25 ago. 2012

LA RESISTENCIA DE RODADURA EL ENEMIGO NÚMERO CUATRO DEL CONSUMO

Empecemos aclarando a que nos referimos por resistencia de rodadura.

Sin complicarnos mucho podemos decir que hay dos resistencias de rodadura: la resistencia de rodadura (pura) del neumático, correspondiente al rozamiento del neumático con el suelo.

La resistencia de rodadura total: todas las resistencias desde el embrague al suelo. Es decir correspondiente a la resistencia anterior más el diferencial/transmisión, y los diversos cojinetes/articulaciones que tiene la transmisión y tal vez un pequeño rozamiento con los frenos.

Yo siempre me voy a referir a la segunda resistencia por dos motivos: primero es la que podemos estimar en nuestro coche, segundo es la que tenemos que vencer para poder avanzar. No obstante, la mayor parte de la resistencia de rodadura total es causada por la resistencia de rodadura del neumático.

¿Cómo se calcula la resistencia de rodadura?
Normalmente siempre se adimensionaliza con el peso del vehículo:

Fr = Cr×M×g

Donde:
M es la masa del coche. Hay que tener en cuenta toda la masa. Hay mucha diferencia entre el peso que aparece en el catálogo del coche y el peso con todos los ocupantes y el equipaje.

g es la aceleración gravitatoria (9,81m/s2)

Cr es un coeficiente adimensional que variará típicamente entre 0,006 (0,6%) y 0,015 (1,5%) si circulamos por una carretera seca. Si nos tenemos que quedar con un valor conservador, podemos utilizar 0,012.

Ejemplo si tenemos un coche de 1500Kg y un coeficiente de rozamiento de 0,0125 la resistencia de rodadura será:

Fr = 0,0125×1500×9,81 = 184N

Es decir en llano, en una plaza de aparcamiento con un firme bueno (hormigón, cemente, asfalto regular…) una persona es capaz de mover el coche empujando. De hecho con esfuerzo una persona es capaz de mover un coche de 2500Kg.

¿Esto es mucha o poca resistencia?

Pues es mucha comparada con otros medios de transporte. Unos datos:

Cr 0,0003 a 0,0004 resistencia de rodadura pura de una rueda de tren

Cr 0,0053 bicicleta de carrera

Un camión se mueve en la zona más bajo del rango indicado para coches.

Como podéis ver las ruedas de caucho son las principales responsables. Ya que la rueda de un tren tiene un comportamiento casi completamente elástico, mientras que la rueda de un coche tiene un comportamiento viscoelástico. Es decir los tacos de la banda de rodadura, incluso los flancos de la rueda sufren cierta histéresis en las deformaciones que sufren continuamente según gira la rueda. Esta histéresis es la responsable de disipar energía, y por tanto generar resistencia.

¿De qué depende Cr?

Pues desgraciadamente depende de una larga lista de factores difíciles de cuantificar. Listo algunos de ellos:

La carga de cada rueda
Cuanto más peso tiene que soportar la rueda mejor es la resistencia de rodadura. Por eso los camiones o un ciclista tienen menor resistencia de rodadura. Por eso en general cuanto más pesado sea un coche menor es el Cr. Veamos un ejemplo:

Vehículo Masa Ancho de rueda
Coche muy ligero 1000Kg 155mm
Coche ligero: 1300Kg 185mm
Coche mediano: 1600Kg 205mm
Coche pesado: 1900Kg 225mm
Ciclista: 100Kg 20mm

Fijaros como he supuesto un ancho de rueda generoso para los coches pesados, y más bien estrecho en los coches ligeros. Resulta sin embargo que los coches más pesados tienen más carga por mm de rueda:

Vehículo Masa/ancho rueda
Coche muy ligero: 1,61Kg/mm
Coche ligero: 1,76Kg/mm
Coche mediano: 1,95Kg/mm
Coche pesado: 2,11Kg/mm
Ciclista: 2,50Kg/mm

Como era de esperar la rueda de un ciclista tiene una elevada carga por ancho de rueda. El caso extremo lo tenemos en un camión. La carga máxima por eje típicamente es 10.000Kg (quien tenga curiosidad que se vea la reglamentación para España en la DGT). Supongamos una carga muy elevada 9.000Kg y únicamente dos ruedas del máximo ancho típico 385mm. Nos da una carga de 11,7Kg/mm.

