Race Car Technology 24

Revista de Técnica de Competición Automovilística Automovilística

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TÉCNICA DE COMPETICIÓN

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Redacción Administración: C/ San Bartolomé 19 C.P. 12190 Borriol (Castellón)

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INDICE OPTIMIZACIÓN DEL SETUP CON ADAMS CAR CAR

8 FABRICACIÓN EN CARBONO

ANÁLISIS DE LA FRENADA

13

16

PUESTA A PUNTO DE VEHÍCULOS DE COMPETICÍÓN

21

RELACIÓN ENTRE FLEXIBILIDAD DE LA ESTABILIZADORA Y EL BALANCEO DE LA CARROCERÍA

ENCAUZAR EL AIRE DESDE EL MORRO, CASI MÁS IMPORTANTE QUE EL DIFUSOR O ES ESCAPE

30 SOFTWARE DE DISEÑO DE PEFILES ALARES

35

27 SUELO RODANTE: ESTRUCTURA

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OPTIMIZACIÓN DE UN RACE CAR MEDIANTE ADAMS

El siguiente artículo constituye un intento de optimizar el proceso de alcanzar el mejor setup para cada circuito y cada piloto. Además, los equipos de fórmulas monomarca distintas de la F1, en el momento de comprar el coche solamente reciben un manual el cual no contiene demasiada información acerca del vehículo. Es tarea del equipo el obtener toda la información necesaria para poder mejorar el set-up del coche, ya sea por métodos de experimentación o simulación.

Javier Gutiérrez

La puesta a punto del vehículo es una de los aspectos más importantes de cara a sacar el máximo provecho a un vehículo. El hecho de tener que realizarlo de forma individual para cada piloto en función de su estilo de conducción, supone un factor que añade trabajo al propio proceso ya de por sí laborioso. La determinación del set-up apropiado para cada circuito se basa en datos anteriores considerados como experiencia, y en pruebas que se realizan con distintas configuraciones del vehículo en el circuito en cuestión.

La realización del proceso exclusivamente a partir de experimentación es un proceso muy laborioso y caro, muchas veces restringido bien por la reglamentación de la competición, bien por el presupuesto o bien por otros motivos de disponibilidad. Por lo tanto, se plantea la necesidad de un método combinado en el que la simulación realice la gran mayoría del proceso, de forma que al llegar a los entrenamientos en circuito, el traba jo a realizar allí sea únicamente el de comprobación de los resultados encontrados en simulación y su mejora iterativa combinada. Con este contexto como situación de partida, junto al Dr. Timoteo Briet se ha decidido iniciar una línea de investigación destinada a adquirir el máximo conocimiento posible sobre el comportamiento dinámico de vehículos, así como de la optimización de reglajes mediante la aplicación de una metodología de optimización instrumental y numérica de cara a ser aplicado en las simulaciones con programas de multicuerpos.

ENTENDIMIENTO

Como primeros pasos en la consecución de estos objetivos, se planteó la necesidad de conocer y mejorar las modelizaciones de los diferentes subsistemas del vehículo, de cara a que su comportamiento dinámico sea lo más parecido al real de forma individual y colectiva en el conjunto del vehículo. Esto serviría de experiencia piloto para, en pasos posteriores, dar el salto al empleo de un diseño de experimentos y de la aplicación de las superficies de respuesta para optimizar las prestaciones del vehículo en circulación en circuito. Software empleado y descripción de la metodología: Se desarrolla a partir del software MSC. ADAMS/Car, realizando distintos diseños de experimentos que nos permiten establecer funciones matemáticas de relación entre los distintos factores y las respuestas de cara a una optimización numérica (superficies de respuesta). Normalmente una relación lineal es suficiente, teniendo en cuenta las interacciones de segundo orden entre los factores. De forma general, la metodología propuesta consta de las siguientes etapas, que se representan en el diagrama siguiente:


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www.tecnicaf1.es MSC. ADAMS/ Car + Plugins

Esta forma de proceder es genérica para todo tipo de simulaciones. Si se aplica de forma particular, se alcanza una metodología combinada entre experimentación y simulación, que además es iterativa para que el set up vaya mejorando en cada circuito y para cada piloto. El esquema particular que se alcanza, se puede representar mediante el siguiente ciclo continuo:

Definición de Factores

Definición de Respuestas

Response Surface DOE

Screening DOE Determinación factores significativos

Lineal + Interacciones, D-Optimal

Interpretación Modelo

Regresión Modelo (p-valor ,residuales)

Definición Tipo Simulación

(Ecuaciones de las superficies de respuesta)

Optimización Modelo Matlab R2007b

MSC. ADAMS/ Insight

OPTIMIZACIÓN EN POST RIG

ANÁLISIS DE DATOS

CICLO CONTINUO

OPTIMIZACIÓN EN CURVA (CIRCUITO)

