Círculo de adherencia

El automóvil se desplaza mediante la energía generada por el motor que llega a las ruedas motrices, y desde estas se transmite al suelo para avanzar, retener, frenar y tomar curvas. La presión de las ruedas por el peso del automóvil sobre el suelo a través de los neumáticos es una de las variables de la adherencia. Esta presión se modifica en cada rueda con el peso y los efectos dinámicos al acelerar, decelerar, frenar y girar la dirección. Una forma didáctica de representar el agarre entre los neumáticos y el suelo es el círculo de adherencia o de Kamm, que se va a explicar y analizar en este artículo.

Círculo de adherencia

Para explicar el concepto del círculo de adherencia partimos de la imagen de un automóvil en planta con sus cuatro ruedas sobre el piso.

    • Se resaltan las superficies de contacto entre los neumáticos y el piso, es donde se genera la adherencia y serán las huellas de los neumáticos.
    • Aparece la imagen ampliada de una rueda con el neumático y la llanta.
    • La superficie de contacto del neumático con el piso es la huella.
    • Desde la huella se producen las fuerzas de adherencia en todas las direcciones, representando su valor máximo por el perímetro del círculo de adherencia:
      • Aceleración en las ruedas motrices
      • Frenada en las cuatro ruedas
      • Curva izquierda y curva derecha
      • Retención en las ruedas motrices (al reducir de marcha con el cambio)
    • La adherencia va variando con el peso sobre cada rueda, se representa alterando el tamaño del círculo de adherencia (estado del piso) y de las fuerzas generadas por las ruedas al acelerar, retener, frenar y tomar curvas.

 

En realidad las diferentes fuerzas en el círculo de adherencia actúan simultáneamente y en conjunto, llegando a fuerzas resultantes que determinan el comportamiento del automóvil como vamos a ver en este artículo.

El círculo de adherencia es un método didáctico y fácil de entender para representar como los neumáticos transmiten la dinámica del automóvil al suelo, pero la forma geométrica en realidad no es un círculo perfecto, es irregular por las numerosas variables que intervienen además de irse modificando prácticamente de forma continua.

En el comportamiento del automóvil relacionado con la adherencia influye especialmente cuales son las ruedas motrices, por lo que veremos los círculos de adherencia con tracción (delantera), propulsión (tracción trasera) y transmisión integral (4×4).

Círculo de adherencia con tracción (delantera)

Se ve en la imagen un automóvil con sus cuatro ruedas sobre el suelo:

    • Son motrices las ruedas delanteras, es un automóvil de tracción (delantera).
    • Aparecen los cuatro círculos de adherencia resaltando las capacidades de agarre de cada neumático sobre la huella en el piso, y se representan las fuerzas de adherencia:
      • Aceleración, solamente en las ruedas delanteras motrices
      • Frenada, en las cuatro ruedas. Más fuerza de frenada en las delanteras que en las traseras para compensar el efecto dinámico de aumento de peso delante (más adherencia) y disminución detrás (menos adherencia)
      • Curva derecha y curva izquierda, son las fuerza de apoyo laterales, mayores en las ruedas exteriores por el incremento de peso. A esta fuerza lateral en curva se ha de sumar la de aceleración en las ruedas motrices delanteras lo que dará una resultante, como luego se verá
    • Si alguna de las fuerzas del neumático en el piso supera el círculo de adherencia se produce deslizamiento de esa rueda con efectos diferentes según sea por exceso de aceleración, de retención, de frenada o de velocidad en curva.

 

Si circulando en recta la fuerza de aceleración supera el círculo de adherencia las ruedas motrices giran sobre sí mismas, avanzando menos o nada el automóvil y con pérdida de trayectoria si la adherencia es desigual entre lados.

El efecto de que las resultantes de las fuerzas de aceleración y laterales superen el círculo de adherencia en curva es provocar un subviraje, deslizamiento de las ruedas delanteras, más adelante se explica con detalle.

