Comportamiento dinámico del vehículo (I): de los neumáticos a la transferencia de pesos

Todo lo que hace un coche en una curva, en una frenada o en una salida a fondo se decide en cuatro superficies de goma del tamaño aproximado de una mano. En esta primera entrega repasamos cómo trabaja el neumático, qué es el ángulo de deriva, por qué un coche subvira o sobrevira y cómo se reparte el peso entre los ejes cuando aceleramos o frenamos.

El hilo conductor es el capítulo 2 de How to Make Your Car Handle, de Fred Puhn, un clásico de la puesta a punto de chasis. Hemos reelaborado sus ideas, pasado las fórmulas al Sistema Internacional y adaptado la terminología al español técnico. Las imágenes proceden de mecanicatransparente.com.

Cómo influyen los neumáticos

El neumático es el único punto de unión entre el coche y el asfalto, así que cualquier análisis del comportamiento dinámico empieza por él. Suspensión, dirección y frenos solo sirven para que las cuatro huellas de contacto trabajen en las mejores condiciones posibles.

Un elemento elástico

El neumático no es un sólido rígido. Cuando el coche gira, la fuerza lateral que empuja la carrocería hacia el exterior de la curva deforma la banda de rodadura de lado a la altura de la huella. Esa deformación hace que la rueda no avance exactamente hacia donde apunta, sino según una trayectoria ligeramente desviada.

El ángulo entre el plano de la rueda y la dirección real de avance es el ángulo de deriva. A la vez, la goma deformada tiende a recuperar su forma y empuja contra el suelo: es la fuerza de deriva (o fuerza lateral del neumático), igual y de sentido contrario a la que intenta sacar el coche de la curva.

Una cosa no existe sin la otra. Sin deformación no hay ángulo de deriva, y sin ángulo de deriva el neumático no genera fuerza lateral. Un coche con ruedas perfectamente rígidas sería imposible de conducir rápido, porque no avisaría de que se acerca al límite.

La curva fuerza lateral–ángulo de deriva

Si aumentamos poco a poco la exigencia, por ejemplo cerrando cada vez más el radio de giro, crecen a la vez el ángulo de deriva y la fuerza lateral. La relación es casi lineal al principio, se curva después y alcanza un máximo: el límite de adherencia.

Pasado ese máximo, la fuerza lateral ya no sube, sino que baja ligeramente. El conductor lo percibe como una dirección que de repente se vuelve ligera, la señal de que se ha superado el límite.

La forma de la cima es lo que diferencia a unos neumáticos de otros:

• Cima plana (neumático de calle convencional): ofrece menos agarre máximo, pero un margen amplio de ángulo de deriva sin perder fuerza. El conductor nota que el coche «se abre» y tiene tiempo para corregir.
• Cima aguda (neumático de competición): da el máximo agarre, pero la pérdida es brusca y avisa poco. Paradójicamente, los neumáticos que más agarran suelen ser los menos progresivos.
• Neumático deportivo de calle: queda en un punto intermedio.

Conviene matizar que no hay un salto brusco entre agarrar y deslizar, aunque al volante lo parezca. Por eso, en la práctica, consideramos que el neumático tiene ángulo de deriva mientras siga influyendo en la trayectoria, aunque ese ángulo sea grande. Cuando el coche ya está en un trompo, el giro del volante deja de tener relación con la dirección de avance.

Deriva grande, velocidad que se pierde

Un neumático que trabaja con mucho ángulo de deriva no solo empuja hacia el interior de la curva. Parte de su fuerza actúa hacia atrás y frena el coche, y cuanto mayor es el ángulo, mayor es esa componente.

En competición se aprovecha para rascar velocidad a la entrada de una curva sin tocar el freno: se tira el coche con decisión, las ruedas trabajan muy cruzadas y la velocidad cae. La conocida deriva (el drift clásico), con las cuatro ruedas cruzadas respecto a la trayectoria, tiene ese coste. Por eso muchos pilotos buscan ángulos algo menores que el máximo en las curvas rápidas: pasan más limpios y salen con más velocidad.

