Manual de aerodinámica

Los factores más importantes que afectan la resistencia al aire del vehículo.

La baja resistencia al aire ayuda a reducir el consumo de combustible. Sin embargo, en este sentido, hay un gran margen de desarrollo. Si, por supuesto, los expertos en aerodinámica están de acuerdo con la opinión de los diseñadores.

"Aerodinámica para quienes no saben hacer motocicletas". Estas palabras fueron pronunciadas por Enzo Ferrari en los años sesenta y demuestran claramente la actitud de muchos diseñadores de la época hacia este lado tecnológico del automóvil. Sin embargo, solo diez años después se produjo la primera crisis del petróleo, que cambió radicalmente todo su sistema de valores. Tiempos en los que todas las fuerzas de resistencia durante el movimiento del automóvil, y especialmente las que surgen cuando pasa por las capas de aire, son superadas por amplias soluciones técnicas, como aumentar la cilindrada y la potencia de los motores, independientemente de la cantidad de combustible consumido, se van, y los ingenieros comienzan a buscar. formas más efectivas de lograr sus objetivos.

Por el momento, el factor tecnológico de la aerodinámica está cubierto por una gruesa capa de polvo del olvido, pero para los diseñadores esto no es ninguna novedad. La historia de la tecnología muestra que incluso en los años 77, mentes avanzadas e inventivas como el alemán Edmund Rumpler y el húngaro Paul Zharai (que creó el icónico Tatra TXNUMX) dieron forma a superficies aerodinámicas y sentaron las bases para un enfoque aerodinámico del diseño de la carrocería del automóvil. Les siguió una segunda ola de especialistas en aerodinámica, como el barón Reinhard von Könich-Faxenfeld y Wunibald Kam, que desarrollaron sus ideas en los XNUMX.

Está claro para todos que con el aumento de la velocidad llega un límite, por encima del cual la resistencia del aire se convierte en un factor crítico para conducir un automóvil. La creación de formas optimizadas aerodinámicamente puede aumentar considerablemente este límite y se expresa mediante el llamado factor de flujo Cx, ya que un valor de 1,05 tiene un cubo invertido perpendicular al flujo de aire (si se gira 45 grados a lo largo de su eje, de modo que la corriente arriba borde disminuye a 0,80). Sin embargo, este coeficiente es solo una parte de la ecuación de resistencia del aire: debe agregar el tamaño del área frontal del automóvil (A) como un elemento importante. La primera de las tareas de los aerodinámicos es crear superficies limpias y aerodinámicamente eficientes (factores de los cuales, como veremos, mucho en un automóvil), lo que finalmente conduce a un coeficiente de flujo más bajo. Medir este último requiere un túnel de viento, que es una estructura costosa y extremadamente compleja; un ejemplo de esto es el túnel encargado en 2009. BMW, que costó a la empresa 170 millones de euros. El componente más importante no es un ventilador gigante, que consume tanta electricidad que necesita una subestación transformadora separada, sino un soporte de rodillos preciso que mide todas las fuerzas y momentos que un chorro de aire ejerce sobre un automóvil. Su tarea es evaluar toda la interacción del automóvil con el flujo de aire y ayudar a los especialistas a estudiar cada detalle y cambiarlo para que no solo sea efectivo en el flujo de aire, sino también de acuerdo con los deseos de los diseñadores. . Básicamente, los principales componentes de resistencia que encuentra un automóvil provienen de cuando el aire que se encuentra frente a él se comprime y se desplaza y, lo que es más importante, de la intensa turbulencia detrás de él en la parte trasera. Hay una zona de baja presión que tiende a tirar del coche, que a su vez se mezcla con un fuerte efecto de vórtice, que los aerodinámicos también llaman "excitación muerta". Por razones lógicas, después de los modelos familiares, el nivel de vacío es más alto, como resultado de lo cual el coeficiente de consumo se deteriora.

