Módulo 4.4.2 – Carrocería

Video resumen Módulo 4.4.2 – Carrocería

Complementos aerodinámicos de la carrocería

Seguimos con los dos coches de la anterior diapositiva, en la que se presentaron los spoilers delante y alerones detrás para compensar la sustentación positiva a alta velocidad, y vemos otros detalles relacionados con estos y la aerodinámica:

• Los spoilers han de permitir el paso de suficiente caudal de aire para refrigerar el aceite que está en el cárter del motor, imprescindible para asegurar la calidad de lubricación
• En principio, en el coche con el motor delantero parece más fácil de hacer dejando ciertas aberturas en el spoiler para que llegue aire al cárter
• En el coche con el motor por detrás del eje trasero el recorrido es mayor y podría no ser suficiente el aire que llega, aunque se adapte el spoiler
  • Se puede incorporar entonces un radiador de aceite en la parte delantera para enfriar el lubricante, aunque se generen turbulencias de aire que reducen algo la eficacia aerodinámica en el proceso
• En los bajos de los laterales de los automóviles, en la zona del habitáculo y detrás, se colocan guías de paso de aire haciendo efecto de carenado en estas zonas lo que mejora el C_X
  • Parte de los flujos de torbellinos de aire generados al girar las ruedas son recogidos por estas guías, dirigiendo los flujos de aire hacia atrás lo que reduce las turbulencias
• Dentro de los pasos de ruedas hay varios elementos mecánicos de suspensión, dirección, transmisión, frenos … que provocan turbulencias en el aire que llega a su interior …
• … se pueden reducir estas turbulencias carenando todo lo posible el interior de los pasos de ruedas, dejando aberturas solamente para los movimientos de los elementos mecánicos

La aerodinámica es tanto lograr que el paso por el aire exija menos par y potencia, como que se mantenga la estabilidad del automóvil a elevadas velocidades.

Este último aspecto tiene relevancia en automóviles deportivos y prestacionales, además de, por supuesto, de competición.

Más complementos aerodinámicos

Continuamos analizando la aerodinámica del automóvil, ahora viéndolo por debajo.

Automóvil de la imagen superior

• Bajo el automóvil, entre esta zona y el suelo, hay diversos componentes mecánicos con formas irregulares y posiciones que afectan a paso del aire de la marcha, generando turbulencias que reducen la calidad aerodinámica con peores valores de C_X.
• Estos son algunos de estos componentes:
  • Motor, trasmisión y línea de escape; la implantación técnica es de motor longitudinal delantero y 4×4, con dos líneas de escape
  • Depósito de combustible; situado bajo el habitáculo por delante del eje trasero, es la posición adecuada por seguridad pasiva secundaria
  • Dirección; de cremallera
  • Suspensión; brazos transversales de suspensiones independientes y muelles
  • Rueda de repuesto; detrás del eje bajo el maletero
    • Al ser un todoterreno se mantiene esta opción más adecuada al poder circular fuera de carretera
• ¿Se pueden solucionar o paliar los efectos aerodinámicos negativos por las turbulencias en los bajos del automóvil?
  • Es posible carenar la parte inferior del automóvil para que la superficie de paso del aire sea lo más plana y uniforme posible, dejando libres las zonas más críticas como las líneas de escape para que puedan evacuar el calor
  • Carenando el interior de los pasos de rueda, como ya se ha comentado, reduciendo a lo imprescindible las turbulencias por la presencia de componentes mecánicos en esas zonas

Automóvil de la imagen inferior

• Algunos automóviles de hace años tenían ya algunas de estas tecnologías …
• En este automóvil bajo el habitáculo la superficie es plana favoreciendo el paso del aire, solo se interpone la línea de escape
• Este resultado es por la implantación técnica de motor longitudinal delantero por detrás del eje y tracción (delantera)
• Los pasos de ruedas no están carenados, ni los guardabarros de las delanteras las cubren por completo, lo que supone que los elementos mecánicos en estas zonas interfieran en el paso del aire generando turbulencias

Los bajos y pasos de rueda carenados es una práctica habitual en los automóviles actuales, por las ventajas aerodinámicas que aporta.

