Descripción y presentación del curso Evolución de la tecnología del automóvil a través de su historia
El objetivo que teníamos en mente al desarrollar este curso era poder mostrar a los aficionados a los coches, que quieran saber y conocer las tecnologías ya pasadas que les hagan comprender cómo se ha llegado a las que se utilizan en la actualidad.
El automóvil se encuentra en un cambio tan grande que se puede considerar que estamos ante un antes y un después.
La contaminación es el factor detonante y hay que dar respuesta; el coche no debe contaminar durante la marcha, y tampoco en todo el proceso de diseño, fabricación y al final de su vida útil.
Para lograr estos objetivos el camino es arduo, con sucesivos avances para satisfacerlos progresivamente, y afecta a todos los implicados en el proceso.
Como presentación, Evolución de la tecnología del automóvil a través de la historia, es un proyecto que recuerda como ha sido el automóvil, y presenta las evoluciones o revoluciones que se van a llevar a cabo, pues no solamente la tecnología que afecta al automóvil será otra, también va a variar, ya lo está haciendo, el concepto de movilidad.
Desde nuestro punto de vista y con lo que se sabe actualmente, la tecnología del futuro para la movilidad del automóvil, que podría ser el presente de un automóvil para todo tipo de uso, es la pila de combustible de hidrógeno, con otras tecnologías para utilizaciones más concretas y limitadas. Se verá si es así con el tiempo.
Nota:
- En el blog publicamos artículos en diversas secciones periódicamente, y también incluimos cursos por capítulos o módulos
- En el curso se verán temas técnicos que han permitido con su evolución llegar al automóvil que ahora existe, con motor térmico y los elementos y órganos que necesita para que se pueda desplazar el automóvil
- Bastantes de estos elementos y órganos no son necesarios para generar el movimiento con otras tecnologías
- Tal como lo hemos diseñado y se va a desarrollar, hay que contar con conocimientos sobre el funcionamiento del automóvil, o al menos haber seguido el curso del blog “Introducción a la tecnología del automóvil”, para poder ir siguiendo los contenidos y las explicaciones que tratan simultáneamente aspectos de tecnologías diferentes que se inter-relacionan en algunos procesos de funcionamiento del automóvil
- Vamos a explicar cada tema técnico partiendo de la tecnología inicial, detallando lo que es mejorable para ir añadiendo las sucesivas evoluciones con sus aportaciones y analizarlas
- Para que valores si puedes sacar partido de este curso, en el módulo “0” se resume lo que es útil saber para obtener el mejor rendimiento didáctico
El formato de este curso es similar al de “Introducción a la tecnología del automóvil”, incluyendo en cada capítulo un resumen repaso de lo explicado, y la anticipación de los temas de los siguientes capítulos, con preguntas que son respondidas tras unos segundos de espera que permite valorar lo que se ha aprendido.
Contenido de Evolución de la tecnología del automóvil a través de su historia
En esta presentación los temas de cada capítulo explican las evoluciones técnicas, sus causas y objetivos, relacionándolas con otros temas que afectan directa o indirectamente al funcionamiento del automóvil.
Este programa es en realidad un resumen de los contenidos del curso, y lo hacemos en forma de comentarios sobre los temas de cada capítulo.
Al tratar en cada capítulo un tema principal y otros relacionados, es necesario tener cierta base de conocimientos sobre el funcionamiento del automóvil para el seguimiento de las explicaciones.
Los automóviles utilizados en las imágenes incorporan las tecnologías que se representan; se indican las fechas de inicio y fin de vida comercial.
0.- Conocimientos útiles
Por el enfoque de este curso, al tratar de varios temas en cada capítulo, aunque uno sea el protagonista, es útil tener una base de conocimientos sobre el funcionamiento del automóvil para ir siguiendo y asentando los contenidos explicados.
En este capítulo se exponen temas que se han de conocer previamente para ir entendiendo los contenidos de los siguientes.