La presión de inflado
A más presión de inflado menor resistencia de rodadura. Por eso os recomiendo que utilicéis la máxima presión razonable. De esta manera a parte de gastar menos combustible hay menos riesgo de reventón.
NOTA: ya sea porque la rueda tenga una pequeña pérdida, porque puntualmente lleves el coche muy cargado, o por que circules a velocidad elevadas; en cualquiera de estos tres casos es conveniente una presión de inflado elevada para reducir el riesgo de reventón del neumático.

¿Cuál es la máxima presión razonable? Para mí es muy fácil, la máxima que recomienda el fabricante del coche. Meter más presión me parece irresponsable. No obstante, si metes más presión asegúrate al menos que la distancia de frenado sea buena realizando una frenada real.

Por ejemplo para asfalto seco una buena distancia de frenado (de 120Km/h a 0Km/h) es menos de 60m. Para tener una buena distancia de frenado no necesitas un coche caro, sólo necesitas unos buenos neumáticos y unos frenos y amortiguadores en buen estado. Un ejemplo: En una prueba de un Seat Ibiza la distancia de frenado fue tan solo 52m.
NOTA: lo dicho sólo es cierto a velocidades normales. Si circulas muy rápido los frenos pueden no estar dimensionados para bloquear las ruedas y la distancia se incrementa. A velocidades normales, los frenos no tienen ningún problema en bloquear las ruedas, y entra el ABS, una vez entra el ABS será típicamente la rueda la que marcará la diferencia.

Si no quieres realizar una frenada tan fuerte puedes utilizar la siguiente regla “del dedo gordo”, que no es más que suponer una relación cuadrática en las distancias de frenado (debido a que como vimos en el anterior post la energía cinética a disipar es proporcional al cuadrado de la velocidad).

Velocidad Distancia de frenado máxima
admisible en seco
Distancia de frenado
deseable en seco
120Km/h 60m 55m
100Km/h 42m 38m
80Km/h 27m 24m
60Km/h 15m 14m

Por algún sitio podéis leer que cuando se circula con una presión de inflado excesiva las ruedas se desgastan únicamente por el centro de la banda de rodadura. Si sigues mi recomendación anterior de mantener una buena distancia de frenado no creo que se pueda llegar a un caso tan extremo (aunque tampoco hay que alarmarse si la rueda se desgasta ligeramente más por el centro, o por los lados).
NOTA: como curiosidad, si circulas por arena hay que reducir la presión para reducir la resistencia de rodadura. Esto lo podéis comprobar vosotros mismos con una bicicleta por la playa.

El firme
La resistencia de rodadura será mínima en hormigón y cemento. Algo mayor en asfalto. Alta en caminos de tierra y enorme en arena.

Cuanto más rugosa y bacheada sea la carretera peor.

En firmes resbaladizos la resistencia de rodadura es mayor. La mejor forma de entenderlo es probar tú mismo con una bicicleta. Cuando pedaleas por una carretera encharcada, y ya no digamos por nieve o barro, cuesta más avanzar. El motivo es que el deslizamiento del neumático se dispara. Cuando circulas por un buen firme cada vuelta (casi) del neumático se transforma en avance, cuando circulas por una carretera encharcada tienes un pequeño deslizamiento (especialmente en las ruedas tractoras) que aumenta la resistencia de rodadura.

Existe un par límite, que es muy bajo por ejemplo en una carretera helada o con nieve, a partir del cual el deslizamiento del neumático se dispara. En cuanto hay un deslizamiento importante la resistencia de rodadura se dispara.

