El coeficiente de resistencia aerodinámica es una medida común en el diseño de automóviles en lo que respecta a la aerodinámica . El arrastre es una fuerza que actúa en paralelo y en la misma dirección que el flujo de aire. El coeficiente de arrastre de un automóvil mide la forma en que el automóvil atraviesa el aire circundante. Cuando las empresas de automóviles diseñan un vehículo nuevo, tienen en cuenta el coeficiente de arrastre del automóvil además de otras características de rendimiento. La resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad; por lo tanto, adquiere una importancia crítica a velocidades más altas. Reducir el coeficiente de arrastre en un automóvil mejora el rendimiento del vehículo en lo que respecta a la velocidad y la eficiencia del combustible. [1]Hay muchas formas diferentes de reducir la resistencia de un vehículo. Una forma común de medir el arrastre del vehículo es a través del área de arrastre.
Reducir la resistencia
La reducción de la resistencia aerodinámica en los vehículos de carretera ha provocado aumentos en la velocidad máxima del vehículo y en la eficiencia del combustible del vehículo, así como muchas otras características de rendimiento, como el manejo y la aceleración. [2] Los dos factores principales que influyen en la resistencia son el área frontal del vehículo y el coeficiente de resistencia . El coeficiente de arrastre es un valor sin unidades que denota cuánto resiste un objeto al movimiento a través de un fluido como el agua o el aire. Una posible complicación de alterar la aerodinámica de un vehículo es que puede hacer que el vehículo se levante demasiado. La sustentación es una fuerza aerodinámica que actúa perpendicularmente al flujo de aire alrededor de la carrocería del vehículo. Demasiada elevación puede hacer que el vehículo pierda tracción en la carretera, lo que puede ser muy inseguro. [3] La reducción del coeficiente de arrastre proviene de la racionalización de la carrocería exterior del vehículo. La racionalización de la carrocería requiere suposiciones sobre la velocidad del aire circundante y el uso característico del vehículo.
Supresión
La eliminación de partes en un vehículo es una manera fácil para que los diseñadores y propietarios de vehículos reduzcan el arrastre parasitario y frontal del vehículo con poco costo y esfuerzo. La eliminación puede ser tan simple como quitar una pieza del mercado de accesorios o una pieza que se instaló en el vehículo después de la producción, o tener que modificar y quitar una pieza OEM , es decir, cualquier parte del vehículo que se fabricó originalmente en el vehículo. La mayoría de los autos deportivos de producción y los vehículos de alta eficiencia vienen de serie con muchas de estas eliminaciones para ser competitivos en el mercado automotriz y de carreras, mientras que otros optan por mantener estos aspectos del vehículo que aumentan la resistencia por sus aspectos visuales, o para adaptarse a los típicos usos de su base de clientes. [4]
Barra de techo
Un portaequipajes es un rasgo común en muchos vehículos SUV y camionetas . Si bien las barras de techo son muy útiles para llevar espacio de almacenamiento adicional en un vehículo, también aumentan el área frontal del vehículo y aumentan el coeficiente de arrastre. Esto se debe a que el aire fluye sobre la parte superior del vehículo, siguiendo las suaves líneas del capó y el parabrisas, luego choca con la baca y provoca turbulencias. La eliminación de esta parte ha dado lugar a aumentos en la eficiencia del combustible en varios estudios. [5]
Faldones de barro
Las faldillas guardabarros ahora rara vez se especifican como estándar en los automóviles de producción, ya que interfieren con el flujo de aire limpio alrededor del vehículo. Para vehículos más grandes, como camiones, los faldones de barro siguen siendo importantes para su control de la pulverización, y en 2001 se introdujo una nueva versión del faldón de barro que se ha demostrado que crea una resistencia aerodinámica significativamente menor que los faldones de barro estándar. [6] [7] [8]
Alerón trasero
Un alerón trasero generalmente viene de serie en la mayoría de los vehículos deportivos y se asemeja a la forma de un alerón elevado en la parte trasera del vehículo. El propósito principal de un spoiler trasero en el diseño de un vehículo es contrarrestar la elevación, aumentando así la estabilidad a velocidades más altas. Para lograr la menor resistencia posible, el aire debe fluir alrededor de la carrocería aerodinámica del vehículo sin entrar en contacto con áreas de posible turbulencia. Un diseño de alerón trasero que se destaca de la tapa de la plataforma trasera aumentará la carga aerodinámica, lo que reducirá la elevación a altas velocidades al tiempo que incurrirá en una penalización de arrastre. Los spoilers planos, posiblemente inclinados ligeramente hacia abajo, pueden reducir la turbulencia y, por lo tanto, reducir el coeficiente de arrastre. [9] Algunos automóviles ahora cuentan con spoilers traseros ajustables automáticamente, por lo que a menor velocidad el efecto sobre la resistencia se reduce cuando no se requieren los beneficios de la elevación reducida.
