Curso Online de Diseño de Automóviles Gratuito

Curso online de diseño de automóviles gratuito

​Automotive Design & Marketing Management

Fuente: KS Engineering

In English

Hemos estado viendo a través de varias entregas de este curso de automoción el desarrollo del vehículo en la denominada fase física, viendo los innumerables ensayos que se realizan en un vehículo antes de su producción. Ahora ya estamos en la recta final, tenemos el coche, pero es necesario que este muestre un comportamiento correcto en la carretera y que pase una última prueba. Tras esto, se hará un trial de producción y se dará el pistoletazo de salida para la producción (SOP: Start of Production).

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ENSAYO DE DINÁMICA VEHICULAR

Ensayo de dinámica vehicular

​Antes de entrar en los ensayos, vamos a ver de forma breve algunos conceptos básicos de dinámica vehicular. 

Nociones básicas de dinámica vehicular

En la conducción del coche es importante la estabilidad del mismo, el confort y la trayectoria  en la curva. Esto último es realmente importante, ya que el coche tiene que responder perfectamente a las instrucciones del conductor. Entre otros parámetros, son muy importantes: el diseño de la suspensión, la distribución de peso, los neumáticos del coche, el viento lateral y la rigidez del chasis. Veremos algunos conceptos más adelante; evitando en todo momento el empleo de fórmulas, como siempre. 

Un coche con un mal diseño vehicular puede hacer que este cabecee o se balancee, y, además, puede presentar un viraje incorrecto. Cuando un coche cabecea, el frontal y la trasera son las partes que se inclinan; mientras que en el balanceo son los laterales del coche los que continuamente se inclinan de un lado a otro. El viraje está ligado a la capacidad que va a tener nuestro coche para seguir la trayectoria adecuada: En el subviraje el coche va a girar mucho menos de lo deseado por lo que este se irá hacia el exterior de la curva, mientras que en el sobreviraje el coche girará mucho más de lo que el conductor desea y el coche irá hacia el interior de la curva en vez de seguir la trayectoria de la misma. Para que esto no ocurra hay que realizar una cantidad importante de cálculos, pero además, hay que probar el coche en la pista para salir momentáneamente de la teórica y asegurarnos de que el coche va por la trayectoria indicada. 
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Fuente: Subaru

DISEÑO DEL CHASIS DEL AUTOMÓVIL

Diseño del chasis del automóvil

Vamos a ver los principales criterios de diseño de un chasis desde el punto de vista de la dinámica vehicular, ya vimos en entregas anteriores de este curso de automoción algunos criterios de ergonomía y de seguridad. Vamos a considerar los chasis autoportantes al ser los más comunes en los vehículos, aunque también existen de otros tipos. 

Pero antes, haremos una especial mención a los chasis tubulares. Estos son muy empleados en algunos deportivos, small-volume car brands, exoskeletons (tipo Ariel Atom), Formula SAE, ect. Este tipo de chasis son relativamente fáciles de calcular y de fabricar. No requieren de la contratación de proveedores de chapa metálica para el chasis ni de robots industriales para su ensamblaje. Por lo que solamente necesitaremos tener una nave industrial o un taller para el montaje de nuestros coches, en vez de gigantescas factorías con líneas de montaje altamente automatizadas. 

Solamente se necesita una mesa de soldadura y un equipo de soldadores profesionales, al ser un proceso mucho más manual es idóneo para coches de baja producción. Si tienes en mente crear tu propia marca de coches, esta es una opción muy lógica. El coste unitario es mucho mayor, pero la inversión inicial es mucho menor. Otra ventaja que nos interesa mucho, como diseñadores automotrices, es que con SolidWorks podemos realizar todo el diseño del chasis tubular sin problemas, simulando todo el chasis desde el comportamiento del mismo mediante análisis por elementos finitos (Fem) hasta las soldaduras. En cambio, para un vehículo con un chasis autoportante es más óptimo emplear un programa más potente como Catia, así como un equipo de ingenieros mucho más numeroso. Por lo tanto, vosotros mismos podéis diseñar un vehículo con chasis tubular de una forma relativamente sencilla. Otra opción es emplear chasis monocasco o incluso híbridos, que sería una mezcla entre tubular y monocasco. Aunque suelen ser mucho más costosos, por lo que suelen quedar reservados para vehículos de competición o deportivos de altas prestaciones. 
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Rigidez torsional:
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Un factor importante en el diseño del chasis de un coche es la rigidez torsional. Nos interesa la mayor rigidez torsional posible para que el chasis del coche no se deforme y mantenga siempre el contacto con la carretera en las cuatro ruedas, lo que lógicamente se traduce en una mayor estabilidad y en una mayor calidad de la conducción. En vehículos con una alta rigidez torsional como el Rolls Royce Phantom o el VW Phaeton, el chasis prácticamente no se torsiona, siendo las suspensiones las principales encargadas de absorber las irregularidades de la carretera. De este modo, las suspensiones trabajan mucho mejor que en chasis de menor rigidez torsional.

