CURSO DE DISEÑO DE COCHES

Curso gratuito de aerodinámica del automóvil

Automotive Design & Marketing Management

In English

En la entrega anterior ya explicamos los conceptos básicos de la aerodinámica. En esta entrega vamos a ver las principales aplicaciones que se llevan a cabo en el coche. En la siguiente entrega veremos los famosos crash tests y su funcionamiento, desvelando algunos secretos. 

SOLUCIONES AERODINÁMICAS PARA EL DISEÑADOR

Soluciones aerodinámicas para el diseñador

​El estudio aerodinámico es un área realmente compleja. El diseñador tendrá que valerse de sus nociones en aerodinámica y de su intuición para hacer bocetos que mantengan una cierta coherencia. Incluso a nivel de ingeniería también es importante tener estas nociones o tips para tener una base de referencia con la que empezar, antes de realizar un estudio formal.

Hay que tener claro que siempre tendrá que estudiarse mediante el uso de CFD para optimizar la aerodinámica del vehículo. Para esto último no se puede emplear la intuición, ya que es un área de estudio compleja. Es decir, bajo ningún concepto estas nociones pueden sustituir un estudio de aerodinámica. Cabe aclarar que, es bien distinto dibujar un coche que aparente ser aerodinámico a que efectivamente lo sea, el ejemplo claro lo vimos con el Lamborghini Countach. Aún así, siempre hay algunos conceptos generales que podemos aplicar para tratar de tener un coche aerodinámico, pero siempre, tendrá que ser estudiado a posteriori si se trata de un diseño real.

Vamos a adentrarnos en la aerodinámica de vehículos convencionales, ya que si nos adentramos en la aerodinámica de un Fórmula Uno, daría, como mínimo, para otra entrega más.

En la actualidad se tiende a crear una aerodinámica “invisible” para el consumidor, creando formas armónicas, soluciones discretas y trabajando muy bien los flujos de aire. Por ejemplo, el Mercedes CLA tiene un increíble Cx de 0,22. 
​

Mercedes CLA Cx = 0,22

¿CÓMO MODIFICAR PRESTACIONES AERODINÁMICAS DEL COCHE?

¿Cómo modificar la aerodinámica de nuestro coche?

Factores que modifican la superficie frontal del vehículo:

​Vimos que uno de los factores que determinaban la resistencia aerodinámica de un vehículo era la superficie frontal.
 
Retrovisores: Unos retrovisores de menor tamaño reducen esa superficie y mejoran notablemente el coeficiente de penetración, y por ello, la resistencia aerodinámica del coche. La superficie frontal de un vehículo oscila entre los 2m^2 y 2,5m^2, cuanto más la reduzcamos mejor. La superficie frontal de un Formula Uno está alrededor de 1,4 m^2. Esta es una de las razones por las que algunos fabricantes están reemplazando los retrovisores por finas cámaras. Además, estos retrovisores tienden a generar pequeñas turbulencias que no son nada beneficiosas.
 
Proporción: Del mismo modo, un coche más estrecho presentará una menor superficie frontal, por lo que mejorará el coeficiente de penetración reduciendo su valor. Pero esto, como ya sabemos, influye también en la dinámica vehicular, que veremos en su correspondiente entrega. Aquí tenemos una clave de diseño de automóviles, y un pequeño secreto: << La relación entre anchura y longitud suele ser de alrededor un tercio para obtener una resistencia mínima. >>
 
Hombros: Unos hombros pronunciados en el coche puede ayudarnos a conseguir una superficie frontal menor, ya que obtendremos un parabrisas más estrecho. Esta es una de las estrategias del lenguaje de diseño de Volvo, sus característicos hombros dan mayor sensación de seguridad, pero a su vez, reducen el consumo. Esto último no te lo contará la marca de manera pública, ya que su reclamo es la seguridad y es dónde el equipo de marketing se centrará. Por supuesto, también se refleja en el consumo del vehículo; pero no te contarán sus trucos para obtener esa cifra. 