COMPROBACIÓN EXPERIMENTAL

MSC. ADAMS/ PostProcessor

Estudios Comparativos (Entre configuraciones inicial y optimizada)

Dadas ciertas limitaciones en el modelo de simulación, el proceso solo va a permitir una comparación cualitativa entre los diferentes setups, aunque no una comparación cuantitativa (en comportamiento dinámico) con el vehículo real. Aplicación de la metodología y resultados: La aplicación de la metodología, tiene como resultado unas tablas de porcentaje de influencia de cada factor sobre cada respuesta. En las dos figuras siguientes, se muestran dos ejemplos obtenidos en el proceso.

cdg_x Stiff_ARB_Front Stiff_ARB_Rear Front_Dampers Rear_Dampers lca_front_z lca_rear_z uca_front_z uca_rear_z

Ac_z_ms CPL_FL CPL_FR CPL_RL CPL_RR Desp_z_mns Pitch Roll -22,47 -10,15 -10,17 8,86 8,88 0,58 -119,27 -1,90 -33,68 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -9,56 16,09 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -3,22 -25,68 -0,33 -0,33 0,28 0,29 -0,07 8,14 -1,76 -44,54 0,18 0,18 -0,17 -0,17 -0,01 -3,88 0,00 27,08 0,14 0,13 -0,11 -0,10 -0,01 -8,56 0,36 -4,39 1,00 1,03 -0,87 -0,90 -0,06 7,09 -6,94 -15,88 -1,08 -1,05 0,94 0,92 0,06 31,44 -8,93 7,10 0,31 0,30 -0,28 -0,27 -0,02 -35,92 3,58

Tabla 1.- Ejemplo de tabla de porcentajes de influencia en el proceso de Screening Post Rig

cdg_x Stiff_ARB_Front Front_Dampers Rear_Dampers lca_front_z uca_front_z uca_rear_z

Ac_z_ms CPL_FL CPL_FR CPL_RL CPL_RR Ac_z_mns Pitch Roll -19,61 -10,09 -10,11 8,83 8,85 -8,20 -119,31 -1,26 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -9,03 3,12 -0,32 -0,32 0,28 0,28 -23,92 7,99 -1,14 0,00 0,19 0,19 -0,15 -0,16 0,00 -3,67 -0,18 11,43 0,14 0,14 -0,13 -0,12 -2,02 -8,85 1,81 43,03 -1,06 -1,03 0,91 0,89 -2,80 32,17 -8,15 13,92 0,32 0,30 -0,29 -0,27 1,90 -37,43 4,68

Tabla 2.- Ejemplo de tabla de porcentajes de influencia en el proceso de Optimización Post Rig Un análisis profundo de estas tablas, así como el de las tablas de p-valores, permite ver que factores son significativos en cada simulación. Con ello se eligen los factores a optimizar, que para esta aplicación concreta son los siguientes:


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Factores a optimizar en Post Rig

Factores a optimizar en Curva

Amortiguadores

Colocación longitudinal del centro de gravedad Muelles Reparto de frenada Barra Antibalanceo Delantera y Trasera

Los ángulos de rueda no son significativos al 95 % en el ensayo en curva, por lo que su configuración deberá ser elegida por otros procedimientos, ensayos o simulaciones. Cada coordenada de la suspensión, tanto delantera como trasera, será optimizada en aquel ensayo donde siendo significativa, conlleve una mayor influencia global. Un vez realizados los diseños de experimentos para ambas configuraciones, se realiza una optimización numérica mediante MATLAB o el propio ADAMS/Insight, donde se obtendrá unos valores numéricos optimizados de los distintos factores. Se debe realizar un proceso iterativo: Una vez encontrados los primeros valores de los factores, se toma el de mayor porcentaje de influencia y se fija su valor en el valor real más cercano al factor optimizado. Comparativa en circulación de los setups: Para finalizar el artículo, se exponen los resultados de circulación por una chicane para las tres configuraciones encontradas, la base, la optimizada en Post Rig y la optimizada en curva. Lo ideal hubiera sido incorporar otra configuración más introduciendo la metodología combinada de los dos tipos de simulación, optimizando cada factor donde es significativo.

