CURSO DE DISEÑO AUTOMOTRIZ

Curso de diseño automotriz gratuito

Fuente: Mercedes Benz

En la última entrega vimos los ensayos de crash tests, pero el desarrollo del vehículo aún continua y es necesario hacer multitud de pruebas para lograr tener un coche competitivo y fiable en el mercado. En esta entrega del curso de automoción veremos los ensayos de motores, electrónica y safety. Normalmente los equipos de ingeniería y desarrollo trabajan por separado, por una parte trabaja el equipo destinado a powertrain y por otra parte el equipo destinado al desarrollo del resto del vehículo, al que denominan vehículo completo (a pesar de no incluir el conjunto motor). 
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ENSAYO DE MOTORES

Ensayo de motores

En este área se realizan multitud de ensayos con fines muy distintos. Se pueden diseñar motores desde cero, pero normalmente esto es muy costoso por lo que es muy habitual que un mismo motor vaya evolucionando y mejorando al cabo de los años. Constantemente se investigan nuevos materiales y nuevas soluciones técnicas.

También, existe otra labor importante en esta área, la de adaptar los motores a los distintos vehículos del grupo. Para ello, se optimiza la unidad de control, el sistema de refrigeración, el sistema de escape y admisión de cada modelo.

Por último, cada día está más vigente la regulación de las emisiones, por lo que los fabricantes hacen verdaderos esfuerzos para desarrollar motores cada vez menos contaminantes. Además, todos estos motores son configurados para cada modelo para aumentar la duración del mismo, y para proporcionar una conducción acorde con el estilo del coche. 

Fuente: Mahle

Cada motor se ensaya en una habitación por separado, completamente aislada. El banco sobre el que se ensaya el motor se asienta sobre unas placas de hierro fundido con una suspensión neumática que puede llegar a pesar 40 toneladas. Todo ello se realiza para conseguir que no se transmita ningún tipo de vibración del motor a las salas de alrededor, dónde se estarán ensayando otros motores al mismo tiempo. El sistema de aislamiento en estas habitaciones es extremo para que ningún condicionante externo interfiera en los resultados.


Las salas dónde se ensayan están bien, pero lo espectacular no es eso, sino el hecho de estar rodeado de toda la última tecnología que aún no ha visto la luz, sentir cómo en una sala tienen el motor a toda máquina, mucho más de lo que jamás estará en la calle. Tenerlo a tal potencia que, aunque esté completamente fijado, puede vibrar de tal manera que parece que se va a escapar del lugar. En estas salas es dónde ocurre la magia, dónde el corazón de los coches que están en la calle se desarrolla. Dónde un único cambio impactará en el rendimiento de todos los coches, o incluso, en una nueva saga de modelos. Por lo que explicaremos algunos de los ensayos, pero créanme cuando digo que la parte fascinante de esto no se encuentra en los datos, ni en la cantidad de ensayos posibles que se pueden hacer a un motor, sino en el propio desarrollo del motor. 
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En este departamento también entran en juego los softwares para CFD (mecánica de fluidos computacional) para hacer simulaciones del flujo de calor previo a los ensayos, y así poder redimensionar los distintos componentes, como el colector de escape y de admisión. Algunos de los programas habituales son Ansys Fluent, OpenFoam y Simscale. Aunque existen otras opciones, por ejemplo SolidWorks tiene su módulo de Cfd propio, denominado Flow Simulation. Gracias a estos programas podemos realizar ciertas simulaciones, por ejemplo:

• Evaluar la refrigeración de los componentes y la transferencia de calor.
• Consumo de combustible, modelización y optimización de la combustión interna.
•  Simulación de  los sistemas de llenado y lubricación.
• Cálculo de emisiones (distribución de contaminantes, efluentes, ect).
• Climatización del habitáculo.

La gran ventaja de esto es que podemos realizar estas simulaciones desde nuestra casa con cualquier programa de Cfd, y aprendiendo mucho. Quizás no tengamos la oportunidad ahora mismo de entrar en los laboratorios dónde se ensayan los motores, pero sí podemos realizar infinidad de cálculos al igual que se hacen en cualquier centro de diseño y desarrollo de automoción.

