendan a levantar el vehículo del suelo, es el principio base de que el avión vuele:

  • El automóvil de la imagen superior tiene motor longitudinal delantero por delante del eje y tracción, cinco plazas y equipaje en el maletero tras el habitáculo
  • El de la imagen inferior tiene motor longitudinal trasero por detrás del eje y 4×4, dos más dos plazas y maletero delante del habitáculo
  • A alta velocidad se pueden generar efectos de sustentación positiva, hacia arriba, reduciéndose la fuerza de apoyo de los neumáticos sobre el suelo, afectando a la estabilidad. Se ve cómo se levantan algo los dos automóviles, y se pueden compensar estos efectos así:
    • Spoiler bajo el frontal; hace que el aire ejerza fuerza de empuje sobre la parte delantera hacia abajo compensando la sustentación positiva. En el coche de la imagen superior con el motor por delante del eje delantero, la tendencia a levantarse por esta parte es menor que en el de la imagen inferior, pues en este coche hay mucho menos peso en la parte delantera
    • Alerón detrás; al incidir el aire sobre este empuja hacia abajo la parte trasera compensando la sustentación positiva. En el coche de la imagen inferior con el motor por detrás del eje trasero, la tendencia a levantarse por esta parte es menor que en el de la imagen superior, pues en este coche en la parte trasera hay menos peso, sobre todo si no van ocupantes ni equipaje
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Estas explicaciones, didácticas y simplificadas, son para tener idea de como se pueden lograr efectos sobre el paso del aire alrededor del automóvil a elevada velocidad, que compensan la sustentación positiva, pero pueden perjudicar CX y S, además de afectar a otros aspectos de funcionamiento del automóvil, como luego veremos.

Otros enlaces

Vídeos de interés

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