Factores que modifican el coeficiente de penetración (Cx) del coche:

​También sabemos que el coeficiente de penetración también es un factor que determina la resistencia aerodinámica del vehículo. 

Trasera: La parte trasera es incluso más importante que el frontal del vehículo. Cuando un vehículo avanza, desplaza un cierto volumen de aire dejando un vacío tras de sí, lo podemos ver en la imagen inferior. Cuando esta velocidad es baja el aire que desplaza tiene tiempo suficiente para rellenar el espacio libre que queda mientras avanza. Por lo que no habría mucho espacio de aire tras el coche a bajas velocidades.
​

Fuente: Altair

Pero esto cambia acorde se va aumentando la velocidad, la masa de aire que necesita desplazar en un mismo periodo de tiempo será mucho mayor al ir más rápido que antes. Si no da tiempo a rellenar ese espacio de aire creará una zona de depresión en forma de turbulencia tras el coche. La baja presión en la parte trasera del vehículo y la generación de turbulencias o vórtices es uno de los efectos más negativos en la aerodinámica de un coche.

Para ayudar a que el flujo se mantenga laminar y pueda rellenarse rápidamente el hueco que deja el coche tras de sí, una de las posibles soluciones es la siguiente: Bajar la luneta trasera lo máximo posible mediante una transición suave, además de estrechar la trasera del coche para facilitar esa transición. 

​Otra opción radicalmente distinta, es emplear un descenso suave del cristal seguido de una trasera prácticamente vertical. Este tipo de carrocería se denominan Kammback. A modo resumen, el planteamiento se basa en vehículos con formas aerodinámicas como el que mostramos a continuación, pero “seccionando” la cola. Esto se hace debido a que no es práctico crear la cola trasera, ya que incrementaría en exceso la longitud del coche, por lo que se sigue la forma, pero se secciona. 

Protuberancias: Cualquier saliente del coche tiende a generar pequeñas turbulencias, como pudieran ser los limpiaparabrisas. Una de las claves es tratar de conseguir una transición lo más suave posible entre los distintos componentes del coche. Por ejemplo, los tiradores de las puertas tradicionales “interrumpen” la armonía del coche, es por ello que cada vez más se incrustan en el vehículo en vez de que sobresalgan. Respecto a los parabrisas, una opción es mantenerlos lo más escondido posible bajo el capó del coche.

Cualquier unión entre distintos elementos también puede generar esas protuberancias, esto se puede ver en los parabrisas, es por ello que actualmente se mantienen enrasados, todo con el fin de conseguir que el aire deslice de la forma más suave posible. De nada sirve una forma aerodinámica si el flujo del aire se encuentra con interrupciones en la unión de los parabrisas o de otros elementos. 

​
Entrada de aire: El frontal del vehículo, es una zona importante de refrigeración, pero también una zona peligrosa desde el punto de vista de la aerodinámica. Los coches eléctricos presentan una gran ventaja en este aspecto, al no necesitar la refrigeración de un motor de combustión interna el frontal va prácticamente tapado. Como consecuencia directa, se mejora notablemente el Cx del vehículo. Esta práctica también se está llevando en vehículos de combustión interna, reduciendo la superficie de la entrada natural de aire. Lo ideal en este caso es emplear elementos de aerodinámica activa, por ejemplo, regulando la apertura o cierre de la entrada de aire electrónicamente. De este modo se mantiene cerrado la entrada de aire y se abre únicamente cuando sea necesario refrigerar los componentes del motor. 

Aunque parezca contraproducente, un coche con el frontal tapado suele tener un mejor Cx que uno con una entrada agresiva. Bien es cierto que en la actualidad se aprovecha el flujo proveniente del frontal para generar downforce (sustentación negativa). De este modo, se saca provecho del frontal al canalizar el aire.