Fuente: Roush Industries

​Simular por ordenador es económico, es por ello que los fabricantes tratan de hacer todas las pruebas posibles a ordenador, pero antes o después, el conjunto motor tendrá que ir físicamente al laboratorio para ser puesto a prueba en el banco de motores. De este modo se determinan parámetros como los límites de rendimiento del motor, es decir, su carga máxima. También se miden las emisiones, el flujo de aire aspirado, el consumo de carburante y lubricantes, los sistemas de refrigeración, aceleración en vacío, la presión, los gases de escape, el comportamiento frente a distintas temperaturas, la relación aire-combustible para la mezcla de admisión, entre otras muchas variables.  

De hecho, hay ensayos de motores específicos para cualquier variable que podamos imaginar,  y el ensayo puede ser tan exhaustivo como el fabricante desee. Incluso es posible introducir el motor bajo condiciones de humedad, presión y temperatura totalmente variables. Las posibilidades de ensayos son casi infinitas, a mayor presupuesto, tiempo e interés del fabricante por desarrollar un motor excepcional, más ensayos se podrán realizar. 

Con el banco de motores o con el dinamómetro de motores también se mide la resistencia en el frenado o a la rotación, la vibración del motor, el par para las distintas combinaciones de cajas de cambio y transmisiones, así como los niveles de entrada de potencia. Es decir, se puede parametrizar al completo el comportamiento del motor, y adecuar la maquinaria del laboratorio para cada necesidad específica. ​

Fuente: Skoda

Fuente: Mahle

Fuente: Skoda

Fuente: Skoda

El problema no viene con las posibilidades de ensayos, existen multitud de fabricantes y proveedores para cualquier tipo de ensayos de motores que podamos imaginar, y si no existe, se adapta o se fabrica. El problema viene con las capacidades reales de desarrollo, es decir, el dinero y tiempo disponibles. Es por eso que el diseño de un motor es tan caro que muchas marcas comparten motor para ahorrar costes de desarrollo y testing. Incluso cuando esto ocurre, estos motores son sometidos a ensayos específicos para ajustarlo y calibrarlo. Hay que tener en cuenta que esta calibración no impacta en una sola unidad, sino que lo hará en miles de vehículos que saldrán por la línea de producción. De todos modos cabe indicar, que un motor es un sistema realmente complejo con miles de componentes, cuando un fabricante comparte motor con otro, aunque en la línea de producción parezca el mismo, pueden tener diferencias inapreciables en los materiales y en los acabados. Esto ocurre incluso cuando el motor parte de la misma línea ya que, debido a la trazabilidad de las piezas, se conoce perfectamente qué modelo irá en cada vehículo desde el primer momento. 
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Cooling Systems: Existe un departamento encargado únicamente a este tipo de ensayos, que irá de la mano del desarrollo del resto del motor. Aquí se ponen a prueba los sistemas de refrigeración del vehículo poniéndolos al límite para comprobar sus limitaciones reales. Además de realizarse pruebas de durabilidad del sistema, presión pulsante, corrosión y erosión de los componentes, ciclos de temperatura climáticas… etc.

Al igual que ocurre con los motores, la dificultad está en elegir qué variables se deciden estudiar y qué recursos aplicar a cada uno. En condiciones ideales se estudiaría cada una de las variables en todos los escenarios posibles para cada uno de los componentes, y después, para los conjuntos de piezas posibles. Ya que esto es tremendamente costoso, hay que saber encontrar un equilibrio entre costes de diseño y desarrollo y calidad final del vehículo. Si se hacen demasiados ensayos repercutirá en el coste final del vehículo, además, el cliente no percibe ese coste ya que no es consciente de la cantidad de ensayos que se han realizado. Pero el problema es aún mayor si no se ha ensayado lo suficiente y surge cualquier problema una vez el coche está en el mercado. Como ocurre en todo, siempre se requiere el mejor resultado al mínimo coste. El ingeniero deseará realizar tantos ensayos como sea posible, pero en control de costes y en dirección tratarán de recortar al máximo los gastos derivados.

 De nuevo, vemos la importancia de poder realizar simulaciones por ordenador, dando un soplo de aire a los ingenieros ya que les permite acercarse lo máximo posible a la solución final y ensayar sin generar excesivos costes. 
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Fuente: Skoda

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ENSAYOS DE ELECTRÓNICA

Ensayos de electrónica

​Se realizan multitud de Ensayos EMC, HMI y pruebas del cableado (Wiring harness). El wiring harness es toda la masa de cableado que lleva un coche.