Comparación de la eficacia aerodinámica entre automóviles

Según la fórmula de la fuerza necesaria para vencer la resistencia aerodinámica al avance, los dos factores de diseño del automóvil son; coeficiente de penetración aerodinámica C_X y la superficie o área frontal S, siendo la multiplicación de estos dos factores, C_X . S, el indicativo de la calidad aerodinámica de un automóvil.

Pero … ¿es objetivo comparar aleatoriamente automóviles con el dato de este producto …?

• Se ven en las imágenes, de lado y de frente, tres automóviles diferentes:
  • Coupé de dos plazas con motor longitudinal delantero y propulsión con; C_X = 0,31, S = 2,3 m² lo que da un valor indicativo de C_X . S = 0,713
  • Pequeño o urbano de cuatro plazas con motor transversal delantero y tracción con; C_X = 0,33, S = 2,0 m² lo que da un valor indicativo de C_X . S = 0,66
  • Todocamino (SUV) de cinco plazas con motor transversal delantero y 4×4, con C_X = 0,39, S = 2,6 m² lo que da un valor indicativo de C_X . S = 1,01
• Si el ángulo del parabrisas es muy inclinado puede llegar a generar efecto “claustrofobia” y más si está próximo a la cabeza del conductor, incluso antes se puede inducir ansiedad o tensión
• En el coupé está muy inclinado el parabrisas, pero hay suficiente distancia a la cabeza del conductor, pues al tener solo dos plazas se atrasa el asiento y se inclina hacia atrás
• En el pequeño y SUV la inclinación del parabrisas es menor pudiéndose acercar a la cabeza del conductor, sin que se induzcan los efectos nocivos mencionados
• Para mejorar la eficacia aerodinámica lo ideal sería reducir los valores de los dos factores influyentes; C_X y S:
  • Mejora el C_X con más inclinación del parabrisas lo que puede llegar a provocar ansiedad, tensión y claustrofobia, lo que supone límites según el tipo de automóvil
  • Mejora la S con menos área frontal, pero afecta a la habitabilidad
• Las comparaciones aerodinámicas para ser objetivas se han de hacer por mismos tipos de automóviles para que no afecten a su utilización
  • Aprovechando los tres coches que se han visto se deberían comparar distintos modelos de coupés de dos plazas, urbanos de cuatro y SUV
  • Al comparar coches de tipos, tamaños y capacidades similares, el valor en cada uno del C_X si es un factor indicativo

Cuando la aerodinámica empezó a tener importancia en el diseño de los automóviles se lograron rápidos avances, después ya es más difícil al aumentar los costes de las soluciones, más complejas, para ir mejorando de forma menos relevante.

El coeficiente de penetración aerodinámica C_X en diferentes automóviles y de distintas épocas

Como comparación de la calidad de forma aerodinámica C_X vemos esta selección de automóviles de distintas épocas y tipos:

• Fiat Balilla de 1932 con C_X = 0,60. Tiene las formas cuadradas habituales de los coches de esa fecha, con las ruedas delanteras no cubiertas del todo por los guardabarros
• Lancia Aprilia de 1937 con C_X = 0,47. Las formas son bastante redondeadas y mantiene guardabarros exteriores
• Citroën 2CV de 1948 con C_X = 0,51. Aunque las formas redondeadas parecen indicar buena aerodinámica no es así, influyen los guardabarros y algunas superficies de la carrocería con relieves salientes discontinuos para aportar cierta resistencia a una estructura sumamente ligera
• Citroën DS21 de 1955 con C_X = 0,38. Las formas indican buenos resultados aerodinámicos y se cumplen, a pesar de la poca inclinación del parabrisas
  • Las formas continuas y ruedas cubiertas, con las traseras carenadas, influyen
• Mercedes 220 de 1959 con C_X = 0,38. Es un coche grande y a pesar de las formas más bien cuadradas logra buena eficacia aerodinámica para su momento
• Morris Mini de 1959 con C_X = 0,42. La aerodinámica no es su objetivo, este era poder llevar a cuatro personas y algo de equipaje en 3,05 metros de longitud, que se logra con las líneas cuadradas, casi cúbicas, y extremos redondeados
• Renault 4 de 1961 con C_X = 0,39. Son formas casi cuadradas para obtener buena habitabilidad
  • El resultado aerodinámico es mejor de lo que podría parecer por sus formas
• Jaguar Type E de 1961 con C_X = 0,44. Esta línea deportiva parece indicar que la aerodinámica es buena, pero no, el parabrisas muy poco inclinado es una de las razones
• NSU Ro80 de 1967 con C_X = 0,37. Línea bastante fluida que da buena eficacia aerodinámica
  • El motor wankel, de poca altura, permite que la zona delantera tenga formas que favorecen este resultado
• Volkswagen Combi de 1967 con C_X = 0,42. Formas rectangulares que llevan a un resultado aerodinámico más o menos esperado
  • Resulta curiosa su comparación con el Jaguar E en formas visuales y C_X respectivos
• Maserati Ghibli de 1967 con C_X = 0,35. Esté coupé ya cuida la aerodinámica obteniendo buenos resultados por la continuidad de sus líneas
• Fiat Dino de 1968 con C_X = 0,43 con techo y 0,50 descapotado. Los condicionantes de la línea al ser descapotable, yendo con techo no permiten mejor aerodinámica, que empeora circulando sin techo
• Porsche 911 de 1970 con C_X = 0,34. Líneas suaves y formas redondeadas dan buen resultado aerodinámico visual y real
• Lamborghini Countach de 1974 con C_X = 0,42. Las formas estilizadas se ven alteradas por el spoiler, alerones y otros aditamentos aerodinámicos para compensar la sustentación que empeoran el C_X
• Renault Fuego de 1980 con C_X = 0,34. Formas redondeadas y línea fluida dan un buen resultado aerodinámico y visual
• Renault 25 de 1983 con C_X = 0,28. Línea fluida que logra excelentes resultados aerodinámicos para su momento, cuidando mucho el enrasamiento de los diferentes componentes en la carrocería
  • Como anticipo a lo que veremos después, este muy buen valor del C_X es para la versión más básica del modelo destinada a mercados del norte de Europa; ruedas de poca sección y pasos de aire para refrigeración reducidos, entre otros detalles
  • Las versiones más altas de gama tienen valores de C_X menos llamativos
• BMW E30 de 1989 con C_X = 0,33. Líneas fluidas y parabrisas inclinado dan un buen resultado aerodinámico
• Fiat Uno de 1994 con C_X = 0,30. Buen resultado en un coche pequeño que demuestra que en estas fechas ya se cuidaba la aerodinámica, incluso en esta gama más bien para uso urbano
• Renault Avantime de 2001 con C_X = 0,34. Para ser un monovolumen se logra buen resultado aerodinámico, en lo que influye la gran inclinación del parabrisas
• Peugeot 407 de 2002 con C_X = 0,29. Formas muy cuidadas y línea continua con atención al enrasamiento de los componentes exteriores
• Nissan GTR de 2008 con C_X = 0,27. La forma es aerodinámica visualmente y se cumple por los resultados reales, y eso a pesar de ser un deportivo con aditamentos para compensar la sustentación, ¿tal vez son activos?, luego comentamos que quiere decir esto
• Mercedes clase C de 2010 con C_X = 0,27. Están muy cuidados todos los aspectos aerodinámicos que llevan a un buen resultado efectivo, teniendo en cuenta que si se sube en la gama estos valores no serán tan buenos
• Volkswagen XL1 de 2014 con C_X = 0,186. Es un coche laboratorio aerodinámico, por lo que los resultados son excepcionales, pero las soluciones no son todas aplicables a coches de calle
• Toyota Prius de 2015 con C_X = 0,24. Línea en forma de cuña con complementos para mejorar la eficacia aerodinámica, por lo que el C_X obtenido es muy bueno
• Tesla Model 3 de 2016 con C_X = 0,24. Además de las líneas fluidas y continuas, el hecho de necesitar menos entradas de aire de refrigeración, es un coche eléctrico con baterías, puede influir en los buenos resultados aerodinámicos
• Audi A6 de 2019 con C_X = 0,24. Resultados muy buenos por las formas de líneas y cuidadoso enrasamiento y acoplamiento de los componentes de la carrocería, además de que casi todo está carenado
• Toyota Mirai de 2022 con C_X = 0,29. La línea tiene formas suaves de lo que se esperaría mejor C_X, tiene una aparente gran entrada de aire frontal
  • Es un coche de propulsión eléctrica con pila de combustible de hidrógeno y baterías de apoyo

Comparando estos coches se deduce que la idea aerodinámica que da el ver a línea de la carrocería no se cumple siempre, hay muchos factores que intervienen en los resultados del C_X.