Otro efecto que se comprende rápidamente es el spray de agua que se levanta al circular por firme encharcado. Ese spray es un trabajo tirado a la basura, ya que acelerar chorros de agua en nada ayuda a impulsar el coche. Este efecto es más significativo circulando a alta velocidad.

En resumen agua, hielo y nieve aumentan la resistencia de rodadura.

La geometría, material y fabricación de la rueda
Cuanto más taqueada sea la rueda en general peor. Como hemos comentado el caucho de una rueda tiene un comportamiento viscoelástico. Un taco de gran espesor no hace más que agudizar el problema.

La construcción de la rueda también es importante. Cuanto más elástica sea tanto en la dirección axial como en la dirección transversal a la marcha menos energía se perderá al circular. Ojo, por que la rueda no sólo es caucho. Hay una armadura (ya sea metálica o textil) que tiene que reducir todo lo posible el comportamiento viscoelástico.

Finalmente tenemos el material de la banda de rodadura. Lo importante es que el material tenga el mínimo comportamiento viscoelástico, para ello se añaden aditivos al componente base, que hasta donde yo sé, siempre es caucho (ya sea natural o sintético) vulcanizado. Los aditivos frecuentes son negro de carbón también conocido por negro de humo (pequeñas partículas de carbono) y sílice (pequeñas partículas de óxido de silicio).

El objetivo de una buena rueda de bajo consumo es que la resistencia de rodadura sea baja, pero sin perjudicar apreciablemente la distancia de frenado y el agarre del coche. Las ruedas de bajo consumo no pueden tener prestaciones extremas (no parece posible Cr bajo y elevado agarre), ya que ni los tacos profundos necesarios para firme deslizante, ni las gomas blandas necesarias para firme seco se llevan bien con una baja resistencia de rodadura. Sí que es posible encontrar ruedas con prestaciones normales y bajo coeficiente de rodadura.

Os recomiendo que os guieis por ensayos independientes para elegir vuestra próxima rueda, y no por el buen nombre del fabricante, o la publicidad.

¿Cuánto reduciremos el consumo comprando una buena rueda de bajo consumo? Pues la realidad es que muy poco, según diversos estudios en coches reales entre un 1% y un 2%.
NOTA: veréis estudios y publicidad en la que se consiguen ahorros mayores. Desgraciadamente no son realistas. O bien comparan una rueda con una resistencia de rodadura muy mala (por ejemplo de diferentes anchos), o bien no tienen en cuenta que aunque la resistencia de rodadura sea muy diferente al instalar la rueda de bajo consumo, esa diferencia se reduce al final de la vida de la rueda.

Es decir, si tenemos un consumo medio de 6l/100Km, las ruedas nos duran 45.000Km y ahorramos un 2%, entonces nos habremos ahorrado 54litros. Del orden de un depósito de combustible. No es gran cosas, especialmente si tenemos en cuenta que contrariamente a lo que parece una rueda de bajo consumo no tiene porque durar más kilómetros.

El par transmitido al suelo y la velocidad
Para entender este efecto veamos dos condiciones extremas:
  • Circulamos a muy baja velocidad sin ninguna marcha engranada. El coche se frena lentamente, las cuatro ruedas trabajan casi igual, y son digamos muy circulares.
  • Circulamos por autopista a muy alta velocidad: tenemos normalmente dos ruedas sin tracción girando con un bajo par, pero tenemos dos ruedas transmitiendo un enorme par al suelo para vencer la resistencia aerodinámica. Las ruedas tractoras a la fuerza se van a deformar y van a deslizar más. Y esto aumenta la resistencia de rodadura.
Otras dos muestras de este efecto que podéis comprobar vosotros mismos: cuando se circula muy rápido las ruedas se calientan más y se desgastan más aprisa.

En resumen el coeficiente de rozamiento es mayor cuando se transmite mucho par al suelo y cuando se circula muy rápido.

