CURSO DE DISEÑO DE COCHES

Curso gratuito de aerodinámica de coches

Automotive Design & Marketing Management

Fuente: Kinetic Simulation

Veremos qué ensayos se realizan y explicaremos la lógica de la aerodinámica, evitando entrar en demostraciones matemáticas.

Esta entrega y la siguiente serán un resumen de toda la aerodinámica básica de los vehículos, eso sí, nos olvidamos lo máximo posible de los números para hacerlo lo más ameno posible. Con esto tendréis bastante más que los conceptos básicos de aerodinámica.  

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¿QUÉ ES LA AERODINÁMICA?

¿Qué es la aerodinámica?

La aerodinámica en un vehículo es el estudio de la influencia que tiene el viendo sobre el vehículo. Con un correcto estudio de la aerodinámica se obtiene un vehículo con mayor estabilidad en las curvas y mejor respuesta frente a vientos laterales. Este estudio también es crucial para conseguir refrigerar correctamente los distintos elementos del vehículo. En vehículos convencionales, el mayor motivo que tiene un fabricante para mejorar la aerodinámica de un vehículo es reducir su consumo, ya que si se reduce la resistencia aerodinámica, el vehículo necesita realizar un “esfuerzo” menor para vencer la oposición del aire y por lo tanto, su consumo de carburante será menor. A 90km/h la resistencia aerodinámica supone un 30% del consumo del vehículo, mientras que si se circula a 120km/h esta cifra sube al 50%. 

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FACTORES DE LA RESISTENCIA AERODINÁMICA

Factores de la resistencia aerodinámica

​La resistencia aerodinámica se puede entender como una fuerza que se opone al movimiento del vehículo cuando éste se está moviendo a través del aire. Depende de cuatro elementos: la densidad del aire, la velocidad, la superficie frontal del vehículo y el coeficiente de resistencia aerodinámica, que depende de la propia forma del vehículo. Todos estos elementos son importantes, pero veremos como uno de ellos tiene una mayor influencia que el resto. 
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1. La densidad del aire no la podemos variar ya que depende de las condiciones externas, por lo que generalmente es un valor relativamente constante.
 
2. La superficie frontal del vehículo define la cantidad de masa de aire que será necesario remover. Por decirlo de otro modo, sería prácticamente la superficie inicial contra la que impacta el aire.

Una bala ofrece poca resistencia aerodinámica, entre otras cosas, porque la primera superficie de impacto con el aire es mínima. Esto no conlleva necesariamente una mayor estabilidad, son dos conceptos distintos. Al contrario ocurre con los camiones, tienen una superficie de impacto inicial muy grande; algo que no ayuda en absoluto. 
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Fuente: mercedes-benz trucks

3. Velocidad: Todos los factores anteriores multiplican, pero la velocidad lo hace al cuadrado. Esto quiere decir que si se duplica la velocidad, la resistencia aerodinámica multiplica por cuatro. Al mismo tiempo, la potencia necesaria para vencer esa resistencia aerodinámica también crece al cubo; por lo que hará falta ocho veces más potencia al duplicar la velocidad.
 
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4 .La propia forma del vehículo: El cuarto y último factor de influencia sobre la resistencia aerodinámica. Es uno de los aspectos que más le interesa conocer a cualquier diseñador de coches, ya que es un factor que podemos controlar. Este factor está únicamente ligado a la forma del vehículo y, hasta un cierto punto, no está ligado a su tamaño. Son adimensionales.
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Fuente: University of Edinburgh

Hay tres factores distintos, uno por cada eje, los podemos ver en la imagen anterior. Dentro de los factores de los que depende la resistencia aerodinámica, tenemos en cuenta únicamente el Cx, que es el Coeficiente de penetración, esto es debido a que estamos evaluando la resistencia aerodinámica del vehículo al avance. Recordemos, solamente consideramos el Coeficiente de penetración Cx para evaluar la resistencia aerodinámica, eso no implica que descartemos el resto de coeficientes (Cz, Cy).

4.1 Coeficiente de penetración (Cx): Se conoce como Cx en la terminología europea, o Cd en terminología inglesa. El Cx es conocido también como el coeficiente de arrastre frontal o “drag”.
 
El Coeficiente de penetración define la resistencia del objeto al avanzar en el aire. A menor sea el número mucho mejor, ya que menor será la resistencia aerodinámica que ofrece el vehículo cuando avanza. Es decir, menos esfuerzo tendrá que hacer el vehículo para superar la barrera de aire, esto hará que consuma mucha menos gasolina. Este punto es de gran interés para las grandes marcas. Si consiguen reducir la resistencia aerodinámica pondrán en el mercado vehículos con un consumo de combustible y emisiones mucho menores, y esto, es algo que les interesa mucho a los consumidores. Además de facilitar el cumplimiento de la normativa de emisiones. 
 
Como comentamos anteriormente, el valor numérico de este factor depende únicamente de la forma y hasta un cierto punto, no depende del tamaño del objeto. Hemos visto que los cuatro factores que determinan las capacidades aerodinámicas de un vehículo son los siguientes:
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1 - Densidad del aire, 2 - La velocidad, 3 - Superficie frontal del vehículo, 4 - Coeficiente de resistencia aerodinámica (Cx).
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En la práctica, para relacionar la superficie frontal del vehículo con el valor numérico del coeficiente se emplea el SCx. Es el producto resultante de multiplicar el área frontal con el coeficiente de penetración (Cx), de este modo dimensionamos el vehículo correctamente, ya que así tenemos en cuenta el tamaño del vehículo. 