Comparación del C_X en la evolución de un mismo modelo o sus equivalentes en la marca

Ya se ha comentado que desde que el automóvil alcanza velocidades en las que la aerodinámica tiene relevancia, se ha buscado lograr buenos valores de C_X que se han ido mejorando con la evolución de los modelos.

Como constatación se propone repasar modelos de las marcas que han ido evolucionando o sus equivalentes si cesó su producción o fueron sustituidos:

• En los modelos de las cuatro marcas seleccionadas, Renault, Citroën, BMW y Seat se ve la mejora en las evoluciones de los modelos o sustitutos
• Las líneas se van suavizando con formas más redondeadas y continuas
• Se van incorporando aditamentos aerodinámicos para mejorar el C_X; pequeños spoiler y alerones, laterales y bajos carenados, componentes enrasados en la carrocería, carenados en los pasos de ruedas …
• La implantación técnica va en Renault y Citroën de motor longitudinal delantero por detrás del eje y tracción a motor transversal delantero y tracción
• En BMW la implantación técnica se mantiene con motor longitudinal delantero y propulsión, llevándose en la evolución del modelo el motor hacia atrás para lograr un reparto de pesos en vacío entre ejes del 50%
• Todos los modelos Seat representados tienen motor transversal delantero y tracción

Estos ejemplos se pueden encontrar con mínimas variaciones en las demás marcas, pues se han ido siguiendo las mismas evoluciones para lograr objetivos similares.

C_X y S en diferentes versiones de modelos de gama

Al comentar el C_X de algunos modelos se ha dicho que en muchos casos las marcas dan el dato del modelo con mejor resultado, que suele ser el de inicio de la gama; ruedas de menos anchura, menos potencia y con menor necesidad de refrigeración, pocos aditamentos aerodinámicos de sustentación …

Para dejar constancia de estos aspectos proponemos esta diapositiva.

• Se parte del modelo base de la gama con equipamiento de serie sin opciones

Ruedas más anchas y de menos perfil

• Los neumáticos y las llantas son más anchos y con menos perfil, para mantener su circunferencia de rodadura y no afectar a la transmisión e indicaciones de velocidad y distancia recorrida
• La estética da imagen más deportiva
• Más adherencia en seco al haber mayor superficie de huella en el suelo
• Esta mayor superficie en la huella hace que la fuerza de apoyo de las ruedas sobre el suelo sea menor, lo que en mojado supone mayor merma de adherencia que con los neumáticos de serie
• Las ruedas más anchas pueden ser opcionales o estar incluidas en un modelo más alto de gama
• Los efectos aerodinámicos son negativos al aumentar la superficie frontal S y el C_X

Spoiler, alerones y complementos aerodinámicos

• El spoiler y alerón pueden favorecer el C_X o compensar a sustentación positiva, en este caso lo empeoran
• El spoiler puede aumentar la superficie frontal, en cualquier caso ha de llegar suficiente aire al cárter del motor
• Los carenados laterales en los lados y detrás favorecen el paso del aire mejorando el C_X
• Si estos aditamentos aerodinámicos corresponden a un modelo de gama, o son opcionales de la marca han sido ensayados en el túnel de viento para evitar efectos negativos, lo que no se puede asegurar si son complementos externos de tuning
• Los efectos aerodinámicos de estos complementos pueden ser variables según los objetivos, mejor C_X o menos sustentación positiva

Menos altura de la carrocería por suspensiones

• En los modelos de la gama suele haber alguna versión con enfoque deportivo, que tiene la carrocería más baja con respecto al suelo por las suspensiones
• La suspensión tiene un tarado más duro, lo que reduce el confort y el comportamiento es más brusco sobre todo si el piso no es muy liso
• Al bajar el centro de gravedad la estabilidad es mejor, en piso liso, más al tener estas versiones habitualmente neumáticos más anchos
• La carrocería más baja aporta beneficios aerodinámicos, mejora tanto el C_X como la S

Estas modificaciones se pueden hacer con modelos de la gama o equipos homologados por la marca.