Cuando el par transmitido es extremo entonces tenemos la famosa “chillada de rueda” que dispara la resistencia de rodadura (en un coche de una potencia normal y un firme adherente, sólo se puede alcanzar este par a baja velocidad, es decir al salir de un semáforo o un stop).

Las curvas
Cuando circulas en curva tienes tres efectos que perjudican a la resistencia de rodadura:
  • El diferencial tiene que funcionar. Es decir la rueda exterior gira más rápido que la rueda interior, y esto aumenta el rozamiento.
  • La fuerza centrífuga sobre el coche afecta notablemente a los neumáticos. La carga de las ruedas es muy desigual. (Las ruedas del interior tienen menos carga, las ruedas exteriores tienen más carga).
  • La fuerza centrífuga también introduce cargas de rozamiento trasversales en los neumáticos. Esto forzosamente deforma el neumático.
De nuevo este efecto lo podéis comprobar vosotros mismos en cualquier premio de fórmula 1. Para calentar los neumáticos los pilotos circulan haciendo eses, esto aumenta la resistencia de rodadura.

Si se toman las curvas a tope, es decir en los coches de toda la vida “chillando rueda”, o en la versión más moderna con el control de estabilidad frenan alguna rueda, la resistencia de rodadura será enorme.

En cambio si tomas una curva amplia a una velocidad moderada (apenas notas la fuerza centrífuga) el efecto será pequeño.

El desgaste de la rueda
La banda de rodadura es aprox. 1/4 del peso de la rueda. Y casi 2/3 de esta banda desaparecen con el uso.

Está comprobado que la resistencia de rodadura se reduce aprox. Un 25% o 20% (según fuentes) al final de la vida del neumático. Esto es razonable ya que desaparece el material que origina la resistencia de rodadura. Además según pasa el tiempo la rueda se vuelve más rígida y quebradiza. Es lo que se conoce técnicamente como envejecimiento físico (phisical aging). Popularmente se dice que la rueda se cristaliza.

Luego resulta que se reduce mucho más la resistencia con unos neumáticos gastados, que cambiando a unos neumáticos de baja resistencia de rodadura.

Sin embargo, apurar el límite legal de 1,6mm me parece temerario. La rueda no será capaz de evacuar el agua correctamente si circulas por una carretera encharcada. Te recomiendo que las cambies entre 2mm y 3mm de dibujo, que cada uno elija hasta que profundidad está dispuesto a apurar.
NOTA: las ruedas para nieve tienen unos testigos a mucha más altura que también hay que respetar si quieres que funcionen en nieve y hielo. Es decir se requiere un dibujo mucho más profundo para que agarre la rueda.

También me parece temerario circular con neumáticos que tienen muchos años (especialmente más de 10 años, aunque según los fabricantes caducan mucho antes). Como he comentado aunque la resistencia de rodadura sea menor el caucho es más quebradizo y el agarre menor. Por tanto es más inseguro.

Si eres de los que aguantan las ruedas para reducir gastos, te recomiendo que lo pienses dos veces. Circulando con lluvia, tanto la distancia de frenado como la velocidad de aquaplaning empeoran apreciablemente. Como última opción, es mejor una rueda económica en buen estado que una rueda cara muy gastada.

Finalmente, para un coche normal de tracción delantera, hay que montar siempre el neumático con más dibujo detrás, para evitar que si se produce aquaplaning en una curva tengamos sobreviraje. Esto os lo corroborarán en cualquier taller especializado. Además, montar la nueva rueda detrás acelera el desgaste de las ruedas más gastadas, por lo que habrá que cambiarlas antes, y evitaremos que las ruedas del eje trasero envejezcan demasiado (el desgaste es mayor en el eje tractor).

La temperatura
Hay un pequeño efecto de la temperatura en la resistencia de rodadura, a las temperaturas a las que trabaja un neumático a más caliente menor resistencia. Sin embargo, para un coche que no tiene control activo de presión, parece que la reducción viene principalmente por que la presión del neumático aumenta. Por tanto, el aumento de temperatura que se produce cuando circulamos a alta velocidad ayuda a mejorar el coeficiente de rodadura, pero no lo suficiente para compensar otros efectos.


