8 oct. 2012

EL PESO, MALO PARA EL CONSUMO Y BUENO PARA LA SEGURIDAD II

...continuación post anterior.

¿Por qué los coches no son ligeros? Básicamente es un problema tecnológico. Los coches se fabrican igual que hace 50 años, es decir una estructura de chapa de acero soldada. Y si cada vez se añaden más cosas: más potencia, ruedas más grandes, mejores amortiguadores y frenos, mejores insonorizaciones, más airbags, estructura más resistente etc. aunque se utilicen aceros un poco mejores y se diseñe un poco mejor el chasis no hay manera de reducir el peso significativamente.

Para aligerar un chasis no hay que pensar mucho, simplemente hay que fijarse en la industria aeronáutica. El mejor metal para fabricar estructuras metálicas es el aluminio, el acero desapareció hace mucho tiempo de fuselajes y alas de los aviones. También desaparecieron hace muchas décadas las uniones soldadas. Únicamente en estructuras con temperaturas de trabajo elevadas (que no es el caso de la estructura de un coche) las aleaciones estructurales de aluminio no funcionan.
NOTA: como curiosidad para algunas piezas particulares el titanio y el magnesio es una alternativa interesante. También se sigue utilizando el acero en piezas muy cargadas. Pero el óptimo para casi la totalidad de la estructura es el aluminio. No existe ninguna aleación ligera (de uso comercial) alternativa a los tres metales mencionados: aluminio, magnesio y titanio.

Que yo recuerde el primer coche en serie de estructura totalmente en aluminio fue el Audi A8, pero este es un coche demasiado exclusivo. El primer coche popular fue posiblemente en Audi A2 que se empezó a fabricar en 1999 y se dejó de fabricar en 2005. El A2 pesaba relativamente poco 900Kg-1000Kg según modelo, y tenía los consumos más bajos de la época. Seguidamente presento los datos principales del modelo que menos consumía (se comercializó en España hasta principios de 2006):


Principales características:

Velocidad máxima 168km/h
Aceleración 0-100 km/h 14,9s
Consumo urbano 3,6l/100km
Consumo extraurbano 2,7l/100km
Consumo medio 3,0l/100km
Largo / ancho / alto (mm) 3826/1673/1553
Coeficiente Cx / Superficie frontal 0,25 / 2,18m2
Peso 930Kg
Combustible Gasóleo
Deposito 21litros
Potencia máxima / régimen 61CV - 45KW / 4000rpm
Par máximo/régimen 140Nm / 1800-2400rpm
Número de cilindros 3 - En línea
Material del bloque / culata Aluminio / Aluminio
Cilindrada (cm3) 1191
Distribución 2 válvulas por cilindro.
Un árbol de levas en la culata
Alimentación Inyección directa
Turbo Geometría variable.
Intercooler
Caja de cambios Automático,
5 velocidades
Neumáticos 145/80 R14

Este es un coche que incorpora casi todo lo que se espera hoy en día. A destacar:
  • Una aerodinámica increíble para un coche tan corto. A parte de cuidar la aerodinámica (tenía algunas pequeñas modificaciones respecto al A2 normal) tenía un truco: ruedas exageradamente estrechas. De hecho, unas ruedas de 145 me parecen peligrosamente estrechas. No he sido capaz de encontrar mediciones de distancia de frenado, pero si he encontrado pruebas en las que se quejan que el coche es inestable y frena poco. Me parece más lógico las ruedas que montaba el coche normal de 175. Pero el A2 normal tenía un Cx de 0,28.
  • Un depósito minúsculo para ahorrar peso y reducir el volumen.
  • Bloque y culata en aluminio.
  • Cambio automático revolucionario que entre otras cosas utiliza el punto muerto al levantar el pie del acelerador. El cambio de marchas tenía sólo 5 marchas, pero la 5ª era larga para un coche de 61CV (50,5Km/h×1000rpm).
    NOTA: el desarrollo en 5ª es un 15% más largo que el desarrollo ideal para conseguir la máxima velocidad máxima. Sin embargo, en un coche con tan poca potencia el efecto es moderado. La velocidad máxima que se podría obtener con este motor es unos 175Km/h, con el desarrollo que se vendía se perdían aproximadamente 7Km/h
  • Sistema de parada del motor, muy novedoso en su época.
  • Motor de 3 cilindros.
Como se puede ver, la capacidad de aceleración era justa para carretera, y más teniendo en cuenta el precio. Creo que Audi se obsesionó demasiado en hacer un coche con un consumo record. En mi opinión está coche necesita un cambio de 6 marchas y 15CV más para acelerar un poco más. Este aumento de potencia se habrían conseguido con 4 válvulas por cilindro y un rediseño del motor (y el consumo incluso habría mejorado). En estos momentos el motor de WV Polo de 1,2litros alcanza 75CV, y como era de esperar tiene 4 válvulas por cilindro.