Factores de resistencia aerodinámica

Este último depende no solo de factores como la forma general del automóvil, sino también de partes y superficies específicas. En la práctica, la forma general y las proporciones de los automóviles modernos representan el 40 por ciento de la resistencia total del aire, una cuarta parte de la cual está determinada por la estructura de la superficie del objeto y características como espejos, luces, matrícula y antena. El 10 % de la resistencia del aire se debe al flujo a través de las rejillas de ventilación hacia los frenos, el motor y la transmisión. El 20% es el resultado del vórtice en varios diseños de piso y suspensión, es decir, todo lo que sucede debajo del automóvil. Y lo que es más interesante: el 30% de la resistencia del aire se debe a los vórtices creados alrededor de las ruedas y las alas. Una demostración práctica de este fenómeno lo muestra claramente: el caudal de 0,28 por vehículo cae a 0,18 cuando se quitan las ruedas y se cierran las rejillas de ventilación del guardabarros. No es coincidencia que todos los autos sorprendentemente de bajo kilometraje, como el primer Insight de Honda y el auto eléctrico GM EV1, tengan guardabarros traseros ocultos. La forma aerodinámica general y la parte delantera cerrada, debido al hecho de que el motor eléctrico no requiere mucho aire de refrigeración, permitió a los diseñadores de GM desarrollar el modelo EV1 con un factor de flujo de solo 0,195. Tesla Model 3 tiene Cx 0,21. Para reducir la vorticidad de las ruedas en vehículos con motores de combustión interna, los llamados. "Cortinas de aire" en forma de un delgado flujo de aire vertical dirigido desde la abertura en el parachoques delantero, soplando alrededor de las ruedas y estabilizando los vórtices, el flujo hacia el motor está limitado por persianas aerodinámicas y la parte inferior está completamente cerrada.

Cuanto menores sean los valores de las fuerzas medidas por el soporte de rodillos, menor será Cx. Por lo general, se mide a una velocidad de 140 km/h; un valor de 0,30, por ejemplo, significa que el 30 por ciento del aire por el que pasa un automóvil se acelera a su velocidad. En cuanto al frente, su lectura requiere un procedimiento mucho más simple: para esto, los contornos externos del automóvil se delinean con un láser cuando se ve desde el frente y se calcula el área encerrada en metros cuadrados. Luego se multiplica por el factor de flujo para obtener la resistencia total del aire del automóvil en metros cuadrados.

Volviendo al esquema histórico de nuestra narrativa aerodinámica, encontramos que la creación del ciclo estandarizado de medición del consumo de combustible (NEFZ) en 1996 en realidad jugó un papel negativo en la evolución aerodinámica de los automóviles (que avanzó significativamente en la década de 7). ) porque el factor aerodinámico tiene poco efecto debido al corto período de movimiento a alta velocidad. A pesar de la disminución del coeficiente de consumo a lo largo de los años, el aumento de las dimensiones de los vehículos de cada clase conduce a un aumento del área frontal y, en consecuencia, a un aumento de la resistencia del aire. Automóviles como el VW Golf, el Opel El Astra y el BMW Serie 90 tenían una mayor resistencia al aire que sus predecesores en los años 90. Esta tendencia se ve facilitada por los impresionantes modelos SUV con su gran área frontal y su deteriorada línea aerodinámica. Este tipo de vehículo ha sido criticado principalmente por su elevado peso, pero en la práctica este factor pierde importancia relativa a medida que aumenta la velocidad - cuando se circula fuera de la ciudad a una velocidad de unos 50 km/h, la proporción de resistencia del aire es de unos 80 por ciento, a velocidades de autopista aumenta al XNUMX por ciento de la resistencia total que enfrenta el automóvil.

Túnel de viento

Otro ejemplo del papel de la resistencia del aire en el rendimiento del vehículo es un modelo típico de Smart City. Un biplaza puede ser ágil y ágil en las calles de la ciudad, pero su carrocería corta y proporcionada es muy ineficiente desde el punto de vista aerodinámico. En el contexto del bajo peso, la resistencia del aire se convierte en un elemento cada vez más importante, y con Smart comienza a tener un fuerte efecto a velocidades de 50 km / h. No es de extrañar que, a pesar del diseño liviano, no esté a la altura de las expectativas. de un costo relativamente bajo.