Círculo de adherencia con propulsión (tracción trasera)

Tenemos otro automóvil con sus cuatro ruedas en el suelo:

    • En este caso es un automóvil de propulsión, son motrices las ruedas traseras.
    • Se ven los cuatro círculos de adherencia y a continuación las fuerzas aplicadas por las ruedas:
      • Aceleración, exclusivamente en las ruedas motrices traseras
      • Frenada, en las cuatro ruedas. La fuerza de frenada es menor en las ruedas traseras para compensar el efecto dinámico de reducción de peso al frenar.
      • Curva derecha y curva izquierda, representan las fuerzas de apoyo laterales, mayores en las ruedas exteriores por el aumento de peso. A la fuerza lateral en curva hay que sumar la de aceleración en las ruedas motrices traseras generando una fuerza resultante, como luego se verá.
    • Si alguna de las fuerzas del neumático sobre el suelo supera el círculo de adherencia se produce deslizamiento de esa rueda con efectos diferentes según sea por exceso de aceleración, de retención, de frenada o de velocidad en curva.

 

Cuando al marchar en recta la fuerza de aceleración supera el círculo de adherencia, las ruedas giran sobre sí mismas perdiendo capacidad de avance y de trayectoria si no es igual el agarre en las ruedas motrices.

Si se produce este efecto en curva, fuerzas de aceleración más las fuerzas laterales dan unas resultantes mayores que el círculo de adherencia, deslizan las ruedas traseras induciendo un sobreviraje, el coche tiende a girar sobre sí mismo y es una situación difícil de corregir. Se explica después.                                      

Círculo de adherencia con transmisión integral 4×4

El automóvil que vemos ahora nos presenta la tercera opción de ruedas motrices:

    • Son motrices las cuatro ruedas, es un automóvil con transmisión integral 4×4.
    • Vemos los círculos de adherencia de cada rueda y las fuerzas que ejercen los neumáticos sobre el piso:
      • Aceleración, se genera en las cuatro ruedas y el valor es la mitad que en un coche con dos ruedas motrices
      • Frenada, en las cuatro ruedas. La frenada es menor detrás por el efecto de alteración dinámica del peso ya comentada.
      • Curva derecha y curva izquierda, representan las fuerzas de apoyo laterales, mayores en las ruedas exteriores por el aumento de peso

 

    • Si alguna de las fuerzas del neumático sobre el suelo supera el círculo de adherencia se produce deslizamiento de esa rueda con efectos diferentes según sea por exceso de aceleración, de retención, de frenada o de velocidad en curva. A la fuerza lateral en curva hay que sumar la de aceleración en las cuatro ruedas motrices generando una fuerza resultante, pero como la fuerza motriz es la mitad en cada rueda también será menor la resultante, se explica con detalle más adelante.

Si en recta la fuerza de aceleración es mayor que el círculo de adherencia se perderá capacidad de avance y direccional, pero al ser un automóvil 4×4 la fuerza de aceleración se divide entre cuatro, lo que permitirá capacidad de avance en terrenos en los que un automóvil con dos ruedas motrices no podría hacerlo, pues la fuerza de aceleración es la mitad para cada rueda.

Si se produce este efecto en curva, y las fuerzas de aceleración sumadas a las de apoyo laterales dan unas resultantes mayores que el círculo de adherencia, deslizan las cuatro ruedas abriendo la curva, neutro, y este comportamiento no se puede corregir. Se explica detalladamente después.

Círculo de adherencia en curva con propulsión

Seguidamente vamos a conocer el comportamiento en curva de las tres opciones de ruedas motrices. Empezamos con propulsión (tracción trasera):

    • Se ve un automóvil con motor delantero longitudinal y propulsión (tracción trasera), con las fuerzas de los neumáticos en cada círculo de adherencia.

 