Si se hace en el exterior se ha de comprobar las calidades, homologaciones, prestaciones indicadas y eficacia de lo que se monte en el coche.

Hay una faceta del tuning estético en el que solo se busca la apariencia sin tener en cuenta la eficacia, se supone que estos automóviles no van a circular rápido y quedan más como muestras móviles.

Aerodinámica activa

Se ha dicho que hay zonas en las que se han de asumir turbulencias por necesidades de funcionamiento del automóvil, y también alteraciones aerodinámicas para compensar la sustentación positiva … pero no siempre se necesitan estas funciones:

• Se ve en el coche el motor longitudinal delantero con cuatro cilindros en línea y distribución OHC, resaltando el circuito de refrigeración del motor y sobre todo el radiador próximo al frontal
• Aparece el sistema de climatización, con los radiadores de frío (evaporador) y de calefacción en el paso de aire desde la entrada exterior delante del parabrisas al habitáculo
• Circula el automóvil y el aire pasa alrededor de la carrocería, parte del aire entra hacia el radiador de refrigeración del motor y hacia los radiadores de climatización produciéndose turbulencias que perjudican el C_X

Trampillas de paso variable

• Para reducir los efectos de estas turbulencias necesarias en determinadas situaciones se colocan trampillas móviles, en las entradas de aire hacia el radiador de refrigeración y de climatización
• Cuando están abiertas entra el aire y hay turbulencias, pero cuando no se necesita refrigeración ni climatización se cierran las trampillas haciendo que el aire siga por el exterior lo que mejora el C_X
• También pueden estar parcialmente abiertas para situaciones intermedias

Spoiler y alerón activos

• Estos dos aditamentos aerodinámicos pueden mejorar el C_X o empeorarlo para más sustentación negativa, según su diseño y objetivos
• Para contar con sus beneficios estos sistemas pueden ser activos; quedan ocultos y salen en caso de que se den las condiciones en que sus aportaciones mejoran el C_X o la sustentación negativa, de hecho, podrían abrir en varias posiciones para ser más versátiles

Por el hecho de que a 90 km/h el 29,8% del consumo se estime que se debe a la aerodinámica, parece lógico buscar diversas soluciones que aporten beneficios para que sumadas el resultado sea más apreciable.

Se ven en este automóvil tres radiadores que afectan a la aerodinámica, pero puede haber más.

Más detalles relacionados con la aerodinámica

Hay más aspectos a resaltar relacionados con la aerodinámica, alguno ya se ha comentado.

Suspensión de altura variable (imagen superior izquierda)

• Afecta a la aerodinámica, si está más baja mejora C_X y S
• Además, si el automóvil está más cerca del suelo es menos sensible al viento lateral
• Se ha explicado que la suspensión más baja tiene ciertos inconvenientes, que se evitan si la altura es variable; normal hasta 90 km/h, baja automáticamente al superar esta velocidad, para subir de nuevo al disminuirla y llegar a ella
• En el coche para estas explicaciones se representan conjuntos neumáticos como elementos elásticos de suspensión, que permiten regular la altura según la presión de aire en su interior

Baca de armazón en el techo (imagen superior derecha)

• Cuando el maletero no es suficiente para el equipaje que se ha de llevar se buscan otras alternativas, y una es un armazón de tubos acoplado al techo del automóvil
• En su interior se coloca el equipaje sujeto por seguridad
• Empeora sensiblemente la aerodinámica y más con el equipaje; mayor superficie frontal S y peor C_X
• La superficie lateral es mayor y el peso acumulado en el techo sube el centro de gravedad; peor aerodinámica transversal (eje Y) y menos estabilidad, especialmente sensible con viento de lado, adelantamientos y en curvas
• Cuando no se utilice se ha de desmontar esta baca del automóvil