Adherencia: la relación que importa

Para comparar neumáticos se usa el coeficiente de adherencia: la fuerza horizontal máxima que transmite la rueda dividida entre la carga vertical que soporta. Es la misma idea que el coeficiente de rozamiento de una caja que se arrastra por el suelo, aunque en un neumático intervienen a la vez rodadura, deslizamiento y adherencia estática.

Lo relevante es la proporción, no la fuerza absoluta. Un coche más pesado soporta más fuerza centrífuga en la misma curva, pero también apoya más sus ruedas contra el suelo. Valores orientativos de Puhn:

La idea de que un coeficiente de rozamiento nunca puede superar 1 no se cumple con la goma blanda. El compuesto se «engrana» en las microirregularidades del asfalto, y cuanto más blando es y más superficie de contacto hay, más puntos de enganche existen. De ahí los neumáticos anchos y de baja presión, y los slicks de aceleración, que superan claramente el valor 1. Cuando el neumático desliza, esa goma enganchada se arranca: son las marcas de frenada que quedan en el suelo.

Los alerones y fondos planos no aumentan el coeficiente; añaden carga vertical, y con ella crece la fuerza lateral disponible.

El círculo de adherencia

El límite de adherencia no es un tope solo para la fuerza lateral. Es la fuerza total que el neumático puede transmitir en cualquier dirección: lateral, de tracción o de frenado.

Cuando se combinan una fuerza lateral y otra longitudinal, perpendiculares entre sí, no se suman directamente sino de forma vectorial: la resultante es la diagonal del rectángulo que forman. Esa resultante no puede superar el límite del neumático. Las consecuencias al volante son claras:

• Por debajo del límite queda margen para acelerar o frenar en curva.
• Si se va en el límite lateral, cualquier aporte de gas o de freno, por pequeño que sea, pide más fuerza total de la disponible y el neumático desliza. Incluso levantar el pie bruscamente puede provocarlo.
• Al acelerar a fondo, como en una salida de dragster, apenas queda capacidad lateral en las ruedas motrices. Si la trasera se va, la única solución es levantar el pie.

Aumentar la tracción en curva incrementa el ángulo de deriva de las ruedas motrices. En un propulsión, eso permite dirigir el coche con el acelerador: más gas cierra la trayectoria, menos gas la abre. Frenar en apoyo tiene un efecto parecido sobre ambos ejes, y suele afectar más al trasero, de ahí el riesgo de trompo. Un buen reparto de frenada lo mitiga.

La dinámica del paso por curva

Un coche que recorre una curva de radio constante a velocidad constante soporta una fuerza que lo empuja hacia el exterior: la fuerza centrífuga. No es más que la inercia del vehículo, su tendencia a seguir en línea recta. Lo que lo mantiene en la trayectoria curva es la suma de las fuerzas laterales de los cuatro neumáticos. Si estas desaparecieran de golpe, por ejemplo sobre una placa de hielo, el coche seguiría recto por la tangente.

En unidades del Sistema Internacional:

F_c = m · v² / R

donde m es la masa en kg, v la velocidad en m/s y R el radio de la curva en m. Mientras el coche se mantenga en la trazada, esa fuerza es igual a la suma de las fuerzas laterales de los neumáticos.

Aceleración lateral

Para comparar coches se usa la aceleración lateral, que es la fuerza centrífuga dividida entre la masa y suele expresarse en g:

a_y = v² / R   ·   a_y [g] = v² / (9,81 · R)

Si el coche no tiene carga aerodinámica, la aceleración lateral máxima en g coincide con el coeficiente de adherencia medio de sus neumáticos. Es la forma más directa de medir la capacidad de paso por curva.