    • Detalle del círculo de adherencia de la rueda trasera derecha, pues son las ruedas exteriores las que cuentan con más adherencia por el mayor peso:
      • Fuerza motriz + Apoyo lateral = Resultante. La suma de la aceleración (fuerza motriz) y la fuerza de apoyo lateral dan el efecto indicado por la fuerza resultante, que se mantiene dentro del círculo de adherencia
    • Al tomar el automóvil en estas condiciones de adherencia la curva sigue la trayectoria correcta sin que haya deslizamiento de ninguna rueda.
    • Repetimos el trazado de la curva con el mismo automóvil pero acelerando más, se observa en los círculos de adherencia de las cuatro ruedas más fuerza de apoyo lateral y en las motrices más aceleración.
    • Se aprecia en el detalle de la rueda trasera derecha las fuerzas en su círculo de adherencia:
      • Fuerza motriz + Apoyo lateral = resultante. Aunque tanto la fuerza motriz como la de apoyo lateral se mantiene en el círculo de adherencia la resultante le supera
    • En esta situación al trazar la curva el automóvil desliza de las ruedas traseras que se salen de la trayectoria provocando un sobreviraje. Para corregirlo el conductor ha de decelerar y girar el volante lo justo en sentido contrario (contravolante), acelerar al retomar la trayectoria y repetir las secuencias si es necesario hasta recuperar el control. Estas maniobras precisan de habilidades de conducción.

Círculo de adherencia en curva con tracción

El automóvil que vemos ahora tiene motor delantero longitudinal central y tracción (delantera), estudiemos su comportamiento en curva:

    • En cada círculo de adherencia se representan las fuerzas transmitidas por los neumáticos.
    • Se amplía el círculo de adherencia de la rueda delantera derecha:
      • Fuerza motriz + Apoyo lateral = Resultante. Estas fuerzas, incluida la resultante, están dentro del círculo de adherencia
    • La trayectoria del automóvil en la curva es la correcta al no superar ninguna fuerza los respectivos círculos de adherencia.
    • Seguidamente se toma de nuevo la curva acelerando más, en la imagen se representan fuerzas de apoyo lateral mayores en las cuatro ruedas y también de aceleración en las delanteras.
    • Se resalta el círculo de adherencia de la rueda delantera derecha en esta nueva situación:
      • Fuerza motriz + Apoyo lateral = Resultante, ésta supera el círculo de adherencia aunque las dos de las que deriva se mantengan dentro
    • Al superar la resultante el círculo de adherencia las ruedas delanteras se salen del trazado induciendo un subviraje. Se corrige decelerando, pues al incrementarse el peso sobre las ruedas delanteras aumenta el círculo de adherencia recuperando parcial o totalmente la trayectoria de la curva. Al ser una reacción automática de cualquier conductor el subviraje es más fácil de corregir.

 

Círculo de adherencia en curva con 4×4

Nos queda la tercera opción de ruedas motrices, que vemos en un automóvil con motor delantero longitudinal y 4×4:

    • Se representa en cada círculo de adherencia las fuerzas generadas por las ruedas a través de los neumáticos:
    • En dos detalles ampliados vemos los círculos de adherencia de las dos ruedas exteriores de la curva:
      • En cada rueda; Fuerza motriz + Apoyo lateral = resultante. Se observa como todas las fuerzas están dentro del círculo de adherencia. Al ser un 4×4 la fuerza motriz en cada rueda es la mitad que con dos ruedas motrices, se aprecia en las imágenes
    • El automóvil toma la curva siguiendo el trazado correcto.
    • Repite el automóvil la curva con más aceleración en las cuatro ruedas lo que implica también más fuerzas de apoyo lateral.
    • Vemos ampliado el círculo de adherencia de las dos ruedas de la derecha:
      • En cada una de las ruedas; Fuerza motriz + Apoyo lateral = Resultante. Se aprecia como las resultantes superan sus respectivos círculos de adherencia aunque las fuerzas que las originan se mantengan dentro
    • En estas condiciones al tomar la curva se salen de la trayectoria las cuatro ruedas, tomando una curva de más radio, es un comportamiento neutro. Esta pérdida de trayectoria no se puede corregir, se ha de decelerar e incluso frenar para provocar un sobreviraje y tratar de corregirlo. En realidad para que un 4×4 deslice en curva se ha de ir muy rápido, pues al tener la mitad de fuerza de aceleración en cada rueda no es fácil que la resultante supere el círculo de adherencia. Estas situaciones si se llegan a producir en pisos muy deslizantes como nieve, arena, hierba, barro…….