Como diseñadores, para aumentar la rigidez torsional de un chasis podemos emplear aceros más rígidos (high-modulus steels (HMS)), incrementar el número de soldaduras y adhesivos de alta resistencia, emplear travesaños o incluso crucetas, conectar los puntos de un lateral del chasis al otro lateral para distribuir los esfuerzos y que sea lo más rígido posible. Pero todo esto hay que hacerlo de manera inteligente para no consumir más recursos de los necesarios; principalmente por el peso añadido que todo esto supone (y mayor consumo por ende), pero también se incrementan los costes económicos, ya sea por material como por los procesos añadidos en la cadena de montaje.

Esto se calcula de dos maneras, inicialmente con CAD (CAE para ser concretos), y después de manera física a través de los distintos ensayos de torsión que veremos más adelante. El cálculo en un chasis autoportante es algo más difícil por la complejidad del propio chasis y la cantidad de elementos, soluciones estructurales y conexiones que tiene, pero, cuando se trata de un chasis tubular podemos diseñarlo en nuestra propia casa al igual que un equipo de diseño de una gran marca. 

Es decir, ahora mismo somos capaces de diseñar cualquier coche con un chasis tubular desde nuestra casa, con una serie de nociones básicas y sin un desembolso económico, esto nos da un alcance que nunca antes se había tenido en la historia. Si deseamos hacer una prueba con nuestro programa de Cad, para un estudio básico de rigidez torsional, debemos dejar fija la parte trasera del coche y ejercer los esfuerzos en cada uno de los puntos de apoyo del chasis del vehículo, en horizontal y hacia arriba. Iremos alternando esos esfuerzos para ir viendo el comportamiento del vehículo. A pesar de que el análisis de elementos finitos es un área compleja, este cálculo en concreto es muy sencillo de efectuar y podéis hacerlo incluso sin conocimientos específicos de FEM, sin entrar en temas complejos como las vibraciones, y siempre, de una manera estática y con ciertas limitaciones. Recuerden que en Grabcad pueden descargar fácilmente un chasis para simularlo.  

Ejercicio hecho rápidamente en drivingyourdream.

Distribución del peso:

Como vimos, también entran otros factores, como el diseño de la suspensión o la distribución del peso. El diseño de la suspensión es increíblemente complejo, y su ajuste y diseño es crítico en la dinámica vehicular. Un correcto ajuste de la suspensión permite cambiar por completo el comportamiento del coche, pero es tal su complejidad que sería muy complicado introducirlo en una única entrega, por lo que nos limitaremos a explicar la distribución del peso.  

Distribución del peso: Se tiende a considerar que la distribución idónea es la del 50/50. Aunque también se emplean otras distribuciones, llevando desde el 55% hasta el 65% del peso del vehículo repartido en el eje trasero. ​

Hay que tener cuidado, un coche con una distribución teóricamente idónea del 50/50 puede tener una distribución de peso fatídica, ya que en realidad este concepto es mucho más complejo. Por ejemplo, aún cumpliendo el 50/50 sería una mala distribución si tuviera excesivo peso repartido en los voladizos del coche, un centro de gravedad demasiado elevado, el peso demasiado concentrado en ciertas áreas, o peor aún, una distribución nada simétrica. 