La prueba típica es la pista de deslizamiento (skid pad): un círculo de radio conocido que el coche recorre lo más rápido posible sin salirse. Basta cronometrar el tiempo por vuelta t:

a_y = 4π² · R / t²   ·   a_y [g] ≈ 4,02 · R / t²

Con R en metros y t en segundos. Por ejemplo, un círculo de 30 m de radio recorrido en 11 s da unos 1,0 g.

El centro de gravedad y el reparto de pesos

La fuerza centrífuga actúa sobre cada pieza del coche en proporción a su masa. Sumadas, equivalen a una sola fuerza aplicada en el centro de gravedad (CdG), el punto en el que podríamos colgar el coche y quedaría en equilibrio en cualquier posición. El CdG siempre está por encima del suelo y entre las ruedas.

Su posición longitudinal fija el reparto de pesos entre ejes. Si llamamos L a la batalla, a a la distancia del CdG al eje delantero y b a la distancia al eje trasero:

% delantero = 100 · b / L   ·   % trasero = 100 · a / L

Cuanto más cerca está el CdG de un eje, más peso carga ese eje. Un reparto 40/60 significa 40 % del peso delante y 60 % detrás. El reparto lateral se expresa igual, indicando qué lado es el pesado; con 50/50, el CdG está en el eje longitudinal del coche.

Ese reparto estático cambia en marcha. En curva, la fuerza centrífuga carga las ruedas exteriores. Al acelerar se carga el eje trasero y se descarga el delantero, y al frenar ocurre lo contrario. Cada situación produce un comportamiento distinto, y de ello se ocupan los apartados siguientes.

Subviraje, sobreviraje y comportamiento neutro

En una curva estabilizada, a radio y velocidad constantes, la fuerza centrífuga y las fuerzas laterales de los neumáticos se equilibran. Pero el reparto de esas fuerzas entre el eje delantero y el trasero no tiene por qué ser igual, y por tanto tampoco lo son los ángulos de deriva de cada eje. De esa diferencia nace el carácter del coche. Para simplificar, basta fijarse en las dos ruedas exteriores, que son las que hacen casi todo el trabajo.

Sobreviraje

Pensemos en un coche con más peso detrás, típico de motor trasero, y neumáticos iguales en los dos ejes. Las ruedas traseras soportan más fuerza lateral, se deforman más y trabajan con más ángulo de deriva.

Al entrar en la curva todo parece correcto, pero en cuanto aparece la fuerza centrífuga la trasera deriva más que el morro y el coche gira más de lo previsto. La trayectoria se cierra, la fuerza centrífuga aumenta y la deriva trasera crece otra vez. Si nadie corrige, el radio se va cerrando sin tocar el volante hasta que el coche hace un trompo.

La corrección consiste en girar el volante hacia el exterior de la curva. En coches muy sobreviradores la corrección puede llegar a apuntar las ruedas en sentido contrario al giro: es el contravolante, habitual en tierra. Al salir de una curva con mucho gas, un propulsión puede quedar en una actitud de sobreviraje muy marcada; levantar el pie lo endereza, pero hay que hacerlo con suavidad.

Subviraje

Si el coche lleva más peso delante, son las ruedas delanteras las que trabajan con más deriva. El coche gira menos de lo que se le pide y el conductor, de forma instintiva, gira más el volante. Si no corrige, el radio se abre, la fuerza centrífuga baja y la situación se estabiliza, siempre que haya carretera suficiente.

Por esa reacción natural, los fabricantes diseñan casi todos los turismos con cierta tendencia subviradora. El problema llega al superar el límite: el coche sigue recto hacia el exterior por mucho que se gire el volante.

Qué conviene buscar

Entre un coche subvirador y uno sobrevirador no hay gran diferencia de agarre máximo, pero sí de sensaciones. Se dice a menudo que con subviraje se asusta el conductor y con sobreviraje se asusta el acompañante.

• En carretera, el subviraje es lo más seguro porque la corrección es instintiva.
• En competición, un ligero sobreviraje suele ser más rápido: un piloto hábil controla mejor el coche y sale antes de las curvas. Depende del trazado; en un óvalo rápido de asfalto sería un suicidio, en tierra es casi obligado.
• En general, el objetivo es un coche cercano al neutro, sin tendencias fuertes, que el conductor pueda inclinar hacia uno u otro lado con el acelerador o con pequeños ajustes del chasis.