Caja cerrada portaequipajes aerodinámica en el techo (imagen central)

• Esta opción al tener formas aerodinámicas altera algo menos la del automóvil
• En su interior se coloca el equipaje que queda seguro al ir cerrado
• S y C_X son peores y con el peso del equipaje hay más inercia en el techo
• La superficie lateral es mayor y el peso en el techo sube el centro de gravedad; peor aerodinámica transversal (eje Y) y menos estabilidad, especialmente sensible con viento de lado, adelantamientos y en curvas, aunque con efectos algo menos negativos que con baca de armazón
• Se debe desmontar la baca cuando no sea necesaria

Remolque portaequipaje (imagen inferior)

• Es una solución con menos efectos negativos aerodinámicos al ser el remolque de menor altura que el automóvil y estar al nivel del suelo, aunque también compromete la estabilidad
• La mayor superficie lateral y la inercia adicional del remolque afecta a la estabilidad direccional, más con viento, adelantamientos y también en curvas

Para paliar los efectos de circular con remolque se puede disponer de una configuración específica en el control de estabilidad, se incluye en este enlace con más complementos derivados del ABS.

Hay alguna otra opción para llevar algo más del equipaje que cabe en el maletero, una utilizada en automóviles de tres volúmenes es acoplar una baca de armazón sobre el tercer volumen, colocando sobre esta el equipaje debidamente sujeto.

“Efecto suelo”

Al hablar de aerodinámica se suele entender como lo relacionado con valorar la resistencia que opone el aire al avance del automóvil, pero hay otra faceta que se ha comentado, y es lo que afecta a la sustentación positiva, hacia arriba o negativa hacia abajo.

Esto último es lo que suelen hacer los spoiler y alerones como se ha representado para evitar que disminuya la presión de empuje de los neumáticos sobre el suelo.

Hay otra forma de incrementar la sustentación negativa que “pega” con fuerza el automóvil al suelo, y que para que se manifieste hacen falta velocidades sumamente altas:

• La imagen de partida es un avión, que vuela por la forma de sus alas, al llegar a cierta elevada velocidad que induce sustentación positiva
• ¿Sería utilizable este concepto aerodinámico en el automóvil si se circula a elevada velocidad, no para que vuele sino todo lo contrario, que se pegue al suelo? … Veámoslo
• En las imágenes se ve un fórmula 1 de frente y de lado
• La forma del fondo de su carrocería, el suelo, es de ala invertida
• Al circular a muy alta velocidad el aire que pasa bajo el coche hace las funciones de sustentación hacia abajo aumentando la presión de los neumáticos sobre el suelo … pero se pierde eficacia al escaparse gran parte del aire por los lados entre las ruedas
• Se evita incorporando unas faldillas flexibles en toda la longitud a los lados de la carrocería, los pontones donde está la forma de ala invertida. Así el paso del aire es casi estanco ejerciendo más fuerza de apoyo hacia el suelo
• El resultado de esta fuerza aerodinámica, inducida por la forma de ala invertida, las faldillas laterales y la gran velocidad de paso del aire, es conocido como “efecto suelo”
• Se logra mucha más adherencia, tanto en recta como curva si la velocidad es suficiente, sin que se incremente el peso del automóvil, lo que no requiere más par y potencia, bueno algo más sí por el mayor rozamiento de rodadura
• Hubo incluso el montaje de una gran turbina que aspiraba aire a gran velocidad, y aunque el coche no fuese tan rápido anticipaba y potenciada el “efecto suelo”

No hablamos de los spoilers en fórmula 1, trascendentales al no tener las ruedas carenadas.

Pero si hacemos un comentario sobre el o los alerones traseros, suelen ser variables por el piloto; más horizontal para alcanzar mayor velocidad en recta (mejor C_X), y más inclinado en curva para aumentar el apoyo de las ruedas traseras sobre el suelo y ganar adherencia por más sustentación negativa (menos C_X).

En el siguiente módulo hablaremos de cómo ha evolucionado el diseño y construcción del automóvil y su estructura de carrocería, de plataforma común a modular, y los materiales de la carrocería.

Otros enlaces

• Técnica F1: ¿qué es el efecto suelo?

Vídeos de interés