 

Soluciones al círculo de adherencia

La seguridad activa o primaria, cuyos objetivos son evitar el accidente, depende de diversos factores y uno de los más importantes es la calidad del contacto neumático – suelo. Se deduce que la calidad de este contacto consiste en mantener las fuerzas del neumático en el suelo siempre dentro del círculo de adherencia. Veamos de forma sencilla como se logra que las fuerzas de frenada, aceleración, retención y de apoyo lateral en curva o sus resultantes en cada una de las ruedas no superen sus respectivos círculos de adherencia. Para explicarlo tomamos el automóvil de la imagen con implantación de motor transversal delantero y tracción (delantera) con cuatro frenos de disco:

    • El automóvil que vemos cuenta con antibloqueo de frenos ABS y sistemas derivados incluidos en este que representamos como ABS+.
    • Se aprecia como el conjunto ABS+ está entre la bomba de frenos y los discos de las ruedas. El ABS+ está inter comunicado con el calculador de inyección que controla la aceleración y deceleración del motor.
    • Aparecen también los sensores de velocidad de ruedas que detectan si alguna de las fuerzas neumático – suelo o sus resultantes tienden a superar el círculo de adherencia en aceleración, retención, frenada o apoyo lateral.
    • Se representan los círculos de adherencia y a continuación las huellas de los neumáticos.
    • Aparecen las fuerzas en el círculo de adherencia y con detalles ampliados; aceleración, frenada, retención (al reducir con la caja de cambios), curva derecha y curva izquierda.
    • Estas son las soluciones para mantener estas fuerzas y sus resultantes en el círculo de adherencia (utilizo siglas en español didácticas, pues las marcas indican los sistemas que vamos a ver con siglas distintas para el mismo funcionamiento):
      • Frenada; sistema antibloqueo de frenos ABS
      • Aceleración; control de tracción en aceleración CTA
      • Retención; control de retención motor CRM
      • Curva; control de estabilidad y trayectoria en curva CETC
    • ¿Cómo funciona cada uno de estos sistemas para mantener las fuerzas dentro del círculo de adherencia?
      • ABS antibloqueo de frenos; al frenar si hay tendencia de que se supere el círculo de adherencia controla intermitente la fuerza de frenada de cada rueda provocando ciertas vibraciones en el pedal cuando interviene
      • CTA control de tracción en aceleración; si se detecta que la fuerza de aceleración tiende a superar el círculo de adherencia decelera el motor y frena intermitentemente la/s rueda/s del eje motriz que tiende/n a deslizar
      • CRM control de retención motor; si al reducir de marcha se detecta tendencia a que la fuerza de retención supere el círculo de adherencia en alguna de las ruedas motrices, se acelera el motor para decelerar progresivamente
      • CETC control de estabilidad y trayectoria en curva; si en curva aparece tendencia a perder la trayectoria, se decelera el motor para reducir la fuerza motriz y se frenan selectivamente las ruedas que generan fuerzas dinámicas que compensan la desviación, sobreviraje, subviraje o neutro

 

Estas explicaciones del ABS y sus derivados son un complemento a este artículo sobre el círculo de adherencia, hay otros en el blog que contienen más información que pueden ser de interés y se citan a continuación.

 

Artículos relacionados con el círculo de adherencia en el blog:

En la sección “Nuevas tecnologías”:

  • “ABS y sus derivados I, II y III”
  • “Tipos de automóviles 4×4”

En la sección “Tecnología del automóvil”

  • “Estabilidad”

En la sección “Actualidad”

  • “El triángulo de seguridad activa”
  • “Planeo sobre al agua aquaplaning”
  • “Deslizamiento límite de ruedas”

 

Artículos en el blog relacionados con los neumáticos:

En la sección “Nuevas tecnologías”

  • “Neumáticos sin cámara”
  • “Neumáticos runflat”
  • “Información de rueda pinchada”

En la sección “Evolución de órganos y elementos”

  • “Circunferencia de rodadura”

En la sección “Actualidad”

  • “Viento lateral y presión de neumáticos”
  • “Neumáticos de bajo rozamiento”

 

Otros enlaces relacionados

Círculo de adherencia

http://8000vueltas.com/2013/05/03/prueba-neumaticos-de-invierno-michelin-alpin-en-experiencia-mercedes-4matic-parte-2

http://i80.photobucket.com/albums/j187/xiquitinx/2wd204wd207C20Flickr3A20Intercambio.png

http://www.euskalnet.net/jinfante/dinamic.html

 

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