Aerodinámica y dinámica del vehículo: coeficientes, resistencia a la rodadura y adherencia de neumáticos

Aerodinámica del vehículo

El coeficiente de sustentación C_z de los turismos se sitúa entre 0,2 y 0,5, siendo positivo o negativo según la configuración. Para reducir C_z se recomiendan las siguientes configuraciones básicas del vehículo:

• Eliminar zonas de separación del flujo en la parte superior.
• Parte delantera baja y cóncava.
• Superficie lisa en el techo.
• Parte posterior elevada.
• Instalar alerones invertidos, que generan una subpresión bajo el suelo.
• Instalar dispositivos de efecto suelo, que producen una zona de alta velocidad y baja presión entre los bajos y el suelo, curvando hacia fuera los bajos y carenando los laterales.

Momentos y fuerzas aerodinámicas

El momento de cabeceo generado por F_x y F_z a distancia del centro de gravedad (C_my: 0,05-0,2) transfiere carga hacia el eje delantero. La mayor fuerza sustentadora, la fuerza lateral y el momento de guiñada (C_y: 0,5-1,2; C_mz: 0,15-0,3) dependen de la forma lateral.

Las superficies laterales planas y prolongadas hacia la parte trasera (furgonetas, familiares) aumentan la fuerza lateral F_ya y el momento M_ya. Una carrocería fuselada hace el vehículo más sensible al comportamiento dinámico bajo viento lateral, especialmente ante viento racheado o barreras laterales.

Desviación lateral bajo viento

La desviación lateral se estima mediante la expresión:

Y_g = (1/P(K₁+K₂X_pg) + K₃X_pg + K₄) C_y30 · A_f + 1/P(K₅+K₆X_pg) + K₇X_pg + K₈

Límite de seguridad: f_g = √(1/(1+Y)) - 1, con Y = 2Y_g/a_mx, donde a_mx es la distancia lateral del vehículo a la línea longitudinal que no debe rebasar, y Y_g la desviación bajo control fija para t = 0,8 s.

Mientras Y_baj f_g crece lentamente, para Y > 0,9 f_g crece rápidamente.

Ensayos en túnel de viento

Las prestaciones aerodinámicas dependen de la presión dinámica, proporcional a V². Su control debe ser riguroso: el flujo de aire debe ser homogéneo y el movimiento relativo vehículo-aire-suelo es difícil de simular, ya que el aire se mueve en flujos locales. Por ello se requieren sistemas de refrigeración simulables y controlables, cámaras de viento climatizadas, calefacción, aireación y aire acondicionado con requisitos intermedios, manteniendo Re = Vl/ν = cte.

Momento de vuelco

Se busca el centro de gravedad lo más bajo posible. El momento de vuelco resultante de F_ya y F_za, respecto a la proyección del eje longitudinal sobre el plano de rodadura, es:

M_xa = F_yaH + F_zab

Factores de resistencia aerodinámica

• Altura del punto de estancamiento: baja, favorable para reducir C_x.
• Formas suaves entre el punto de estancamiento y el capó: reducen C_x.
• Ángulo de inclinación del capó: alto reduce C_x (por encima de cierto valor no influye).
• Inclinación del parabrisas: influye en el modo de flujo.
• Bajos: cuanto más planos, más bajo C_x.
• Ruedas: el panelado exterior reduce C_x.
• Spoiler trasero: reduce C_x y C_z gracias a la subpresión.
• Altura del spoiler y rugosidad media óptimas; poca influencia delantera y mucha trasera.
• Ángulo de ataque: reduce C_x y C_z.
• Distancia al suelo: reduce C_x; junto con la disposición de la carga y el maletero tras el vehículo, también influye.

Fuerzas y momentos en el neumático

F_x, F_y y F_z son las componentes en las direcciones de los ejes x, y, z de la fuerza que actúa sobre el neumático como consecuencia de su interacción con el suelo.

• M_x (vuelco): momento respecto al eje x de las fuerzas de contacto que actúan sobre el neumático.
• M_y (resistencia a la rodadura): se opone a la rodadura del neumático sobre el suelo.
• M_z (autoalineante): generado por el ángulo de deriva o deslizamiento (α), formado por la dirección del desplazamiento del centro de la superficie de contacto y la línea de intersección del plano de la rueda con la superficie de rodadura (eje x).
• Ángulo de caída (γ): ángulo formado por el plano XZ y el plano de la rueda.

Resistencia a la rodadura

Depende del diseño y la construcción. Los neumáticos radiales tienen baja resistencia (aproximadamente un 25 % menos), gracias a una menor deformación de la banda de rodamiento y un espesor reducido de la carcasa, cinturón y banda. Un menor espesor de la banda y menor número de capas en el cinturón reducen las pérdidas por histéresis. Los cinturones de acero mejoran la resistencia a la rodadura frente a los neumáticos radiales de cauchos sintéticos (butílico) o naturales.

El diámetro influye: en superficies duras no se deforma ni penetra, por lo que hay menor pérdida de energía. A mayor velocidad, mayor deformación y trabajo disipado, lo que genera vibraciones y fallos si se supera el límite. La presión de inflado también influye: en superficies duras, una presión baja reduce la resistencia; en superficies blandas ocurre lo contrario. Una temperatura baja aumenta la pérdida de potencia y la resistencia esférica larga.

Un aumento del momento de tracción, de la superficie de contacto neumático-suelo o de la deformación incrementa el momento resistente y el par de frenado, pero reduce la tracción. La superficie de rodadura más dura, lisa, seca y libre de contaminantes ofrece menor resistencia.

Coeficiente de resistencia a la rodadura:

f_r = f₀ + f_s(V/100)^2,5, donde f₀ y f_s dependen de la presión de inflado. Para intervalos pequeños de presión: f_r = 0,01(1 + V/160) para 179 kPa.

Adherencia y deslizamiento en tracción

Deslizamiento de tracción: i = 1 - V/ω r = 1 - r_e/r, con ν_xt = F_xt/P. En el tramo OA la variación es lineal (deformación elástica); en AB se inicia el deslizamiento; en BC se produce el tránsito rápido durante el frenado.

Deslizamiento de frenado: i_p = 1 - rω/V = 1 - r/r_e.

El coeficiente de adherencia (ν_mx) depende de factores internos y de la velocidad de marcha: a mayor velocidad, menor ν_mx. Influyen también el dibujo de la banda de rodamiento y la carga: a mayor carga, mayor huella de contacto y menores tensiones tangenciales, con menor ν_mx. En calzadas mojadas la adherencia es menor.

Definiciones geométricas

• Plano de la rueda: plano medio del neumático perpendicular a su eje de rotación.
• Centro de la rueda: punto de intersección entre el plano de la rueda y el eje de rotación.
• Centro de la superficie de contacto: punto de intersección entre el plano de la rueda y la proyección de su eje de rotación sobre el plano de rodadura.