Resumen final:
  • Si no circulas por firme deslizante, ni por caminos o pistas de tierra, la resistencia de rodadura vendrá determinada mayoritariamente por la masa del vehículo, siendo el siguiente factor más importante las ruedas (los parámetros principales son: modelo de neumático, desgaste y presión de inflado).
  • Como regla general cuanto más despacio conduzcas y cuanto más suave conduzcas menor será la resistencia de rodadura.
  • De todo lo explicado se deduce que cuanto más fina es la rueda que montes menor es la resistencia de rodadura. Mi recomendación es que montes la rueda más fina razonable. Es decir, la más fina para la que el coche está homologado, siempre que la distancia de frenado y la estabilidad sean buenas.
    NOTA: veo difícil que un fabricante homologue ruedas tan finas que perjudiquen apreciablemente estabilidad y distancia de frenado, pero puedes consultar las pruebas que realizan revistas y webs especializadas.
    Un ejemplo es ruedas en el eje trasero muy gruesas. Para un mismo modelo, en función de la versión el ancho puede oscilar (en un mismo eje) entre 205mm y 255mm. Esto es típico en coches con tracción trasera y mucha potencia. Una rueda de 255mm en el eje trasero de un coche con motor delantero te ayudarán poco a mejorar la distancia de frenado. Normalmente el exceso de rueda sólo es apreciable al acelerar de 0Km/h a 50Km/h, pero como vimos en el anterior post se puede acelerar muchísimo simplemente con ruedas de 225mm.
    NOTA: una rueda más ancha también mejora la estabilidad, pero hay un término medio entre 205 y 255. Estoy seguro que con un buen piloto un coche deportivo puede tomar curvas muy muy rápido con ruedas de 225mm.
  • No hay que obsesionarse por montar la rueda de más bajo consumo. Como ya he explicado el ahorro es pequeño. Sí que hay que vigilar que la rueda que montamos tenga una resistencia de rodadura razonablemente baja, ya que una rueda con alta resistencia de rodadura sí que supone un incremento del consumo más importante.
  • Una llanta de mucho diámetro es beneficiosa para la resistencia de rodadura, ya que tenemos menos neumático (en comparación con el diámetro de la rueda). Pero ojo a las ruedas con códigos de velocidad muy elevados (V, ZR, W y Y). Es frecuente que tengas coeficientes de rodadura anormalmente altos, aunque hay excepciones. Supongo que será debido a que estas ruedas son típicamente blandas (además duran pocos kilómetros, luego nos salen doblemente caras).
  • Como ya he comentado, ojo a la resistencia de rodadura en las ruedas con tacos muy profundos. Además estas ruedas se montan en todoterremos, que suelen ser vehículos muy pesados, en los que es más importante reducir al máximo la resistencia de rodadura.
  • No te preocupes si el consumo aumenta muy ligeramente al montar ruedas nuevas de bajo consumo. Esto es debido a 3 factores:
    • Con ruedas muy gastadas la resistencia de rodadura es mínima.
    • Con ruedas muy gastadas el diámetro de la rueda es un poco menor, luego circulas un poco más despacio que con una rueda nueva, mejorando el consumo. (Ya que cada vuelta de la rueda avanzas un poco menos).
    • Por el mismo motivo, con ruedas muy gastadas haces menos Kilómetros que lo que indica el odómetro del coche, lo que también reduce (sólo aparentemente) el consumo.
  • Una obviedad; el mantenimiento incorrecto: presión baja, ruedas mal alineadas y ruedas mal equilibradas pueden aumentar muy significativamente la resistencia de rodadura. Aunque tampoco hay que ser un obseso de chequear la presión. Para que la resistencia se dispare hay que llevar la rueda muy por debajo de la presión adecuada.

El siguiente post tratará sobre como modelar la resistencia de rodadura.

1 comentario:

  1. Muy interesante el tema de la eficiencia..... saludos amigo

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