Un vehículo de combustión interna lleva entre 40 y 60 kilos de cableado, lo que implica entre 2 y 4 kilómetros de cable. En la década de 1940 un coche apenas tenía unos 45 metros de cable, esto nos da una idea de la importancia que está adquiriendo la electrónica en los vehículos. Con el protagonismo que está tomando la conectividad y el info-entretenimiento el cableado irá aumentando cada vez más. En un vehículo de combustión interna el cableado supone un 5% del peso del vehículo, pero esta cifra se incrementa en híbridos (10%), y en vehículos eléctricos llega a suponer el 20% del coche. 

Fuente: Seat

​Los ensayos de EMC son los ensayos de compatibilidad electromagnética, que aseguran la correcta coexistencia entre productos eléctricos y electrónicos evitando interferencias entre los mismos.
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Los ensayos HMI (Interfaz humano-máquina) se encargan de probar todo aquello con lo que el usuario interactúa, como los paneles de control, el velocímetro o el mando de luces. Entran en lugar factores de seguridad vial y de ergonomía.

Hay multitud de tests en esta área: aire acondicionado del vehículo, emisiones tanto de radiofrecuencia como de campos magnéticos, fluctuación de voltajes, emisiones de armónicos, descargas electroestáticas (ESD), pruebas de inmunidad a distintos efectos como campos magnéticos o sobretensiones, pruebas de resistencia dieléctrica, de aislamiento y un largo etcétera.

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ENSAYOS DE SAFETY

Ensayos de safety

Además de los crash tests que vimos en la entrega anterior, hay otros ensayos de seguridad corporal dentro del vehículo. Se estudia la ergonomía, la usabilidad y la comodidad del habitáculo. En el diseño de coches, los asientos son un componente importante del denominado factor de bienestar (feel-good factor). Este factor se implantó por los fabricantes para determinar una serie de factores subjetivos pero fundamentales a la hora de vender un coche. Hay que tener en cuenta que la primera interacción que tiene un posible comprador con el coche es montarse en el asiento del conductor y llevar las manos al volante, si en ese instante, el posible cliente se siente incómodo, no comprará el coche y el trabajo de cinco años de desarrollo no habrá servido para nada. 

​Es importante que el vehículo no produzca lesiones de manera pasiva por que el conductor se vea forzado a mantener una posición incómoda para realizar distintas funciones. Por ejemplo, si fuera complicado acceder al habitáculo, tal y como ocurre en vehículos de competición, podría causar dolencias y molestias por un uso diario. Este es un ejemplo muy lógico, pero los especialistas en ergonomía se fijan en cualquier detalle del habitáculo para reducir el riesgo de cualquier tipo de lesión. 

​Por ejemplo, se hacen pruebas de resistencia de los asientos simulando hasta 20.000 usos de manera continuada. Este ensayo se realiza mediante robots humanoides con pesos distribuidos para asemejarse al de una persona; o bien, con pistones que tienen en su extremo unas bolsas cubiertas con tela vaquera para aplicar tensión en puntos concretos del asiento de forma cíclica. 

Fuente: Tachi-S

Fuente: RCOEng

También se realizan pruebas de los asientos bajo condiciones climáticas adversas, introduciéndolos en cámaras climáticas y sometiéndolos a distintos ensayos de fatiga. Otra prueba realmente importante es el ensayo de resistencia de los anclajes IsoFix o Latch, que es el anclaje al que se fijan las sillas infantiles. Esto es esencial ya que en caso de impacto ese anclaje debe ser totalmente seguro y no desprenderse del vehículo. 
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Cada vez se da una mayor importancia a la comodidad y al empleo del tiempo dentro del habitáculo debido a los avances en la conducción autónoma. Es por ello que los ingenieros cada vez se preocupan más por las funciones que se realizan en el interior del vehículo. Por ejemplo, Toyota detectó que muchos conductores empleaban el posavasos del vehículo para alojar el teléfono móvil, es por ello que rediseñaron el interior de muchos vehículos para ofrecer ambas funciones. A su vez, es importante que estas funciones no distraigan al conductor. Una vez los vehículos sean totalmente autónomos, esta prioridad cambiará por completo y el conductor podrá aprovechar al máximo el tiempo de estancia en el interior del vehículo sin prestar atención a la carretera. Mientras tanto, el conductor tendrá que mantener los ojos en la carretera aunque el resto de los ocupantes estén haciendo uso del info-entretenimiento del vehículo. 