Si se considera que hay dudas sobre las explicaciones, es mejor hacer antes el curso “Introducción a la tecnología del automóvil”
1.- Implantaciones técnicas y reparto de pesos
Se inicia el capítulo con automóviles que tienen tecnologías e implantaciones técnicas peculiares.
Se ven a continuación las diferentes implantaciones técnicas posibles en automóviles; posición del motor, embrague, caja de cambios, árbol de transmisión, diferencial y ruedas motrices.
Se resalta el reparto de pesos entre ejes, estático y dinámico, y sus efectos sobre la adherencia de los neumáticos de las ruedas motrices en el suelo en diferentes situaciones de aceleración y frenada, con distintas condiciones de adherencia.
Con cuatro modelos que han tenido una imagen impactante, más o menos míticos, que en su día cesaron su producción y han sido reeditados, se comparan las características de los originales y sus re-ediciones actualizadas, entre estas la implantación técnica.
2.- Estabilidad
Con base a la adherencia disponible de los neumáticos en el suelo representada por las fuerzas; motriz, lateral y resultante (ruedas motrices), se exponen los efectos sobre la trayectoria del automóvil con las distintas implantaciones, ruedas motrices y situaciones; recta, curva, aceleración, frenada y adherencia variable.
Tras describir las posibles pérdidas de trayectoria en curva se exponen soluciones más o menos efectivas; neumáticos (presión), estabilizadoras (sección o tarado) y conductor (actuaciones sobre los mandos).
Se relacionan las implantaciones con la tendencia genérica en curva al límite de adherencia, variable según actuaciones sobre los mandos del automóvil, y/o las soluciones electrónicas que intervienen.
Se ven automóviles con las tecnologías que representan las explicaciones, ampliando sus contenidos técnicos a temas de otros capítulos.
3.- Seguridad
Con la identificación de la seguridad en sus tres partes; activa o primaria, pasiva secundaria y pasiva terciaria, se exponen las funciones de cada una.
Para tratar de evitar el accidente interviene la seguridad activa o primaria, y se citan algunos sistemas incluidas las ayudas avanzadas a la conducción ADAS que se explican en otro capítulo.
Se analizan las actuaciones cronológicas de los sistemas de seguridad pasiva secundaria en colisión frontal trasera y lateral.
Explicación de la protección a peatones ante atropello.
Se ven sistemas pre-colisión para tratar de evitar o reducir los daños físicos si se produce el accidente.
Se resaltan actuaciones de la seguridad pasiva terciaria.
Situación en el tiempo de los avances más trascendentes en las tres vertientes de seguridad; cinturón de seguridad (de dos y tres puntos), estructura de carrocería con deformación progresiva, airbag, ABS, información de neumático pinchado, control de estabilidad y e-Call.
4.- Carrocería
La carrocería es el soporte de los demás componentes del automóvil.
Se compone de estructura interna, paneles interiores y exteriores.
Afecta a la seguridad en sus tres aspectos; activa o primaria manteniendo la geometría de asentamiento de las ruedas (estabilidad), pasiva secundaria con zonas de deformación progresiva y rígidas además del reparto de tensiones, y pasiva terciaria para poder abrir las puertas no afectadas por la colisión.
Descripción de daños estructurales, y su relación con las diferentes estructuras de carrocería.
Plataforma común y diseño modular del automóvil.
Se ven también las diferentes líneas de carrocería y su aerodinámica.
5.- Motor térmico
El motor térmico de gasolina fue el primero en el automóvil, tras competir con el eléctrico y aportar más ventajas.
Funciona con ciclo Otto, encendido por chispa, de cuatro o dos tiempos, con mucha más implantación el de cuatro.
Llegaron después los diésel, inicio de combustión por auto inflamación, y gas con conatos del motor de combustión de hidrógeno (los dos últimos son ciclo Otto con encendido por chispa).
El motor térmico necesita multiplicar el par por lo que precisa la caja de cambios.
La distribución, que controla la respiración del motor (resonancia), ha evolucionado exponencialmente para mejorar la respuesta al acelerar desde bajas RPM, curva de par más plana.