El momento polar de inercia también es un concepto importante a la hora de diseñar un coche, cuanto más cerca estén las masas del coche del centro de gravedad, mucho mejor. Es por ello que muchos coches de competición tienen motor central, al estar mucho más próximo al centro de gravedad el coche es mucho más dinámico y con una respuesta mucho más temprana y brusca. Por lo que una distribución del 50/50 es un buen comienzo, pero no nos asegura que el coche tenga una distribución de peso perfecta. Conociendo esto, podemos comenzar a diseñar un chasis, partiendo de un bloque, después definimos las dimensiones básicas incluyendo la batalla del coche. Después se ubican los elementos del coche, tratando de que los elementos de mayor peso estén lo más pegados al suelo posible (y bajamos lo máximo el centro de gravedad) y, en vehículos de altas prestaciones, es favorable que estén lo más próximos posible al centro de gravedad. 

Fuente: Superlite Cars

Cuando un coche frena, el peso se transmite hacia delante por lo que las ruedas traseras pueden perder tracción corriendo el riesgo de que la parte trasera del coche se deslice hacia el exterior de la curva. Exactamente lo contrario ocurre al acelerar, en este caso, son los neumáticos delanteros los que pierden tracción por lo que no responderá adecuadamente al girar, ya que la inmensa mayoría de los coches tienen la dirección en el eje delantero únicamente. En coches de tracción delantera también perderían la capacidad de acelerar al salir de la curva, al perder contacto con el asfalto. 

Cuando hablamos de dirección a las cuatro ruedas nos referimos exactamente a eso, coches como el Skyline R34 GT-R o el Mitsubishi 3000GT VR4 giraban las cuatro ruedas, pero ese sistema terminó abandonándose. Por suerte Porsche lo retomó en el 911 GT3 (991) de 2013, pero basándose en actuadores en vez del sistema mecánico. 

​La dinámica vehicular la podemos trabajar para mejorar el confort del coche y también para el comportamiento dinámico del mismo, por decirlo de otro modo, el paso por curva. Eso último es un criterio de diseño importante en vehículos deportivos, pero en vehículos utilitarios sin características deportivas es un requisito menor, primando la comodidad. 

En vehículos de tracción delantera los fabricantes tienden a acercarse al 50/50, pero esto no suele ocurrir con vehículos de prestaciones deportivas y de tracción trasera, dónde además, el paso por curva es un criterio de diseño importante. 

Vamos a tratar de que deduzcáis porqué los fabricantes a veces rechazan el 50/50 y tienden a repartir un poco más de peso en el eje trasero, dejando el delantero más desahogado. Dejaremos unas pistas:

• La distribución 50/50 es considerada la idílica.
• La dinámica vehicular está ligada al comportamiento del coche en una curva.
• Cuando entramos en una curva frenamos, ¿lógico verdad?

Por eso, queremos alejarnos de las fórmulas e ir a la lógica, aunque no podamos explicarlo todo ya que es un campo realmente extenso. ¿Lo habéis deducido? Daremos una pista más, que comentamos anteriormente. 

• El peso va hacia delante al frenar.

Hasta ahora, en estos cuatro puntos anteriores no hemos dicho nada que nadie, con o sin conocimientos de automoción, desconozca. Es evidente que frenamos al entrar en una curva y que el peso va al eje delantero al hacerlo. Pero … ¿Por qué no siempre usamos el 50/50 si hemos dicho que es mejor? 

La distribución de las masas del coche se hace de manera estática, es decir, diseñamos el coche en parado y vamos distribuyendo las masas. Pero, la dinámica vehicular tiene sentido cuando el coche está en movimiento. 

Si tuviéramos un coche con un reparto de masas teóricamente perfecto del 50/50, al frenar para entrar en una curva, parte de la masa iría al eje delantero y perderíamos esa distribución idónea. Como nos interesa entrar de manera adecuada en las curvas, lo que hacemos es poner un poco más de masa en el eje trasero, entonces, al frenar y al desplazarse el peso hacia delante en el momento de la curva, tener una distribución de peso lo más próxima al 50/50 en el momento que más nos interesa.

Por lo tanto, ¿La distribución 50/50 es la óptima?, por supuesto que sí, pero la dinámica vehicular, tal y como su nombre indica, es algo dinámico, por lo que queremos el 50/50 cuando el coche esté en movimiento. Cuando un coche está aparcado, es indiferente la distribución de peso que tenga. En la práctica, desplazar un poco más de masa hacia el eje trasero en un vehículo deportivo con tracción trasera se traduce en un mejor frenado, una mejor aceleración al salir de una curva al ganar una mayor tracción y la capacidad de poder exprimir mucho mejor la curva (Corner entry y corner exit).