Como tendencia de diseño del automóvil, podemos ver un auge de la importancia de la ergonomía, no únicamente con fines de seguridad sino también de usabilidad. Esto también viene de la mano con el info-entretenimiento del vehículo, pero no siempre. Por ejemplo, varios estudios detectaron lo siguiente: cuando un conductor podía almacenar sus objetos, como las gafas o el móvil, dentro del campo de visión del conductor, la intención de compra del coche aumentó considerablemente. Al ser un factor emocional, evolucionará de un modo totalmente distinto a la ergonomía, ya que dependerá de los gustos y criterios de los clientes. ​

La ergonomía en el diseño del vehículo está presente desde el comienzo, cuando se desarrollan los primeros bocetos, como ya vimos, todo el diseño es interdepartamental. Aunque un departamento sea el encargado de una fase concreta, para avanzar de fase, todos los departamentos tienen que dar el visto bueno. Si esto no fuera así, imaginemos que llegados a este punto, descubriéramos que la cabeza del conductor choca contra el techo y hubiera que volver al comienzo del proceso. En los primeros bocetos del coche se presenta siempre el “package” del coche. Esto no es la caja ni el embalaje, en diseño automotriz el package significa la disposición de los distintos elementos,  como el conjunto motor y los asientos
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Alfa Romeo Package

Desde ese momento inicial se analizan las distancias entre asientos, espacio con el techo, postura de conducción, espacio de las piernas, alcance y limitaciones del conductor, la visión del conductor en todos los ángulos, etc. Una vez se avanza y se presenta la maqueta del diseño interior en clay, comienza a tomar importancia la disposición de los controles de mando y todo lo que está al alcance del conductor. Esto se puede calcular a ordenador e incluso en bocetos, también hay estudios realmente complejos desarrollados por profesionales, pero al final la percepción humana siempre será crucial. De ahí, la importancia de tener una maqueta física, no es lo mismo realizar un diseño tridimensional en el que una persona vea la accesibilidad que tiene al posavasos, que montarse en el coche y directamente comprobarlo de forma física.
 

Fuente: Ford

Se recomienda un espacio mínimo de 5cm alrededor de la cabeza del piloto (Headroom).  Para la distancia de separación entre asientos delanteros se recomienda añadir un 10% a la anchura bideltoidea que consideremos para cada uno de los dos lados, normalmente se toma el percentil 95. Es decir, entre los dos asientos delanteros debe de haber un 20% de la anchura de la persona. La anchura bideltoidea es la distancia máxima que separa los músculos deltoides.

Una vez establecidos los asientos del vehículo y las dimensiones básicas se comienzan a distribuir los distintos elementos a su alrededor. En ergonomía, las personas tenemos un área denominada “área laboral” o “work-space envelope.” Esta área está limitada por el área circunscrita en el brazo funcional de la persona, o dicho de otro modo, a toda aquella dónde podamos llegar con el brazo sin mover el resto del cuerpo. De manera básica, podemos considerar que los elementos principales de control tendrán que estar en esa área, como las luces o los intermitentes. Después se irán añadiendo elementos menos esenciales. Esta necesidad se cubre realmente bien con los volantes multi-función, desde los cuáles se pueden controlar la música, climatización, navegación, ect.
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En la realidad, los expertos en ergonomía consideran muchos más factores, incluyendo limitaciones debidas al empleo del cinturón de seguridad. Pero nos ayuda, sin ser expertos, a definir de manera básica el interior del vehículo y su instrumentación. 

Basic layout with SAE 2D template (Stahlecker & Kress 2003)

SAE accommodation design tools (Roe, 1993).

​Respecto al campo de visión, se considera que una persona tiene un campo de visión binocular de 120 grados. Es decir, si miramos al frente, veremos con relativa claridad aquello que esté a 60º a la izquierda y a 60º a la derecha.

Pero, únicamente para objetos que estén a 30º a la derecha o 30º a la izquierda no es necesario mover los ojos, una vez se amplia el campo de visión las personas necesitan mover los ojos, aunque no muevan la cabeza. Esto es importante para no perder de vista la carretera. 
 
A partir de esa apertura de visión las personas tienden a girar la cabeza levemente para visualizar mejor el objeto. Esto quiere decir que, los objetos más principales estarán más centrados a la línea central del piloto, es decir, más próximos al volante. De 45º a 60º la persona girará la cabeza, por lo que es recomendable dejar esa área para comandos que se empleen de manera eventual, o cuando el vehículo está estacionado. A la hora de inclinar la cabeza, el conductor está cómodo para objetos que estén a 15º tanto por arriba como por debajo de su línea visual. Aunque, si es necesario, podemos visualizar con facilidad objetos que estén a 45º por encima de nuestra línea visual o a 65º por debajo de la misma sin mover la cabeza.

