DINÁMICA DEL VEHÍCULO - Definición - Significado

Es el estudio del movimiento del automóvil y de las fuerzas que lo determinan. El vehículo es un cuerpo sujeto a las leyes de la mecánica, pero su configuración es tal que determina un comportamiento característico y peculiar.

El movimiento de un coche está determinado por las reacciones (fuerzas) que se le aplican del exterior. Éstas son de 2 tipos, en cuanto el contacto con el exterior es doble: con el aire y con el terreno; por esto se habla de fuerzas aerodinámicas y de fuerzas de adherencia rueda-terreno. Cada una de estas fuerzas consta de varias componentes; por ejemplo, para la fuerza de adherencia se pueden distinguir la componente longitudinal y la transversal al automóvil.

A continuación se analizarán algunos ejemplos de movimiento simple del vehículo, para ver en cada caso las fuerzas necesarias para el movimiento y cómo son generadas. El movimiento que el coche en general podría cumplir es siempre una superposición de tales movimientos simples:

- movimiento rectilíneo a velocidad constante;

- movimiento rectilíneo en aceleración o en frenado;

- movimiento en curva a velocidad constante;

- entrada en curva (transición del movimiento rectilíneo al movimiento en una curva).

Movimiento rectilíneo a velocidad constante - Un vehículo circula en línea recta a una cierta velocidad, prescindiendo de la resistencia de rodadura, esta sujeto a algunas fuerzas aerodinámicas, entre las cuales la más importante está orientada según el movimiento del vehículo y es la resistencia aerodinámica A. Para vencer tal fuerza aerodinámica el piloto debe conseguir, a través del acelerador, que el motor suministre un par C que corresponda sobre la calzada a una fuerza T igual a la resistencia; aparte de los rendimientos, se debe cumplir- C = zc zpAr, siendo: TC = relación de transmisión al cambio; xp = relación de transmisión al puente; r = radio de rodadura de la rueda.

El conductor puede obtener este equilibrio en distintas marchas, o sea para diversos valores de la relación de transmisión al cambio TC; en consecuencia, varía el par C que el motor debe suministrar (según la posición de la mariposa), así como la velocidad de rotación del motor (en realidad, independientemente de los rendimientos, la potencia es siempre la misma). Por ejemplo, con una marcha más corta (segunda en lugar de cuarta) el motor debe estar más parcializado, pero funciona a un régimen más elevado. La elección de una marcha u otra se deja al conductor, en el sentido de que se buscan elevadas prestaciones y es conveniente usar marchas cortas (para tener a disposición mayores pares); en cambio, si se buscan consumos bajos, convendrá usar marchas largas (puesto que con el motor más acelerado el rendimiento es mejor).

Conviene puntualizar que la resistencia A crece con el cuadrado de la velocidad(/4 = kv*), por lo que, aprovechando las variaciones del rendimiento del motor para recorrer un cierto espacio s, conviene siempre viajar a velocidad baja. En efecto, el tiempo t para recorrer un espacio s a una velocidad v es s/v, y la potencia P es Av; el trabajo necesario resulta, por tanto: L=Pt =Avt = kv2 = ^-=

Como se ve, el trabajo L crece con el cuadrado de la velocidad; por tanto, el consumo de carburante es, aparte de los rendimientos, proporcional al trabajo.

Movimiento rectilíneo en las aceleraciones o en los frenados - Cuando en una recta se quiere variar la velocidad, es necesario que se generen fuerzas externas directas como las aceleraciones que se quieren producir, o sea longitudinales al vehículo. Se puede decir que son necesarias fuerzas externas para vencer las fuerzas de inercia. También en este caso el conductor debe producir tales fuerzas en al plano del terreno, confiando en la adherencia; exactamente igual que un hombre cuando camina y pone en acción fuerzas internas musculares hasta provocar, por parte del suelo, reacciones externas de adherencia (si el coeficiente de rozamiento es casi nulo, por ejemplo sobre el hielo, una persona no puede avanzar). Si el piloto quiere acelerar, debe aumentar el par C suministrado por el motor, apretando más el acelerador.