​
Bajos del coche: Al igual que ocurría con el resto de protuberancias que comentamos en el punto anterior, todo lo que implique romper la “armonía” del flujo del aire implicará un peor coeficiente de penetración, pudiendo incluso generar turbulencias. Por lo tanto, se busca un fondo plano. Coches como el Porsche Taycan también llevan esto a las suspensiones, cubriéndolas de tal forma que no creen turbulencias al chocar el aire.
​

Porsche Taycan , Cx = 0,22

Lógicamente existen muchas más soluciones de aerodinámica, hemos mencionado algunas de las más comunes y habituales.

Cuánto más suaves y fluidas sean las formas que tenga que realizar el aire al bordear el coche será mejor. Por lo que las aristas y ángulo pronunciados a lo largo del vehículo tienden a ser algo negativo; salvo en la cola del coche. La ausencia de aristas y la existencia de bordes redondeados ayuda a que el flujo vaya el mayor tiempo posible pegado a la superficie del vehículo.

​Factores que evitan el desprendimiento de la capa límite:

​En la entrega anterior vimos qué es la capa límite, aquí veremos algunas de las soluciones que se aplican para evitar el desprendimiento de la capa límite. Como siempre, su aplicación aislada no conlleva necesariamente a una solución o una mejora aerodinámica, debe de ser estudiada y analizada. Además, daremos explicaciones sencillas, sin embargo para entender las explicaciones matemáticas o al detalle es necesario un conocimiento más profundo y estudiar esta área a conciencia. Debido a que este curso está orientado a personas con intereses en diversos campos, no podemos adentrarnos en todos con tanta profundidad como nos gustaría hacerlo. Así que daremos soluciones que suelen funcionar, aunque después sea necesario un estudio sobre el mismo. 

Alerones de dos planos: Por norma general, los elementos aerodinámicos que se incorporan en un vehículo deben trabajar en mantener lo máximo posible el régimen laminar del vehículo. En Formula Uno por ejemplo, debido a la extensión del alerón se trabaja en dos piezas por lo que se disminuye la curvatura total del mismo, de este modo se evita que el alerón entre en pérdida, es decir, se desprenda la capa límite. Si esto ocurre, no habría ningún flujo de aire ejerciendo presión sobre el alerón, por lo que no haría el efecto de sustentación negativa que buscamos. Esto también se puede aplicar en otros vehículos que apliquen alerones con un mayor recorrido.
​

​
​Generadores de vórtices: Casi siempre va a interesar un flujo laminar en los elementos aerodinámicos, pero como siempre, existen excepciones. En situaciones muy concretas puede llegar a interesarnos generar un flujo turbulento, cuando precisamente es lo que intentamos evitar por norma general. Es decir, a veces intentaremos hacer justo lo contrario a lo que llevamos todo el tiempo intentando evitar. Esto es debido a que el flujo turbulento aumenta la resistencia al avance (el Cx lo aumenta), pero, también incrementa la sustentación del vehículo (Cz negativo). 

Pero además de esto, es más factible que ocurra un desprendimiento de la capa límite cuando estamos en régimen laminar que cuando estamos en el régimen turbulento. Entonces, como ya hemos visto, es esencial evitar esa separación de la capa. 

Una solución habitual es modificar la geometría del vehículo haciendo que el cristal trasero baje con mayor suavidad, pero, sino se desea modificar esa la geometría del vehículo, se puede optar por los generadores de vórtices. Esto hace que, en zonas concretas, entre el régimen turbulento al crear pequeños vórtices que  generan mayor sustentación y evitan el desprendimiento de la capa límite. Algo que normalmente produce en un efecto negativo, con un buen estudio de aerodinámica se puede obtener un beneficio. También se aplica para modificar el comportamiento del aire, consiguiendo reconducir el aire hacia una zona deseada. 

Observemos los generadores de vórtices que lleva el Mitsubishi Lancer EVO 8 en la transición entre el techo y el parabrisas trasero. 