Espejos laterales
Los espejos laterales aumentan el área frontal del vehículo y aumentan el coeficiente de arrastre, ya que sobresalen del costado del vehículo. [10] [11] Para disminuir el impacto que los espejos laterales tienen sobre el arrastre del vehículo, los espejos laterales pueden reemplazarse por espejos más pequeños o espejos con una forma diferente. Varios concept car de la década de 2010 están reemplazando los espejos con cámaras diminutas [12], pero esta opción no es común para los autos de producción porque la mayoría de los países requieren espejos laterales. Uno de los primeros automóviles de pasajeros de producción en cambiar los espejos por cámaras fue el Honda e , y en este caso, Honda afirma que las cámaras han disminuido la resistencia aerodinámica en "alrededor del 90% en comparación con los espejos de las puertas convencionales", lo que contribuyó a aproximadamente 3.8 % de reducción de la resistencia al avance de todo el vehículo [13] Se estima que dos espejos laterales son responsables del 2 al 7% de la resistencia aerodinámica total de un vehículo de motor, y que quitarlos podría mejorar la economía de combustible entre 1,5 y 2 millas por galón estadounidense. [14]
Antena de radio
Si bien no tienen el mayor impacto en el coeficiente de arrastre debido a su pequeño tamaño, las antenas de radio que comúnmente sobresalen de la parte delantera del vehículo se pueden reubicar y cambiar de diseño para librar al coche de este arrastre adicional. El reemplazo más común de la antena de automóvil estándar es la antena de aleta de tiburón que se encuentra en la mayoría de los vehículos de alta eficiencia. [15]
Limpia parabrisas
El efecto que tienen los limpiaparabrisas en el flujo de aire de un vehículo varía de un vehículo a otro; sin embargo, a menudo se omiten en los vehículos de carreras y en los conceptos de alta eficiencia para mantener el menor coeficiente de arrastre posible. Una opción mucho más común es reemplazar los limpiaparabrisas con limpiaparabrisas de perfil más bajo, o solo quitar el limpiaparabrisas del lado del pasajero del vehículo, e incluso fabricar un deflector para desviar el aire hacia arriba y sobre los limpiaparabrisas. [dieciséis]
Otra alternativa es equipar el vehículo con un solo limpiaparabrisas colocado en el centro del parabrisas, lo que le permite cubrir ambos lados del parabrisas. Esto mitiga la cantidad de resistencia al disminuir el área frontal de la hoja. Si bien dicha aplicación puede ser útil para las carreras, para la mayoría de los vehículos de carretera esto produciría una mejora mínima en la reducción general de la resistencia.