Hay una relación útil entre deriva y adherencia. Si a una velocidad dada conseguimos que un neumático trabaje con menos ángulo de deriva, por ejemplo con una llanta más ancha que lo sujete mejor, normalmente tendrá también más agarre en el límite. Por eso un coche suele conservar en el límite el mismo carácter que muestra a baja velocidad: el eje que deriva más es el que primero se suelta. Menos agarre detrás significa sobreviraje; menos agarre delante, subviraje.

Factores que influyen en el agarre del neumático

Un coche con más peso delante no está condenado a subvirar, ni uno con más peso detrás a sobrevirar. El agarre de cada eje depende también de cómo trabaja el neumático, y casi todos los factores siguen la misma regla: hay un valor óptimo, y alejarse de él en cualquier sentido resta adherencia.

Presión de inflado

Cada neumático tiene una presión que le da el máximo agarre. Por debajo, el neumático está blando, se deforma más y trabaja con más deriva. Por encima, se deforma menos, pero la banda se abomba en el centro y apoya menos goma. Además, la curva cae más deprisa por falta de presión que por exceso: ante la duda, mejor pasarse un poco que quedarse corto.

Jugar con las presiones para corregir el carácter del coche es un recurso de último momento. Bajar la presión trasera de un turismo muy subvirador lo hará girar mejor en un eslalon, pero a costa de quitar agarre detrás. Un rival que corrija el subviraje con la suspensión y conserve presiones óptimas irá más rápido.

Subir mucho la presión delantera tampoco es la solución. Reduce la deriva a baja velocidad, pero rebaja el límite de adherencia: el coche puede sobrevirar despacio, ser neutro a media velocidad y volver a subvirar en el límite.

Ángulo de caída

La caída es la inclinación de la rueda respecto a la vertical vista de frente. Es positiva si la parte superior se abre hacia fuera y negativa si se inclina hacia dentro. Una rueda inclinada genera además un empuje lateral hacia el lado al que se inclina, igual que una bicicleta tumbada tiende a girar.

Con los neumáticos estrechos y de sección redonda de antaño, la caída era sobre todo una cuestión de dirección. Con los neumáticos anchos y planos actuales, inclinar la rueda levanta un borde de la banda y el agarre cae en picado. Por eso el gran objetivo de una suspensión moderna es mantener la rueda exterior casi vertical durante el apoyo. La pérdida es mayor con caída positiva que con la misma cantidad de negativa.

Anchura del neumático y de la llanta

Un neumático más ancho agarra más y deriva menos, porque apoya más goma. Montar neumáticos más anchos en un eje es una forma directa de ajustar el carácter: los coches de competición con motor trasero llevan ruedas traseras mucho más anchas y pueden ser casi neutros con dos tercios del peso detrás.

La llanta influye de forma parecida. Una llanta más ancha sujeta mejor el flanco, reduce la deformación y la deriva. Si es demasiado ancha, la banda se curva y se pierde agarre, aunque se pierde menos que con una llanta demasiado estrecha.

Temperatura

Los compuestos de competición están pensados para trabajar en una ventana de temperatura concreta; fuera de ella, por arriba o por abajo, agarran menos. En los ejemplos de Puhn el máximo ronda los 115 °C. La temperatura depende del ambiente y del calor que generan las fuerzas en curva, tracción y frenada; por eso los dragsters calientan las ruedas con un burnout antes de cada salida.

En neumáticos de calle la ventana es mucho más amplia, pero el exceso de temperatura sigue siendo peligroso. Muchos reventones se deben a llevar presiones bajas o a circular mucho tiempo a alta velocidad.

La carga: el agarre no crece en proporción

Es quizá el concepto más importante de todo el capítulo, y lo volveremos a usar: cuanto más cargado va un neumático, menor es su coeficiente de adherencia.