Movimiento en las curvas a velocidad constante - En una curva, un vehículo que circula a velocidad constante está sujeto a una fuerza centrífuga, o sea transversal al vehículo, que debe ser equilibrada por las fuerzas transversales de adherencia. Como ya se sabe, un neumático sometido a una fuerza transversal sufre una deformación, de modo que forma un ángulo (ángulo de deriva) entre la velocidad resultante y el plano medio del neumático. Este ángulo es tanto más pequeño cuanto más rígido sea transversalmente el neumático y cuanto mayor la fuerza vertical. Por tanto, disminuye si se aumenta la presión de los neumáticos o si se carga más el vehículo.

Del ángulo de deriva depende que el comportamiento característico del vehículo sea como normalmente es conocido, subvirador o sobrevirador. El ángulo de giro necesario para tomar una curva de radio dado varía de un vehículo a otro y para un mismo vehículo según sea la velocidad (se entiende por ángulo de giro el que corresponde a las ruedas; el del volante es directamente proporcional a éste).

Determinando la relación existente entre el ángulo de giro <5, el radio de curvatura R de la trayectoria y el paso í del vehículo, en función de la deriva delantera ex, y el de la deriva trasera Í2, resulta: I 180° ..n = -=?+ (a,-o(2)

Cuando los ángulos de deriva son iguales, el ángulo de giro vale IIR y depende sólo de los parámetros geométricos; en tal caso se dice que el vehículo es neutro.

Cuando la deriva delantera es mayor que la trasera, el ángulo de giro requerido para tomar una curva de radio conocido es mayor que el que sería necesario para un vehículo neutro, y el coche se dice que es subvirador.

Inversamente sucede en el caso contrario (vehículo sobrevirador). Basta pensar en cómo los ángulos de deriva son generados para darse cuenta de que, para el mismo R, la diferencia entre la deriva delantera y la trasera aumenta en valor absoluto al incrementar la velocidad, con lo cual el valor del ángulo de giro se aleja cada vez más del correspondiente al vehículo neutro. Aumentando la velocidad a radio constante, la aceleración en las curvas se hace mayor, por lo que habrá que incrementar proporcionalmente las reacciones transversales de los neumáticos y en consecuencia los ángulos de deriva. Por tales razones existe una relación precisa, pero compleja, entre una curva de radio dado, la forma en que es recorrida y el ángulo de giro que el conductor debe tomar.

Se deja a la sensibilidad, habilidad y capacidad de aprendizaje del conductor el estimar esta correlación; es función del fabricante procurar que para las distintas situaciones que se puedan presentar, el grado subvirador adopte valores óptimos y no demasiado variables. En general los vehículos presentan un subviraje notable, al objeto de conferir a los automóviles un grado suficiente de estabilidad; efectivamente, a medida que aumenta el sobreviraje disminuyen los ángulos de giro necesarios, hasta convertirse en muy pequeños, y ésta es una situación de inestabilidad. Por otra parte, un sobreviraje excesivo disminuye la manejabilidad, por los mayores ángulo de giro necesarios.

A continuación se indica cómo puede influirse en el grado de subviraje o sobreviraje de un vehículo, que, como se ha visto, depende de la diferencia de los ángulos de ¿eriva. Algunas de las causas principales son:

- Los neumáticos delanteros pueden ser distintos de los traseros. En general esto sólo se cumple en los coches de competición; en los vehículos de serie se usan casi siempre neumáticos iguales, si bien con presiones distintas para los 2 ejes, en la misma proporción de las cargas que actúan sobre cada uno de olios. Inflar más los neumáticos traseros significa tener ángulos de deriva delanteros mayores que los posteriores y, por consiguiente, conduce a un comportamiento subvirador del automóvil.