Con el objetivo de reducir las vibraciones aumenta el número de cilindros, y con la implantación de la sobrealimentación, en todos los diésel y casi igual en los de gasolina, se vuelve a reducir su número (o cilindrada), motor “down size”.
Se logran mejoras de rendimiento con ciclos de funcionamiento complementarios al Otto; Atkinson y Miller son los más implantados.
El motor Wankel creó expectativas y tuvo una mínima implantación, pasado el tiempo su uso ha sido más marginal.
La lubricación y refrigeración del motor se fueron adaptando a las mayores exigencias de rendimiento de los motores.
La refrigeración por aire y aceite se fue dejando de lado, así como el motor de dos tiempos.
6.- Alimentación de combustible
En el motor de gasolina la chispa en la bujía provoca el inicio de la explosión, en el diésel se auto inflama el gasóleo por la temperatura del aire iniciando la combustión.
En el motor de gasolina la alimentación de combustible pasó del carburador a diferentes sistemas de inyección; mecánica continua, discontinua, electrónica con uno o más inyectores, indirecta (simultánea o secuencial), directa o ambas.
El encendido evolucionó de forma similar cada vez con menos elementos mecánicos y más electrónicos, incluyendo el control de detonación (“picado de biela”).
El motor diésel es de inyección por principio de funcionamiento, su evolución va desde la posición de los inyectores, siempre después de la válvula de admisión, a su control; mecánico, acelerador electrónico o control independiente de los inyectores (“common rail”) pasando por el sistema inyector-bomba.
Al funcionar con exceso de aire el turbocompresor es ideal para el diésel, de hecho, es un componente más del motor.
Los sistemas anticontaminación son bastante más complejos en el motor diésel, no siendo ya rentable su fabricación con baja cilindrada.
Un objetivo buscado es lograr un motor que combine las ventajas de los de gasolina y diésel, es el sistema HCCI, carga (llenado), compresión y encendido homogéneos (Homogeneous charge compression ignition)
7.- Transmisión
El par en el motor térmico no es suficiente para mover el automóvil al iniciar la marcha, el par se ha de multiplicar y es la función de la caja de cambios, que dispone de diferentes escalas de multiplicación, número de relaciones y marcha atrás.
Para pasar el par del motor a la caja de cambios y que esta lo multiplique es preciso conectar progresivamente ambos, es la función del embrague en la caja de cambios manual, pilotada y automatizada.
El volante motor bimasa permite al embrague transmitir un gran incremento de par motor al acelerar desde bajas RPM.
Los desarrollos de transmisión, relación entre las RPM y km/h en cada marcha, dependen del par, potencia, tipo y uso previsto del automóvil.
Las cajas que pueden cambiar de relación sin que intervenga el conductor, con posiciones de la palanca PRND (+/–) son; pilotada (un embrague sin pedal), automatizada (dos embragues sin pedal), automática con convertidor (sustituye al embrague y no hay pedal) y CVT (transmisión de variación continua conectada con el motor por embrague o convertidor, sin pedal)
Con más número de relaciones funciona el motor a las RPM de mejor rendimiento, en caja manual implica conducción muy precisa.
El diferencial permite diferente velocidad de las ruedas motrices en curva.
El par llega a dos ruedas motrices con tracción o propulsión, si es superior a la adherencia disponible deslizaran las dos ruedas, o solo una por efecto del diferencial si no es autoblocante o de deslizamiento limitado.
Con cuatro ruedas motrices se reduce el deslizamiento al dividir el par entre cuatro, con la mitad de par en cada rueda se podrá avanzar con menos adherencia.
Hay diferentes tipos de aplicaciones 4×4; todoterreno, todocamino, turismo y prestacional.
Y también distintas tecnologías 4×4; un eje motriz permanente y el otro conectable (por el conductor o automáticamente), permanente con diferencial central de reparto de par simétrico o asimétrico (bloqueable por el conductor o automáticamente)
En función del uso previsto del automóvil 4×4, puede ser necesario adaptar otros componentes técnicos; transmisión, suspensión, carrocería y neumáticos son los más afectados.