---

ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES AERODINÁMICOS DE UN DTM

Análisis de los componentes aerodinámicos de un DTM

Esperamos que estéis aprendiendo en este curso de diseño de transporte. Ahora, vamos a ver la aplicación de lo anterior en los añadidos aerodinámicos de un DTM. De este modo, podemos extender un poco las soluciones aerodinámicas comentadas anteriormente, con un caso práctico. Los nombres no son importantes, ya que no hay un estándar y suelen variar mucho. El alerón y el difusor lo comentaremos a continuación.
​

Fuente: BMW Motorsport

1 – Splitter / Front Skirt: Si observamos la imagen de arriba, el número uno corresponde al Splitter, que es un borde de ataque que divide el aire, enviando el de alta presión hacia la parte superior o interior del vehículo. También envía una parte del flujo del aire por la parte inferior del vehículo, hacia el difusor. 

2 – Dive Planes: El número dos corresponden a los Dive planes, sidewings, flicks o canards, son las aletas que se colocan en los bordes de los parachoques delanteros para generar mayor downforce y redirigir el flujo de aire. También se emplean para evitar que el aire de alta presión entre en la parte inferior del vehículo. Como cualquier componente aerodinámico requiere de un estudio previo de Cfd para incorporarlo de forma efectiva. Por norma general tienen un ángulo de ataque mayor que el de un alerón. 

3 – Side Vents: Son las rejillas de ventilación que se colocan próximas a los pasos de rueda. Cada vez se aplica más en coches de calle. Permite que el flujo salga de las ruedas, y en ocasiones, se puede volver a canalizar ese flujo. También se puede emplear para permitir la salida de los gases calientes de los componentes del motor.

4 – Side Skirt: El punto 4 es el faldón lateral o side skirt, sirve para evitar que el aire salga por los laterales  controlando el flujo en la parte inferior del coche. Del mismo modo, evita que el aire exterior entre en los bajos del coche desde el lateral. 

5 – Flap Gurney: Normalmente no entramos a explicar estos pequeños detalles aerodinámicos debido al gran repertorio de opciones que existen. Pero este es tan simple e ingenioso a su vez que merece la pena. El punto cinco no está señalando al alerón, sino a un pequeño añadido en el borde del mismo. Consiste en un pequeño añadido rígido que forma unos 90º respecto al borde del alerón, es un reborde del alerón. Este pequeño añadido ayuda a preservar el efecto de succión, aumenta la carga aerodinámica y reduce la posibilidad de que la capa límite se desprenda, lo que conllevaría a que el alerón entrase en pérdida. 

---

¿CÓMO FUNCIONAN LOS ALERONES?

¿Cómo funcionan los alerones?

Un alerón es, en resumen, un ala de un avión invertida. En los aviones, cuando el aire impacta con el perfil del avión se bifurca en dos, una corriente de aire que va por arriba y otra que irá por debajo del ala. En la parte inferior del perfil alar las partículas se ven frenadas y aumenta la presión. Esta diferencia de presiones provoca un efecto de sustentación. Es decir, tiende a elevar el ala del avión.

Os animamos a que busquéis en internet esta pregunta: “¿Cómo funciona el ala de un avión?” “¿Cómo funcionan los alerones?”. En prácticamente todos los sitios encontraréis lo siguiente: 

<< La corriente que avanza por arriba y la que avanza por abajo llegan al final del ala al mismo tiempo. Como el flujo superior recorre un mayor camino que el inferior la velocidad del flujo superior será mayor para que ambos flujos terminen de recorrer el ala a la vez …>>  . 

Si habéis buscado en internet la pregunta, veréis esta explicación en multitud de lugares. Pues bien, esta explicación es falsa.  