- Los neumáticos de los 2 ejes pueden trabajar en condiciones distintas. Por ejemplo, en las curvas la fuerza centrífuga es aplicada al baricentro del vehículo, que se encuentra a una cierta altura del terreno; esto ocasiona un par de vuelco que da lugar a una transferencia de cargas de las ruedas internas a las externas. Como secuencia del carácter no lineal de la ley de la fuerza lateral de un neumático en función del ángulo de deriva, un eje que transfiera mucha carga, para suministrar una determinada fuerza lateral, necesita un ángulo de deriva mayor. Esto obliga a que para tener un comportamiento subvira-dor conviene repartir esta transferencia total dando preferencia a la parte delantera.

- Efecto del tipo de propulsión. Cuando se aplican las fuerzas longitudinales para la marcha a velocidad constante y todavía más al acelerar, es empleada longitudinalmente una parte de la adherencia total. En tales situaciones los ángulos de deriva que el tren propulsor sufre para suministrar la componente asignada de fuerza centrífuga, aumentan: ello supone un efecto subvirador para los vehículos de tracción delantera y sobrevira-dor para los de propulsión trasera. Pero simultáneamente a las aplicaciones de la propulsión tiene lugar una transferencia de cargas verticales desde el eje delantero al eje trasero cualquiera que sea la tracción y, por consiguiente, un efecto subvirador. En definitiva se tienen: 2 efectos subviradores para la propulsión delantera; uno subvirador y otro sobrevirador, para la trasera (para las propulsiones elevadas se produce el segundo efecto, llamado de potencia). Por consiguiente, queda claro el comportamiento de un vehículo en las curvas, bajo la aplicación de pares en el caso de propulsión delantera o trasera.

En ambos casos los constructores intentan optimizar, en los límites permitidos, el comportamiento del vehículo actuando en consecuencia. Para disminuir, por ejemplo, el excesivo efecto subvirador de los coches de propulsión delantera se aumenta la presión de los neumáticos anteriores, transfiriéndose menos carga en las curvas a la rueda delantera externa, mediante una *barra antibalanceo montada posteriormente. Sin embargo, debe aumentarse el porcentaje de carga estática sobre el eje delantero mediante el avance del baricentro.

Se han reseñado sólo las causas más comunes que pueden influir en el comportamiento subvirador y sobrevirador de un vehículo; éstas son muy numerosas y variables (basta pensar en las posiciones que adopta el baricentro según el número de pasajeros).

Entrada en curva - Cuando se quiere pasar de una recta o una curva, el conductor toma un ángulo de giro que iniciaimente viene a ser el ángulo de deriva para las ruedas virado-ras. Esto provoca una fuerza transversal y un momento respecto al baricentro: el vehículo empezará a rodar partiendo de velocidad angular nula. Paralelamente, la aceleración transversal al coche aumenta de cero al valor final que corresponde al ángulo de giro asignado, y el automóvil toma una trayectoria circular.

Es interesante destacar que el vehículo no asume instantáneamente los valores finales, sino que sigue al mando de dirección con cierto retraso.

A las cualidades de estabilidad y manio-brabilidad que se han reseñado a propósito del efecto subvirador o sobrevirador, hay que añadir otra característica que el automóvil debe tener: la rapidez de respuesta de la dirección. Se puede demostrar que los factores que más influyen en tal rapidez son la rigidez de deriva de los neumáticos y, a igualdad de paso, el momento de inercia respecto a un eje baricéntrico vertical. Se tienen vehículos tanto más rápidos cuanto más rígidos son los neumáticos (mayor pendiente en el diagrama de la fuerza lateral en función del ángulo de deriva) y cuanto menor es el momento de inercia arriba indicado. A iguales momentos de inercia la rapidez aumenta al incrementar el paso. Una de las ventajas de los automóviles con motor central es el tener un pequeño valor para el momento de inercia baricéntrica.