​Entonces, ¿qué distribución de peso es la idónea para un coche? Se tiende a pensar que el 50/50, aunque como comentamos anteriormente, cuando el coche frena, el peso del coche va hacia el eje delantero por lo que aquí tenemos la clave. ¿Cuándo nos interesa la dinámica vehicular?, en las curvas mayormente, cuando entramos en una curva … ¿Qué hacemos? Frenar. 

ENSAYO DE DINÁMICA VEHICULAR (II)

Pruebas para evaluar la dinámica vehicular

​En esta fase ya tenemos el coche prácticamente terminado, las suspensiones calibradas y un chasis bien optimizado. Ahora queda lo mejor: probarlo. 

Neumáticos:

Los neumáticos son clave en la dinámica vehicular, a pesar de que estos ya han sido testados por el fabricante de los mismos, hay que comprobar cómo se comporta el modelo con estos neumáticos. Se realizan ensayos tanto en laboratorio como en pista, con todas las configuraciones posibles de los neumáticos con los que el modelo se venderá.
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Se comprueba la adherencia en mojado, la eficiencia del combustible y el ruido. Aquí también entra la famosa prueba del alce (moose test), una maniobra de esquiva para evitar una colisión en el hipotético caso de que algún elemento se interpusiera en la trayectoria del vehículo.​

Source: Teknikens Värld

Circuito de pruebas:

También se hace pasar el vehículo por un circuito de pruebas con distintos elementos donde se realizan multitud de ensayos. El circuito de prueba para el desarrollo de un coche es bien distinto al empleado en competiciones, tiene que recrear situaciones cotidianas como pudiera ser el giro en una rotonda. No se trata de ir rápido, sino de evaluar distintos aspectos del automóvil. Normalmente está rodeado por un óvalo de velocidad en el que poner el coche al límite, o bien, dispone de tramos de velocidad, pero el resto de las pruebas suelen transcurrir a velocidades bajas. También existe un área denominada zona dinámica, que consiste en una circunferencia lisa de grandes dimensiones sin ningún tipo de obstáculo dónde el piloto puede ejecutar cualquier tipo de maniobra a altas velocidades sin correr el riesgo de colisionar. 
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Fuente: Mercedes

Fuente: Ford

Existe una gran variedad de tests, de hecho, al igual que pasaba en los ensayos vistos anteriormente, realmente se puede ensayar cualquier casi cualquiera cosa, por lo que las opciones son prácticamente infinitas. 

Por ejemplo, se realizan tests de frenado, que transcurren por una gran variedad de superficies especiales, algunas veces se añaden coches hinchables para tener ciertas referencias. También hay tramos de pista con distintas rugosidades y características. Por ejemplo, cemento pulido para disminuir notablemente la adherencia del vehículo, pero por si esto no fuera poco, se le añade un sistema de regado para conducir sobre mojado si fuera necesario.

Además de jugar con las distintas rugosidades del terreno, se pueden añadir obstáculos e irregularidades como piedras o pequeños surcos para chequear el confort del modelo y evaluar el ruido del mismo. Pero si hablamos de añadir obstáculos aún podemos seguir, hay zonas con badenes, rampas, zonas de aquaplaning y zonas de piscina de agua para poner a prueba las capacidades off-road del vehículo. 
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Fuente: Siemens PLM

Fuente: Bosh Mobility

Fuente: Tata Motors

Fuente: TestWorld Finland

​Es tal la cantidad de ensayos, que a veces estas zonas también se emplean para impartir cursos de pilotaje, sobre todo, si son circuitos privados externos a una marca de automóviles. Esto último es habitual,  muchas de estas pistas pertenecen a empresas externas que ofrecen sus servicios a las marcas, por lo que cada pista y las pruebas que se pueden realizar son totalmente distintas.

El coche que la marca lleva a realizar este tipo de pruebas es teóricamente igual al que saldrá a producción, pero está totalmente instrumentado para tomar todos los datos. El resultado es similar a lo que vemos en las imágenes.