Un ejemplo con cifras redondeadas. Una rueda con 3.500 N de carga y un coeficiente de 0,8 ofrece 2.800 N de fuerza lateral. Si doblamos la carga a 7.000 N, cabría esperar 5.600 N, pero las mediciones dan del orden de 4.900 N: el coeficiente ha bajado a 0,7 y el ángulo de deriva ha subido. Como en marcha la carga de cada rueda cambia continuamente, esta pérdida es la clave para entender la transferencia de pesos.

Comportamiento en transitorio

La curva estabilizada es casi una abstracción. En la realidad cambian sin parar la velocidad, el radio, el firme y el peralte, y los momentos decisivos son la entrada y la salida de la curva. A esa fase de cambio se le llama comportamiento en transitorio.

El instante crítico es el primer giro de volante al pasar de la recta a la curva. Cómo reacciona el coche ahí condiciona todo lo que viene después. Hay coches perezosos que no quieren cambiar de dirección, otros demasiado nerviosos que se meten de golpe en la curva y otros que balancean tanto que tardan en asentarse.

Convergencia y dirección por deformación

Un reglaje con mucha influencia en el transitorio es la convergencia: el ángulo que forman las ruedas de un mismo eje vistas desde arriba. Si la parte delantera de las ruedas está más cerrada que la trasera, hay convergencia; si está más abierta, divergencia; si son paralelas, convergencia nula. Se ajusta siempre delante y también detrás en suspensiones independientes.

La convergencia cambia directamente el ángulo de deriva. Si varía en plena curva, el coche cambia de trayectoria sin que el conductor lo pida:

• Dirección por balanceo (roll steer): la convergencia cambia al inclinarse la carrocería. Casi no se usa en coches de altas prestaciones, pero los turismos la incorporan a propósito, normalmente para añadir subviraje o para calmar el sobreviraje de un motor trasero.
• Dirección por rebote (bump steer): la convergencia cambia con el recorrido vertical de la suspensión, por ejemplo al pisar un bache. Es indeseable siempre.

Estabilidad a alta velocidad

Un coche es estable si mantiene la línea recta pese a las ráfagas de viento o los cambios del firme, e inestable si cambia de dirección sin que se mueva el volante. Quien haya llevado un Escarabajo con viento lateral sabe lo que es, y la cosa empeora con la velocidad. La aerodinámica es la herramienta habitual para corregirlo.

Momento polar de inercia

La rapidez con la que el coche responde al volante depende de su momento polar de inercia, su resistencia a girar sobre un eje vertical que pasa por el CdG. Se calcula sumando, para cada componente, su masa por el cuadrado de su distancia al CdG:

I = Σ m_i · r_i²

Al ir al cuadrado, la distancia pesa mucho: dos masas iguales al doble de distancia cuadruplican el momento polar. Es el efecto mancuerna.

Cambiar el tamaño o la masa de un coche es difícil, pero se puede reducir algo el momento polar acercando al centro elementos como la batería.

Transferencia de pesos longitudinal

Cuando el coche acelera, los neumáticos lo empujan hacia delante desde el suelo y aparece una fuerza de inercia de sentido contrario, la misma que nos pega al respaldo. Esa fuerza actúa sobre todo el coche, pero equivale a una sola aplicada en el CdG, que está a cierta altura sobre el asfalto. La tracción, en cambio, actúa a ras de suelo.

Esas dos fuerzas, separadas en altura, forman un par que tiende a levantar el morro. El resultado es que el eje delantero se descarga y el trasero se carga exactamente en la misma cantidad. Es la transferencia de pesos: el peso total no cambia, solo se redistribuye. En el caso extremo, las ruedas delanteras se despegan del suelo y el coche hace un caballito.