La corriente que avanza por arriba y la que avanza por debajo del ala del avión no llegan al final del perfil alar a la vez. Esto invalida una teoría incorrecta muy extendida que da una explicación errónea a la diferencia de velocidades entre ambos flujos de aire. Esta extendida teoría (y errónea a su vez) considera que el aire avanza más rápido en la zona superior debido a que ésta tiene una mayor trayectoria; por lo que, si deben llegar al final del perfil alar al mismo tiempo tendrá que ir más rápido. 
​

Otro error habitual: Si hablamos de velocidad punta, un alerón no hace que un coche corra más, sino que consigue justamente lo contrario. Los alerones aumentan el área frontal del vehículo por lo que aumentan su resistencia aerodinámica. Es decir, aumenta el Cx, lo que los vuelve más lentos y hace que consuman más gasolina. Entonces, ¿Por qué se ponen? Porque mejoran la sustentación negativa del vehículo, con ello se consigue que el coche vaya más pegado al suelo en las curvas. 

EL SUELO DEL COCHE Y LA AERODINÁMICA

El suelo del coche y la aerodinámica

Hemos comentado previamente que la parte baja de cualquier coche nos interesa que sea plana para que al aire no encuentre obstáculos y vaya “tocando” con los distintos componentes del coche. Si el suelo es totalmente plano, el aire pasará sin encontrar obstáculos, y no generará turbulencias. Pero esto se puede mejorar aún más y aprovecharse.

​

Fuente: Siemens

Efecto Suelo: Se consigue empleando la forma de ala invertida en el fondo del vehículo, a causa de una zona de baja presión entre la parte inferior del coche y el suelo. Con la consecuente diferencia de presiones se crea el efecto de succión (más adelante veremos el por qué). De este modo se genera una sustentación negativa mucho mayor sin que se vea afectada la resistencia aerodinámica (al avance). Está prohibido o fuertemente regulado en la mayoría de competiciones.

Con el siguiente vídeo entenderemos porque su prohibición.

​En el diseño del Mercedes CLR se trató de crear un coche lo más largo posible pero con una batalla corta. Con esto se conseguían unos voladizos de mayor tamaño para aprovechar el efecto suelo y tener un difusor lo más grande posible. 

Por lo tanto, toda la sustentación negativa (downforce) se generaba prácticamente con los bajos del coche, y no tanto con los alerones, de este modo apenas se veía afectada la resistencia aerodinámica del vehículo. Además, la mayoría de los coches en competición tienen una cierta inclinación hacia delante para que la misma carrocería pueda generar algo de sustentación negativa, pero en el Mercedes CLR se desestimó esta opción para disminuir al máximo la resistencia aerodinámica. En el vídeo podemos ver qué ocurre al pasar en un cambio de rasante y que el aire entre por debajo del coche, lo cual nos deja bien claro los peligros de excederse con el efecto suelo.

​Aquí tenemos una situación similar con el Porsche 911GT1:
​

Canal Venturi: El efecto Venturi se basa en el Principio de Bernoulli. El efecto Venturi dice que si una corriente de un fluido circula por un conducto cerrado y su sección se reduce, la velocidad de este fluido aumentará y entonces disminuirá la presión en ese punto. 

Lo importante de esta parte es, sin entrar en una explicación académica: Al aumentar la velocidad del fluido entonces disminuye la presión. 

Vayamos por partes: Es lógico que si una sección se reduce, entonces el fluido va más rápido. Esto lo podemos ver con una manguera. Si aprieto en el borde de la manguera el agua saldrá mucho más rápido de lo habitual. 

Entonces, aplicando ahora el efecto Venturi, dentro de un conducto cerrado, obtendríamos lo siguiente:
​

• Superficie/Sección mayor: Menor es la velocidad del fluido y la presión aumenta
• Superficie/Sección menor: Mayor es la velocidad del fluido y la presión disminuye

Simplifiquemos esto entonces: Dónde hay una mayor velocidad de aire se produce una depresión, si la diferencia es considerable, esto conlleva un efecto de succión. 

En resumen y aplicándolo al canal venturi: 
​

• Al incrementar notablemente la velocidad del aire crearemos una depresión y por lo tanto podremos generar una succión. Por lo tanto, si tengo dos fluidos cercanos, el que tenga mayor velocidad o menor presión atraerá al otro por succión. Siempre y cuando la diferencia sea notable. 