8.- Ruedas
Del contacto de los neumáticos en el suelo dependen principalmente las cualidades dinámicas del automóvil, pues ahí se producen las fuerzas representadas en el círculo de adherencia; motriz, frenada, lateral y resultantes.
También de la rueda, llanta y neumático, este último colabora con la suspensión de forma variable según su estructura y características, el perfil influye mucho.
Las características de la rueda afectan a los desarrollos de transmisión y geometría de suspensión y dirección.
La presión de los neumáticos influye en su comportamiento dinámico, hay dos formas de informar al conductor de pérdida de aire; por diferencias de velocidad o con sensores de presión.
Hay neumáticos que pueden circular temporalmente sin aire, runflat.
El desgaste del dibujo de los neumáticos determina su sustitución.
El tiempo también supone una degradación de los materiales que puede provocar grietas y roturas, pero no hay legislación respecto a su caducidad al intervenir diversos factores; humedad y temperatura son influyentes.
9.- Suspensión y dirección
La suspensión ha de mantener en permanente contacto los neumáticos con el suelo.
En su diseño hay un compromiso, primar el confort o la estabilidad.
Las ruedas se desplazan con relación a la carrocería mediante los elementos de unión, los elementos elásticos hacen la función “colchón” y hay diferentes tipos, con los amortiguadores se reducen oscilaciones innecesarias, las estabilizadoras reducen la inclinación en curvas e influye en el confort sobre pisos bacheados.
Las articulaciones entre los elementos móviles de la suspensión se hacen mediante casquillos, silentblocs o rótulas.
Se ven diferentes sistemas y tipos de suspensión, componentes, geometría, adaptación o variación de altura y tarado, control de oscilaciones y otros aspectos dinámicos.
La dirección permite, desde el volante, determinar la ruta que sigue el automóvil.
Hay de varios tipos, el más utilizado en el automóvil es la cremallera.
Se ayuda al conductor con sistemas de asistencia, el más implantado es la dirección asistida eléctrica, no confundir con la dirección eléctrica que prescinde de conexión mecánica entre ruedas y volante.
También se utiliza la dirección a las cuatro ruedas, las traseras giran menos y en diferentes sentidos a las delanteras según la velocidad.
La geometría de asentamiento de las ruedas en el suelo se diseña en función del uso y comportamiento dinámico previsto, los principales datos son; ángulos de avance, pivote y caída, radio de pivotamiento, alineación y paralelo.
La estructura de carrocería afecta a esta geometría circulando sobre zonas bacheadas y con carga.
10.- Frenos
Las prestaciones de los motores de los automóviles superaban en los inicios su capacidad de frenada.
Se pasó de los tambores de accionamiento mecánico al hidráulico, llegaron los discos con mucha más resistencia a la temperatura por uso intensivo, que necesitan servofreno, y los circuitos hidráulicos de seguridad; independientes delante – atrás, con circuito de emergencia, en diagonal y doble, para disponer de la eficacia de frenada necesaria y aportar más seguridad activa o primaria.
Con el regulador de frenada de las ruedas traseras (mecánico, hidráulico o combinado), se reducía la tendencia al bloqueo de estas ruedas en frenadas de emergencia, que induce sobreviraje, pero con merma de capacidad de frenada en seco.
El bloqueo de las ruedas delanteras y traseras en frenadas de emergencia, más en piso deslizante, implica pérdidas de trayectoria y se soluciona con el sistema antibloqueo de ruedas en frenada (ABS), que en su evolución integra el regulador electrónico de frenada trasera, ambos se explican en el siguiente capítulo.
11.- ABS y sus complementos
Las ruedas deslizan en el suelo cuando; giran menos de lo debido por frenada (las cuatro) o retención del motor (las motrices), giran más por exceso de aceleración (motrices) o se desplazan lateralmente (las cuatro).
Si el deslizamiento en rotación supera el valor límite provoca disminución de adherencia lateral, menos capacidad direccional y pérdida de trayectoria.