Fabricación
La aplicación de nuevas piezas y conceptos en el diseño del vehículo es más fácil de incluir en la etapa de diseño de un vehículo, en lugar de en piezas de recambio (automotrices) ; sin embargo, la fabricación de estas piezas ayuda a racionalizar el vehículo y puede ayudar reducir en gran medida la resistencia del vehículo. La mayoría de los vehículos con coeficientes de resistencia muy bajos , como los autos de carrera y los autos conceptuales de alta eficiencia, aplican estas ideas a su diseño. [17]
Cubiertas de ruedas
Cuando el aire fluye alrededor de los huecos de las ruedas, es perturbado por las llantas de los vehículos y forma un área de turbulencia alrededor de la rueda. Para que el aire fluya más suavemente alrededor del hueco de la rueda, a menudo se aplican cubiertas de rueda lisas . Las cubiertas de rueda lisas son tapas de cubo sin agujeros para que pase el aire. Este diseño reduce la resistencia; sin embargo, puede hacer que los frenos se calienten más rápidamente porque las cubiertas impiden el flujo de aire alrededor del sistema de frenos. Como resultado, esta modificación se ve más comúnmente en vehículos de alta eficiencia que en autos deportivos o vehículos de carreras. [18]
Cortinas de aire
Las cortinas de aire desvían el flujo de aire de las ranuras del cuerpo y lo guían hacia los bordes exteriores de los huecos de las ruedas. [19] [20] [21]
Bloque de rejilla parcial
La rejilla delantera de un vehículo se utiliza para dirigir el aire a través del radiador. En un diseño aerodinámico, el aire fluye alrededor del vehículo en lugar de a través; sin embargo, la rejilla de un vehículo redirige el flujo de aire de alrededor del vehículo a través del vehículo, lo que luego aumenta la resistencia. Para reducir este impacto, a menudo se utiliza un bloque de rejilla. Un bloque de rejilla cubre una parte o la totalidad de la rejilla delantera de un vehículo. En la mayoría de los modelos de alta eficiencia o en vehículos con coeficientes de arrastre bajos , ya se incorporará una rejilla muy pequeña en el diseño del vehículo, eliminando la necesidad de un bloque de rejilla. La rejilla en la mayoría de los vehículos de producción generalmente está diseñada para maximizar el flujo de aire a través del radiador por donde sale al compartimiento del motor. Este diseño en realidad puede crear demasiado flujo de aire en el compartimiento del motor, evitando que se caliente de manera oportuna y, en tales casos, se usa un bloque de rejilla para aumentar el rendimiento del motor y reducir la resistencia del vehículo simultáneamente. [22] [ página necesaria ]
Debajo de la bandeja
La parte inferior de un vehículo a menudo atrapa aire en varios lugares y agrega turbulencias alrededor del vehículo. En la mayoría de los vehículos de carreras, esto se elimina cubriendo toda la parte inferior del vehículo en lo que se llama una bandeja inferior. Esta bandeja evita que el aire quede atrapado debajo del vehículo y reduce la resistencia. [18]
Faldas de guardabarros
Los faldones de los guardabarros se hacen a menudo como extensiones de los paneles de la carrocería de los vehículos y cubren todos los huecos de las ruedas. Al igual que las cubiertas lisas de las ruedas, esta modificación reduce la resistencia del vehículo al evitar que el aire quede atrapado en el hueco de la rueda y ayuda a optimizar la carrocería del vehículo. Los faldones de los guardabarros se encuentran más comúnmente en los huecos de las ruedas traseras de un vehículo porque los neumáticos no giran y el diseño es mucho más simple. Esto se ve comúnmente en vehículos como el Honda Insight de primera generación . Los faldones de los guardabarros delanteros tienen el mismo efecto en la reducción de la resistencia que los faldones de las ruedas traseras, pero deben estar más desplazados de la carrocería para compensar que la llanta sobresalga de la carrocería del vehículo cuando se hacen los giros. [18]
Parachoques delantero modificado
El parachoques delantero es la primera parte del vehículo por la que debe circular el aire. Por lo tanto, juega un papel crucial en la reducción de la resistencia. A menudo se usa una presa de aire frontal que se extiende desde la parte delantera del vehículo hasta la parte más baja del vehículo. Esto se hace para dirigir el flujo de aire alrededor y sobre el vehículo en lugar de permitir que el aire viaje debajo de él. Los deflectores contorneados, o espadas de llantas, a menudo se fabrican como parte del parachoques delantero para dirigir el flujo de aire alrededor de la llanta sin aumentar el flujo hacia afuera.