Fuente: FKA

Fuente: Volvo, Green car congress

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Banco de confort

Otra de las pruebas más llamativas es el banco de confort, el vehículo se eleva sobre cuatro postes, lo vimos en la entrega anterior al hablar del MAST. Esos postes son unos pistones enormes que funcionan de manera independiente. De este modo es posible simular las sacudidas que sufren las suspensiones, así como el resto del chasis, cuando el vehículo va a gran velocidad en un terreno abrupto. Se pueden simular años de uso continuado en unos pocos días. Es una prueba realmente dura para el vehículo, ya que al estar en suspensión, todo el vehículo vibra por completo al recibir las violentas sacudidas de cada uno de los cuatro pistones. 
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También se emplea el dinamómetro de chasis. El vehículo se coloca sobre unos rodillos que simulan las distintas cargas a los que es sometido el vehículo a diario, mediante vibraciones y movimientos de los mismos. El departamento de motores también usan estos dinamómetros para realizar sus ensayos. 
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Fuente: Daimler

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ENSAYOS DE DURABILIDAD

Ensayos de Durabilidad

Este es el último ensayo que se hay que realizar en un coche, con esto tenemos el coche totalmente preparados para salir a la fábrica. Llevamos tantas lecciones, que hasta sentimos que realmente ha habido un proceso de diseño largo y tedioso hasta llegar a ese punto en el que se firmará el SOP. En esta fase, el coche ya está listo para salir a la calle, y, en teoría, totalmente terminado. Ahora queda probarlo y probarlo!

Se pone a prueba al vehículo en condiciones extremas, es la única prueba que se realiza en la vía pública, aunque también se hace en circuito cerrado. En total se hacen más de 1 millón de kilómetros al vehículo entre todos los tests realizados. Por ejemplo, se conduce el coche en países como Finlandia para comprobar la resistencia real del coche a bajas temperaturas, y después, en verano, se lleva a entornos con mucho calor como el Circuito de Jerez, o incluso en zonas de desierto. 

Se comprueban distintos aspectos como el sobrecalentamiento del motor, el arranque del vehículo, la efectividad de los distintos filtros y otros componentes ante las distintas partículas de polvo, o la corrosión de los distintos elementos frente a los diversos ambientes. Es decir, si antes se probó en un laboratorio que simulaba distintas condiciones, ahora se prueban esas condiciones en condiciones reales y se lleva el vehículo a los distintos puntos del planeta donde estén esas condiciones. 

Aquí hay que matizar un aspecto, según la zona dónde se comercialice una versión del vehículo,  tendrá mayor o menor importancia un tipo de prueba frente a otra. Es conocido que un modelo puede variar físicamente de una zona del mundo a otra, en parte, por los gustos de los consumidores en estos países. Pero en otras ocasiones, aunque el vehículo sea visualmente igual, tendrá pequeños cambios poco apreciables dependiendo del país o de la región dónde se venda. Por ejemplo, pueden variar los filtros de partículas, algunos ajustes de la suspensión, e incluso las propiedades térmicas del cristal. No tiene sentido tener unos cristales preparados para temperaturas realmente bajas en países donde nunca nieva. 

Este tipo de ensayos también suponen una gran oportunidad para comprobar la usabilidad del habitáculo, ya que el piloto permanece muchas horas conduciendo.

Una vez el coche ha sido probado durante mucho tiempo en laboratorio, se ha puesto a prueba en el exterior, entonces, ¿estáis listos para iniciar la producción del modelo? Si es así, nos vemos en la siguiente semana la que dedicaremos dos entregas a ver cómo se fabrica nuestro coche. Después, solamente faltarán dos entregas en las que se verá un punto clave del coche, su comercialización, aunque lo veremos desde el punto de vista del ingeniero de diseño automotriz o del diseñador de coches.

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

Os dejamos dos libros recomendados para ampliar información, sobre todo en el campo del diseño de suspensiones ya que, debido su complejidad, no podemos entrar en ese área. 

El primero es excepcional, tanto para el diseño del chasis como de las suspensiones, está orientado a competición pero los principios de la dinámica se mantienen. Está en inglés, es la única pega. 

El segundo está en español, también es bueno, tiene una orientación más general. 

18. Ensayos de confort y materiales

20. Fase de producción (I)