Para que las ruedas no superen el deslizamiento límite se ha de controlar la frenada de cada una y el acelerador del motor (es electrónico).
Las informaciones base son; comparar la trayectoria indicada por el volante con la real y la velocidad de cada rueda, cuando se aproxima alguna al límite de adherencia o no coinciden las trayectorias, interviene uno o más sistemas electrónicos para compensarlo.
Estos son los principales; antibloqueo en frenada, regulador electrónico de frenada trasera, potenciador de frenada de emergencia (compensa el efecto pánico o reacción lenta del conductor), control de frenada en curva, control de tracción en aceleración, control de retención motor, control de estabilidad y trayectoria en curva, control de descenso de pendientes, control anti-vuelco y pre-control de estabilidad.
La evolución de estos sistemas lleva a los frenos eléctricos.
12.- Sistema eléctrico
El circuito eléctrico se amplió rápidamente en el automóvil, sistema de encendido del motor de gasolina, faros, pilotos, motor de arranque y más cosas que se fueron incorporando.
Con la llegada de la electrónica todos los órganos y sistemas del automóvil van quedando bajo su control, lo que implica evoluciones en la transmisión de la información.
Los sistemas de redes de multiplexadas y canbus son una de estas evoluciones, pueden transmitir ingentes cantidades de datos en tiempo real.
La investigación de incidentes necesita equipos de diagnóstico electrónico.
Con tanta capacidad de control, se incorporan más sistemas que mejoran todos los aspectos de utilización; seguridad en sus tres vertientes, confort y ayudas avanzadas a la conducción (ADAS).
Las ADAS requieren de complejos modelos de situaciones y actuaciones, algoritmos, con capacidad de aprendizaje, inteligencia artificial, y marcan el camino hacia el coche autónomo con sus complejidades técnicas y jurídicas, especialmente en situaciones críticas con varias opciones ¿qué criterio sigue el coche autónomo?
13.- Climatización
Implementar la calefacción en el habitáculo ha sido fácil, el motor produce calor.
Para bajar la temperatura con respecto al exterior hace falta fabricar frío, es el aire acondicionado.
La combinación de ambas posibilidades es la climatización, que mejora con el control automático de la temperatura, compensación de la humedad ambiental, control independiente por lados o plazas, … hasta llegar a la climatización global ergonómica; que trata de generar un clima interno que rodee a los ocupantes según la selección de confort.
14.- Ecología aplicada al desplazamiento del automóvil
Hasta llegar a contaminación cero del sistema de propulsión del automóvil cuando circula, hay pasos intermedios reduciendo sus emisiones progresivamente.
El motor térmico (gasolina, diésel o gas), mediante combustibles evolucionados y procedentes de distintas fuentes mejora la explosión y combustión, asistido por sistemas más o menos complejos en el escape para eliminar la emisión de contaminantes, pero emite CO2 que, si bien no es contaminante directo afecta al calentamiento global.
Con los híbridos térmico + eléctrico se reducen las emisiones, más o menos según su tecnología, utilización y comportamiento del conductor, pero se sigue emitiendo CO2.
El coche eléctrico con baterías no emite CO2 circulando, pero su autonomía, velocidad mantenida en carretera y tiempo de recarga no son suficientes para viajes incluso si se dispusiese de cargadores rápidos, pues su uso habitual fatiga en exceso las baterías de propulsión, además la electricidad de recarga puede contaminar según como la produzcan las centrales que alimentan a la red de suministro.
La solución pasa por la pila de combustible de hidrógeno que genera electricidad para mover el motor eléctrico, podría implantarse masivamente en poco tiempo en los automóviles, ya hay algunos en el mercado, si así lo acuerdan quienes podrían hacerlo, pues la tecnología está resuelta a la espera de otras decisiones.
Otra opción del hidrógeno es utilizarlo como combustible del motor térmico con encendido por chispa, pero requiere un motor con todos sus elementos y la transmisión con caja de cambios, y todo esto no lo necesita la pila de combustible.