Qué es un g

Conviene aclarar la unidad que usamos para todo esto. Un g es la aceleración con la que cae un cuerpo por efecto de la gravedad, unos 9,81 m/s²: en caída libre, su velocidad aumenta 9,81 m/s cada segundo. Que un coche acelere, frene o tome una curva a 1 g quiere decir que la fuerza que actúa sobre él es igual a su propio peso, y sobre cada ocupante, igual al suyo.

Como el coeficiente de adherencia es una relación entre fuerza horizontal y peso, coincide con los g máximos que pueden dar los neumáticos. Con un coeficiente de 1,2, el coche puede frenar o girar a 1,2 g. Al acelerar hay un matiz: la fuerza de tracción es 1,2 veces el peso que soportan las ruedas motrices, así que solo se alcanzan 1,2 g si todo el peso descansa sobre ellas, como en un caballito o en un 4×4.

Cómo se calcula

La carga que pasa de un eje a otro depende de la masa, de la aceleración, de la altura del CdG (h) y de la batalla (L):

ΔW = m · a · h / L

Un ejemplo con números redondos: coche de 900 kg, batalla de 2,50 m, CdG a 0,50 m del suelo y reparto estático 50/50. Acelerando a 0,5 g (unos 4,9 m/s²):

ΔW = 900 × 4,9 × 0,50 / 2,50 ≈ 883 N

El reparto pasa de 50/50 a 40/60 mientras dura la aceleración. Con menos aceleración la transferencia es menor, y a velocidad constante desaparece.

Una regla rápida: la relación h/L indica qué fracción del peso total se transfiere por cada g. Aquí h/L = 0,50/2,50 = 1/5, así que a 1 g pasaría al eje trasero un 20 % del peso. Si se quiere más transferencia, hay que subir el CdG o acortar la batalla.

Por qué importa al acelerar

En un propulsión, cargar el eje trasero aumenta la fuerza de tracción que pueden dar sus ruedas. El coeficiente de adherencia baja un poco con la carga, como vimos, pero el balance es favorable: más tracción y mejor aceleración.

Aun así, mientras quede algo de peso sobre el eje delantero, la aceleración máxima nunca llega al coeficiente de adherencia de las ruedas traseras. Por eso en aceleración se busca a veces transferir más peso del que hay delante, hasta que las ruedas delanteras se levantan. Algunos dragsters se ajustan para que el morro quede justo en el aire y todo el peso cargue sobre las ruedas motrices.

Patinar tampoco es el camino: la tracción máxima se consigue justo antes de que el neumático pierda adherencia. Una camioneta con mucho peso delante y un motor potente quema rueda con facilidad precisamente porque su eje trasero va descargado.

Y al frenar, al revés

Al frenar, la fuerza de inercia apunta hacia delante y las fuerzas en los neumáticos hacia atrás; es una aceleración negativa. El cálculo es el mismo, pero ahora se carga el eje delantero y se descarga el trasero: el morro se hunde.

Por eso los frenos delanteros trabajan más, se calientan más y se gastan antes, y por eso los discos se adoptaron primero en el eje delantero. También explica que frenar en apoyo pueda soltar la trasera: el eje trasero pierde carga justo cuando más se le exige.

En resumen

• El neumático solo genera fuerza lateral si se deforma, y esa deformación es el ángulo de deriva.
• Su capacidad total es limitada y se reparte entre giro, tracción y frenada.
• El eje que trabaja con más deriva marca el carácter: sobreviraje si es el trasero, subviraje si es el delantero.
• Presión, caída, llanta y temperatura tienen un óptimo, y alejarse de él resta agarre.
• Cuanto más cargado va un neumático, menos adherencia relativa tiene.
• Al acelerar y frenar, la altura del CdG traslada carga entre ejes en proporción a h/L.

En la próxima entrega pasaremos a la suspensión: masas suspendidas y no suspendidas, centros de balanceo y transferencia de pesos lateral en curva.

Basado en el capítulo 2 de How to Make Your Car Handle*, de Fred Puhn (HPBooks, 1976). Cifras y fórmulas convertidas al Sistema Internacional y redondeadas.*