​

La definición no es académica, pero nos vale para entender el funcionamiento del canal de Venturi. 

Entonces, si tengo dos flujos de aire, uno que va por debajo y otro que va por arriba del vehículo, me interesará que el de abajo tenga menor presión que el de arriba, así se crea el efecto de succión en el vehículo, el coche se quedaría “aplastado” en el suelo.  La mayor parte del rendimiento del efecto suelo proviene realmente de aprovechar la viscosidad, pero esto ya entra en materia de aerodinámica avanzada. 
​
Por lo tanto ¿Cómo disminuimos la presión la presión del aire que circular por abajo? Muy fácil, aumentando la velocidad. 

Vamos al siguiente paso entonces: ¿Cómo conseguimos aumentar la velocidad del aire debajo del vehículo para crear succión? Esta parte es aún más fácil: Canalizando el aire y disminuyendo la sección, al igual que hacemos con una manguera y el chorro de agua. Esto es, en esencia, el funcionamiento del canal venturi.

Por lo tanto, buscaremos aumentar la velocidad del aire para crear esa depresión y el buscado efecto de succión. Hay una explicación técnica y limitaciones, pero esto se puede profundizar con un libro de aerodinámica específico. 

Debido a que la depresión resultante crea un efecto de succión se aprovecha en los bajos del coche para aumentar la adherencia del vehículo. 

Se canaliza el aire por la parte inferior del vehículo gracias a algunos de los añadidos aerodinámicos que hemos visto anteriormente, como el splitter. Ese flujo de aire se canalizará en la parte inferior del coche y saldrá expulsada por el difusor.
​

​Difusor: Por normal general están ubicados en la parte trasera del vehículo, aunque también existen difusores frontales. Aumenta considerablemente la velocidad del flujo que va por debajo del coche creando un mayor efecto de succión al crear una depresión en la parte inferior del vehículo. 

Fuente: 1016 Industries

Con esto concluimos la última parte sobre aerodinámica de este curso de diseño de transporte. Es una parte un poco más densa que otras entregas ya que la aerodinámica es compleja. Al igual que ocurrirá en las siguientes entregas, siempre habrá materia que no podamos ver por limitaciones lógicas de tiempo y número de entregas.

​
Os recomendamos algunos libros sobre aerodinámica, en ellos se podrá profundizar en muchos más conceptos, como en la compleja aerodinámica de un Formula Uno. En esta entrega nos hemos limitado a unas nociones de aerodinámica orientada siempre a vehículos de calle, ya sean utilitarios o deportivos. Aunque sea inevitable poner de ejemplo un Formula Uno, estos monoplazas tienen multitud de elementos aerodinámicos que no podemos ver en una sola entrega, como el mass dumper, f-duct, barge boards, la aleta de tiburón, los pontones o sidepods … Cabe aclarar que estas soluciones tan ingeniosas se deben a adaptaciones a los reglamentos de la FIA. Cuando cambia el reglamento queda en desuso, y muchas veces no llega a ser probado por los fabricantes para su posible aplicación en vehículos utilitarios. 

​La ​historia de la Formula Uno ha ido dejando cientos de soluciones aerodinámicas que después han caído en el olvido tras el cambio de reglamento. Sería un ejercicio interesante aplicar parte de esas soluciones aerodinámicas a vehículos deportivos de calle. 

Si os habéis perdido alguna entrega, aquí podéis ver el índice completo

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. ​
​

​​
​Si vuestro interés es la aerodinámica, con estas dos entregas tendréis una buena base para continuar con los libros. Estos, además de la aerodinámica en la Formula Uno, explican más a fondo la capa límite, el efecto Coanda, el aprovechamiento del flujo turbulento y el flujo interior del vehículo, ya que tan sólo hemos tratado el flujo exterior. 

- Race Car Aerodynamics: Designing for Speed (En español no hay ninguno similar). 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. 
​​

14. Ensayos de aerodinámica (I)

16. Crash tests