El Coeficiente de penetración en inglés se puede ver de las siguiente maneras: Drag coefficient,  Coefficient of penetration (poco usual), aerodynamics coefficient of drag. 
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fuente RM Sotheby's

4.2 Coeficiente de empuje lateral aerodinámico: En el eje lateral del vehículo, en un vehículo simétrico, el valor debe ser cero, dado que los valores de ambos lados tendrían la misma magnitud con signo contrario. No incide en la resistencia aerodinámica , ya que cuando hablamos de resistencia aerodinámica es al avance, afectando únicamente al eje X, no al eje Y. ( Recuerden la imagen previa para ver las direcciones de los ejes)

4.3 Coeficiente de sustentación: La sustentación positiva hace que los aviones vuelen, es por ello que para los coches les interesa una sustentación negativa, para que el coche esté lo más “pegado” al asfalto. Esto se conoce como DownForce. Esto es lo que consiguen los alerones principalmente. Es decir, con una sustentación positiva el vehículo tiende a despegarse del suelo, y una sustentación negativa tiende a “pegar” el vehículo al asfalto.
 
El Coeficiente de sustentación (Cz / Cl) no incide en la resistencia aerodinámica, ya que cuando hablamos de resistencia aerodinámica es al avance, afectando únicamente al eje X, no al eje Z. Aún así, como veremos, es un factor clave en el diseño de un vehículo. 
 
Con mayor coeficiente de sustentación negativo el fabricante busca aumentar la adherencia en las curvas del vehículo a velocidades notables. Se consigue un mayor agarre en curvas al estar el coche más “pegado” al asfalto, en cambio, es necesario un mayor esfuerzo para el avance del coche por lo que el consumo aumenta. Nótese lo que hemos comentado anteriormente: Una mayor sustentación negativa, el término puede parecer confuso. No hablamos de una menor sustentación, sino de una mayor sustentación negativa. Es decir, en el eje horizontal, de arriba hacia abajo.

¿Parece confuso verdad? Vamos a explicarlo sin ser estrictos desde el punto académico, sino con la intención de formarnos una idea mental:

• El cociente de penetración (Cx/Cd) incide en la “facilidad de cortar el viento” del vehículo. Si vemos SCx es porque se ha multiplicado por la superficie frontal.
• El Coeficiente de sustentación (Cz/Cl) incide en la estabilidad del vehículo.

Estas últimas definiciones no son nada exactas, pero nos sirven para asociar los conceptos.

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Para el diseñador conceptual, resulta interesante tener unas ciertas nociones de aerodinámica, de este modo diseñará vehículos más cercanos a la solución final. Pero tal y como hemos visto en los ejercicios anteriores, el vehículo siempre pasará por ensayos de aerodinámica, ya que no podemos basarnos en la intuición. Aunque tener un conocimiento puede ayudar a acercarnos a la solución directamente en las fases iniciales, por lo tanto, tener que hacer muchos menos cambios después y que nuestro coche se parezca lo máximo posible a la solución final. 

Toyota FT1 (Concept)

Toyota Supra 2019

Uno de los retos a los que se enfrentan los diseñadores actualmente es a encontrar un vehículo con buena aerodinámica pero con una buena habitabilidad. Un vehículo solar tiene muy baja resistencia aerodinámica, pero como podemos apreciar, no sería factible su puesta en el mercado. En cambio una furgoneta es poco aerodinámica, pero realmente práctica y amplia por lo que se venden miles de unidades cada año. A esto le añadimos que para una furgoneta nos interesa un bajo consumo ya que es un vehículo que tiene que ser práctico y rentable.

​Por lo que tenemos que jugar con una forma lo más aerodinámica posible, pero sin perder espacio interior. Una caja cuadrada sería el espacio más óptimo, pero tendría una resistencia aerodinámica muy mala debido al alto coeficiente de penetración y a la gran superficie frontal, por lo tanto, tendría un consumo de combustible muy alto. 

También hay que considerar que a bajas velocidades el efecto de la aerodinámica es menor.
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Por lo tanto, en el diseño de una furgoneta de reparto, sería inteligente que un diseñador solicitara al cliente conocer una estimación del tiempo que va a circular por carretera o únicamente por la ciudad a baja velocidad, para otorgar mayor o menor importancia a la aerodinámica versus al espacio interior del vehículo. 

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Os dejamos aquí las redes sociales, agradecemos mucho los comentarios, aunque no podamos responder a todo siempre los leemos. También se agradece que podáis compartirlo a quién pueda resultarle de interés para hacer llegar esta información al mayor número de personas. 

También os dejamos algunos libros de aerodinámica que pueden resultaros de vuestro interés si queréis dedicaros a este área:
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- Race Car Aerodynamics: Designing for Speed . No entra en profundidad a nivel de cálculo pero explica  claramente todo lo que tienes que saber sobre aerodinámica en un coche. Es esencial para cualquier ingeniero que quiera dedicarse a esta rama, aunque esté en inglés. 

- Competition Car Aerodynamics: Es el otro libro clave en aerodinámica, para entender el Cfd y los distintos acoples y soluciones aerodinámicas de un coche de competición. ​