En la actualidad el coche asequible que menos consume es el KIA Rio 3p 1.1 CRDi WGT Basic Eco-Dynamics:


Principales características:

Velocidad máxima 160km/h
Aceleración 0-100 km/h 15,5s
Consumo urbano 3,5l/100km1
Consumo extraurbano 3,0l/100km1
Consumo medio 3,2l/100km1
Largo / ancho / alto (mm) 4045/1720/1455
Peso en vacío 1150Kg
NOTA 1: no he sido capaz de confirmar si los consumos del A2 fueron homologados según Euro V. Tal vez se usó la normativa anterior alemana, si ese es el caso, los consumos del A2 y el Rio probablemente no son totalmente comparables.

El motor tiene 4 válvulas por cilindro, por eso con 1,1 litros de cilindrada alcanza 75CV, pero no va más que el A2, y seguro que consume bastante más en autopista ya que no es tan aerodinámico y tiene mucha más rueda (185). Al menos tiene 6 marchas. Me parece más equilibrado que el Audi A2, porque cuesta casi la mitad 6 años después, y sólo consumo un poco más.

Respecto a seguridad el A2 tenía 4 estrellas EuroNCAP, y el Kia Rio tiene 5. Supongo que si ahora Audi fabricara de nuevo el A2 también conseguiría 5 estrellas.

Con el ejemplo mostrado ya se ve uno de los problemas. El mercado no está interesado en un coche de aluminio.  Reduce el consumo, absorbe más energía en caso de impacto, tiene menos problemas de corrosión, pero por encima de todo es más caro. Tal vez el comprador de un Audi A8, un Range Rover o un Porsche esté dispuesto a pagar ese sobrecoste, pero el comprador de un coche económico parece que no está dispuesto, y la prueba es que el A2 se dejó de fabricar, y nadie ha cogido el testigo de coches a precio razonable en aluminio. A fin de cuentas, si el consumo real de un coche pequeño bien hecho es de 4,5l/100Km, y el usuario medio le hace 150.000Km, entonces un ahorro del 15% asumiendo un precio del gasoil por lo alto de 1,65euros/litro sólo supone 4,5×15%×1,65×150.000/100 = 1700€, es decir muy poco para el sobrecoste de un coche de aluminio.

En realidad el aluminio solo se ha impuesto en dos piezas pesadas del coche: en las culatas y en las llantas. Precisamente la llanta es la pieza más sensible al peso, en una rueda de perfil bajo cada kilo de llanta "pesa" casi el doble que cada quilo de masa no giratoria.

Si el precio de la energía ha de subir mucho para que el coche de aluminio sea competitivo; tiene mucho menos sentido dar el siguiente paso, que es el de los materiales compuestos. Contrariamente a lo que la gente suele pensar, aligerar una estructura de aluminio bien diseñada es extraordinariamente caro. Aunque los materiales compuestos con buenas propiedades mecánicas se empezaron a introducir en los 60, han tenido que pasar 50 años para que se fabricara el primer fuselaje de un avión comercial de fibra de carbono (Boeing 787), y os garantizo dos cosas: el ahorro de peso es menor, y el sobrecoste grande. O dicho más claramente, la estructura de un coche convencional se puede aligerar más (proporcionalmente) pasando al aluminio, y mejorando los detalles (aleaciones mejores, eliminando soldaduras, aumentando complejidad de las piezas y las uniones…), que pasando del aluminio al carbono. Y el salto del aluminio al carbono es mucho más caro que el salto del acero al aluminio. No esperéis ver coches de carbono a precios razonables en muchos años, si es que alguna vez tienen un precio competitivo.

Datos obtenidos en Km77.

Continuara…

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