Esto nos da unas cifras claras para diseñar el interior de un vehículo: Situamos la posición del conductor, tomamos un percentil lógico de una persona y la “acomodamos” en el asiento. Después trazamos el campo de visión e identificamos las zonas en las que le resulta más fácil visualizar los objetos sin necesidad de girar la cabeza para colocar las funciones principales del vehículo. En la realidad, entran más factores y se tiene en cuenta que el asiento del coche cambia de posición. Para solventar esto los especialistas en ergonomía emplean una técnica denominada eyellipse para considerar un rango más amplio de opciones a la hora de definir el espacio interior del vehículo

Después de definir los elementos interiores del vehículo, se trabaja en la visibilidad exterior del vehículo tratando de eliminar puntos ciegos y elementos que obstruyan la vista del conductor como pudiera ser el propio salpicadero del coche. Del mismo modo, un capó más abultado o alargado limita la conducción del conductor respecto del asfalto. Los reflejos del cristal y el deslumbramiento también se consideran, ya sea debido al parabrisas como a las superficies brillantes o luces empleadas en el habitáculo. 

Es importante que inicialmente se trabaje en la visibilidad del conductor sin añadir elementos de ayuda, ni tan siquiera los espejos retrovisores. Una vez se consiga disponer de todos los elementos del mejor modo posible para que el conductor tenga la mejor visión posible, entonces se añaden los elementos de ayuda a la visión, como los espejos retrovisores. Esto se denomina “visión indirecta” ya que es necesario de un dispositivo para poder ver, aunque sean tan elementales como los retrovisores.

En la actualidad, esto se ve soportado por el empleo de cámaras que ayudan al piloto a una mayor visibilidad. Además, del head-up display que permite que el usuario vea la información del vehículo sobre el parabrisas, por lo que no tiene la necesidad de apartar la vista de la carretera.

Actualmente la ergonomía se conjuga con estudios antropométricos, biomecánicos y psicológicos para mejorar la experiencia del consumidor en el vehículo.

La antropometría se basa en el estudio de las dimensiones de las personas en relación con el medio, por lo que está directamente relacionada con la seguridad de las personas. Es decir, nos ayuda a dimensionar el habitáculo y a posicionar al conductor.

La biomecánica es el estudio de los aspectos mecánicos de un sistema biológico, por decirlo de otro modo, trata al cuerpo humano como si de una estructura se tratara. Por lo tanto, analiza el efecto que producen los distintos esfuerzos externos sobre el cuerpo humano, por ejemplo, se estudia el esfuerzo muscular necesario para girar el volante en una maniobra de aparcamiento. Esto nos da dos conceptos importantes; la primera es que, tal y como se comentó en la entrega sobre: “¿Cómo ser diseñador de coches?, se puede lograr trabajar en el diseño de vehículos desde cualquier disciplina. Cada persona tiene algo que aportar, lo importante es saber darle valor y conocer con qué puede complementar al equipo actual, para ello, siempre es una gran ventaja conocer el proceso completo del diseño de un vehículo. La segunda idea que obtenemos es que, como ya hemos visto, el diseño de un coche puede ser tan complejo como uno requiera. El diseño de un kit-car no va a ir acompañado de un estudio de biomecánica por cuestiones de costes, ni tan siquiera pasará por ensayos de motores más que probar el resultado final y tomar ciertas mediciones en un banco de pruebas, pero no en un banco motor de desarrollo. Por lo que la cuestión es siempre la misma: Aprender a justificar los diseños, y por ello, los costes asociados. ¿Es necesario un estudio de biomecánica en el vehículo? Para un kit-car posiblemente no, pero para un vehículo del que van a venderse miles de unidades alrededor del mundo, posiblemente sí. Del mismo modo, si ese kit-car estuviera orientado a personas con alguna minusvalía entonces sí sería necesario ya que sería parte del valor diferencial del kit-car. Por eso mismo en drivingyourdream no hemos querido hacer una lista de ensayos posibles, ya que son miles, sino dar una visión global para tener una visión general del diseño de un vehículo.
 
En las siguientes entregas continuaremos viendo los ensayos del vehículo, haciendo especial mención en la parte de materiales y en la dinámica vehicular. 

Aquí podéis ver el índice completo, agradecemos mucho los comentarios y que podáis compartirlos en vuestras redes sociales.