Colas de barco y Kammbacks
Una cola de bote puede reducir en gran medida la resistencia total de un vehículo. Las colas de barco crean una forma de lágrima que le dará al vehículo un perfil más aerodinámico, reduciendo la ocurrencia de la separación del flujo que induce el arrastre . [23] Un kammback es una cola de bote truncada. Se crea como una extensión de la parte trasera del vehículo, moviendo la parte trasera hacia atrás en un ligero ángulo hacia el parachoques del automóvil. Esto también puede reducir la resistencia, pero una cola de barco reduciría más la resistencia de los vehículos. No obstante, por razones prácticas y de estilo, un kammback se ve más comúnmente en carreras, vehículos de alta eficiencia y camiones. [24]
Coeficientes de arrastre típicos
El automóvil moderno promedio alcanza un coeficiente de resistencia aerodinámica de entre 0,25 y 0,3. Los SUV , con sus formas típicamente cuadradas, típicamente alcanzan un C d = 0.35–0.45. El coeficiente de arrastre de un vehículo se ve afectado por la forma de la carrocería del vehículo. Varias otras características afectan también al coeficiente de resistencia y se tienen en cuenta en estos ejemplos. Algunos autos deportivos tienen un coeficiente de resistencia sorprendentemente alto (como el Ariel Atom a 0.40), pero esto es para compensar la cantidad de sustentación que genera el vehículo, mientras que otros usan la aerodinámica a su favor para ganar velocidad y, como resultado, tienen mucho más bajo. coeficientes de arrastre.
A continuación se presentan algunos ejemplos de C d . Las cifras proporcionadas son generalmente para el modelo básico, que puede no estar disponible en algunos mercados. Algunos modelos de "alto rendimiento" pueden tener una mayor resistencia debido a neumáticos más anchos , spoilers adicionales y sistemas de enfriamiento más grandes, ya que muchos modelos básicos / de baja potencia tienen radiadores de la mitad del tamaño con el área restante en blanco para reducir la refrigeración y la resistencia del motor.
El C d de un vehículo determinado variará según el túnel de viento en el que se mida. Se han documentado variaciones de hasta el 5% [25] y las variaciones en la técnica de prueba y el análisis también pueden marcar la diferencia. Entonces, si el mismo vehículo con un coeficiente de arrastre de C d = 0.30 se midió en un túnel diferente, podría estar en cualquier lugar entre C d = 0.285 y C d = 0.315.
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Área de arrastre
Si bien los diseñadores prestan atención a la forma general del automóvil, también tienen en cuenta que reducir el área frontal de la forma ayuda a reducir la resistencia. El producto del coeficiente de arrastre y el área (área de arrastre) se representa como C d A (o C x A ), una multiplicación del valor de C d por área. El término área de arrastre se deriva de la aerodinámica , donde es el producto de un área de referencia (como el área de sección transversal, el área de superficie total o similar) y el coeficiente de arrastre. En 2003, la revista Car and Driver adoptó esta métrica como una forma más intuitiva de comparar la eficiencia aerodinámica de varios automóviles.
La fuerza necesaria para superar la resistencia es: Por lo tanto:Donde el coeficiente de arrastre y el área de referencia se han contraído en el término del área de arrastre. Esto permite la estimación directa de la fuerza de arrastre a una velocidad dada para cualquier vehículo para el que solo se conoce el área de arrastre y, por lo tanto, una comparación más fácil. Como el área de arrastre C d A es el valor fundamental que determina la potencia requerida para una velocidad de crucero dada, es un parámetro crítico para el consumo de combustible a una velocidad constante. Esta relación también permite una estimación de la nueva velocidad máxima de un automóvil con un motor sintonizado:
O la potencia requerida para una velocidad máxima objetivo:
Los automóviles de pasajeros de tamaño completo promedio tienen un área de arrastre de aproximadamente 8 pies cuadrados (0,74 m 2 ). Las áreas de resistencia reportadas varían desde el Honda Insight 1999 de 5,1 pies cuadrados (0,47 m 2 ) hasta el Hummer H2 2003 de 26,5 pies cuadrados (2,46 m 2 ). El área de arrastre de una bicicleta (y un ciclista) también está en el rango de 6,5 a 7,5 pies cuadrados (0,60 a 0,70 m 2 ). [230]
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Ver también
- Aerodinámica automotriz
- Arrastrar (física)
- Arrastre la ecuación
- Paul Jaray
Notas
- ^ Mercado norteamericano
- ^ 0.30 con extensor de rango
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p Mercado europeo
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enlaces externos
- 500 coeficientes de arrastre adicionales
- Mejora de la aerodinámica para aumentar la economía de combustible
- La Universidad de Tel Aviv reduce la resistencia de los camiones en un 10%
- Prueba de descenso simple para medir Cd y Crr para automóviles y bicicletas