Sin embargo, a pesar de las deficiencias de Smart, la actitud de la empresa matriz Mercedes hacia la aerodinámica es un ejemplo de un enfoque metódico, consistente y proactivo del proceso de creación de formas espectaculares. Se puede argumentar que los resultados de la inversión en túneles de viento y el arduo trabajo en esta área se notan especialmente en esta empresa. Un ejemplo particularmente llamativo del efecto de este proceso es el hecho de que la Clase S actual (Cx 0,24) tiene menos resistencia al aire que el Golf VII (0,28). En la búsqueda de más espacio interior, la forma del modelo compacto ha adquirido un área frontal bastante grande, y el coeficiente de flujo es peor que el de la Clase S debido a su menor longitud, que no permite superficies aerodinámicas y mucho más. - ya debido a una transición brusca desde atrás, lo que contribuye a la formación de vórtices. Sin embargo, VW insiste en que la próxima generación de Golf tendrá una resistencia al aire significativamente menor y será más bajo y aerodinámico. El factor de consumo de combustible más bajo registrado de 0,22 por vehículo ICE es el Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

La ventaja de los vehículos eléctricos.

Otro ejemplo de la importancia de la forma aerodinámica frente al peso son los modelos híbridos modernos e incluso más vehículos eléctricos. En el caso del Prius, por ejemplo, la necesidad de un diseño altamente aerodinámico también viene dictada por el hecho de que a medida que aumenta la velocidad, la eficiencia del tren motriz híbrido disminuye drásticamente. En el caso de los vehículos eléctricos, todo lo relacionado con el aumento de kilometraje en modo eléctrico es de suma importancia. Según los expertos, reducir el peso en 100 kg aumentará el kilometraje del automóvil en unos pocos kilómetros, pero, por otro lado, la aerodinámica es de suma importancia para un automóvil eléctrico.

En primer lugar, porque la elevada masa de estos vehículos les permite recuperar parte de la energía utilizada para la recuperación, y en segundo lugar, porque el elevado par del motor eléctrico le permite compensar el efecto del peso en el arranque, y su eficiencia disminuye. a altas velocidades y altas velocidades. Además, la electrónica de potencia y el motor eléctrico necesitan menos aire de refrigeración, lo que permite una menor apertura en la parte delantera del coche, que, como ya hemos señalado, es la razón principal del deterioro del flujo alrededor de la carrocería. Otro elemento de la motivación de los diseñadores para crear formas aerodinámicamente más eficientes en los modelos híbridos enchufables de hoy es el modo de movimiento sin aceleración solo con la ayuda de un motor eléctrico, o el llamado. navegación. A diferencia de los barcos de vela, de donde proviene el término y donde se supone que el viento mueve el barco, los coches eléctricos aumentarán el kilometraje si el coche tiene menos resistencia al aire. Crear una forma aerodinámicamente optimizada es la forma más económica de reducir el consumo de combustible.

Texto: Georgy Kolev

Los caudales de algunos coches famosos:

Mercedes Simplex

Producción de 1904, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Producción de 1921, Cx = 0,28

Ford modelo T

Producción de 1927, Cx = 0,70

Modelo experimental Kam

Producción de 1938, Cx = 0,36

Mercedes record car

Producción de 1938, Cx = 0,12

Bus vw

Producción de 1950, Cx = 0,44

VW "tortuga"

Producción de 1951, Cx = 0,40

Panhard Dina

Producción de 1954, Cx = 0,26

Porsche 356

Producción de 1957, Cx = 0,36

MG EX 181

Producción de 1957, Cx = 0,15

Citroën DS19

Producción de 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Producción de 1966, Cx = 0,38

Mercedes C 111

Producción de 1970, Cx = 0,29

Furgoneta Volvo 245

Producción de 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Producción de 1983, Cx = 0,31

Mercedes W 124

Producción de 1985, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Producción de 1997, Cx = 0,29