En la siguiente tabla se presentan las gráficas correspondientes al análisis de las tres configuraciones en circulación en una chicane:

Comparativa del ángulo de dirección de las tres configuraciones

Comparativa del diagrama GG de las tres configuraciones


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Comparativa de la velocidad de las tres configuraciones en función de la distancia recorrida

A la vista de los resultados de la comparativa entre los tres setup encontrados, la configuración optimizada en Post Rig consigue un aumento de velocidad manteniendo los niveles de estabilidad y facilidad de conducción (se observa a través del ángulo de dirección). La configuración optimizada en secuencia de curva consigue un MAYOR aumento de velocidad en curva a costa de una disminución de la aptitud de conducción y comportamiento ligeramente más inestable en la entrada en curva (sobreviraje). El análisis de sub/sobreviraje de cada configuración se observa en las siguientes gráficas: ATTITUDE VELOCITY

Criterio de comportamiento de attitude velocity para las tres configuraciones

0.35 0.25 y 0.15 t i c o l e 0.05 V e d -0.05 u t i t t A-0.15

0

50

100

150

200

250

300

-0.25 -0.35 Distance Travelled (m)

att_vel_Base

att_vel_opt_Post_Rig

att_vel_opt_curve

BASE

Steering Angle vs Neutral Steer Base 4.00000

Criterio de ángulo neutro para la configuración base

3.00000 2.00000 ) º (

e l g n A

1.00000 0.00000 -1.00000

0

50

100

150

200

250

300

-2.00000 -3.00000 Distance Travelled (m)

Steering_wheel_angle_Base (º)

Steering Angle vs Neu tral Steer Opt_Post_Rig

Neutral_steer_Base (º)

POST RIG

3.00000 2.00000

) º ( e l g n A

1.00000 0.00000 0

50

100

150

200

250

300

-1.00000 -2.00000 -3.00000 Distance Travelle d (m)

Steering_wheel_angle_opt_Post_Rig (º)


Neutral_steer_opt_Post_Rig (º)

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Criterio de ángulo neutro para la configuración optimizada en Post Rig


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OPT. CURVA

Steering Angle vs Neutral Steer Opt_Curve 3.00000 2.00000

Criterio de ángulo neutro para la configuración optimizada en curva

1.00000 0.00000 ) -1.00000 º ( e l -2.00000 g n A -3.00000

0

50

100

150

200

250

300

-4.00000 -5.00000 -6.00000 -7.00000 Distance Travelled (m)

Steering_wheel_angle_opt_Curve (º)

Neutral_steer_opt_curve (º)

Ventajas de aplicación de la metodología: La aplicación de esta metodología conlleva la disminución de costes debido a la notable disminución de horas de ensayos y entrenamientos, así como un aprovechamiento mayor del tiempo ya que las simulaciones y el coste computacional no tienen restricciones de normativa ni disponibilidad (especialmente durante las noches). Líneas Futuras: Se plantean mejoras en el modelo de simulación, como por ejemplo la mejora de la modelización aerodinámica del vehículo, introducción de elementos típicos de competición, parametrización de la curva del amortiguador, etc. Respecto al tipo de simulación, hay que resolver las limitaciones encontradas en cada una de ellas: Duración y aerodinámica en Post Rig, rugosidad carretera y cambio de marchas en secuencia en curva, optimización de trazada, ... Otras mejoras podrían incluir la introducción de otros algoritmos de optimización, tipo algoritmos genéticos y otros software de optimización. En próximos artículos, se analizarán setups del GP2 y GP3, F3, GT´s, etc... alucinante.... El siguiente paso que queda por realizar, es la validación mediante una aplicación real, lo cual sería fenomenal si alguien al leer estas líneas se animase a proporcionar un vehículo y unos medios…


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FABRICACIÓN EN FIBRA DE CARBONO

Como es sabido, uno de los principales objetivos que persigue el diseño de cualquier vehículo de competición, es la reducción de peso de todos los componentes, asegurando al máximo su funcionalidad. Debido a ello, la fibra de carbono (FC), ha asumido gran relevancia en cuanto a la sustitución de elementos plásticos, algo más pesados, asegurando un buen comportamiento en cuanto a resistencia, además de abaratar los costes frente a la fabricación de caros y complejos moldes de inyección, pensados para grandes producciones.

Principalmente, es frecuente encontrar la fibra de carbono en elementos exteriores de la carrocería, así como en diversos componentes internos. En el caso de las competiciones de vehículos de dos ruedas, el chasis, el basculante, el carenado, los guardabarros, el colín, el depósito (la pieza que lo cubre) y diversas tapas y conductos de aire se fabrican íntegramente en este material. En el caso de las cuatro ruedas y dependiendo del tipo de competición, estas piezas pueden ir desde carrocerías enteras a retrovisores, alerones, deflectores, parachoques, o múltiples componentes internos como conductos de aire, carcasas, etc. En ciertas competiciones de motor, que parten de la base de vehículos de fabricación en serie, especialmente preparados para tales eventos, es frecuente comprobar que sus correspondientes normativas permiten la sustitución de determinados elementos que en origen se fabrican en chapa embutida o plástico inyectado, por unos nuevos desarrollados en fibra de carbono. Véase como ejemplo, el Campeonato de España de Rallies o algunas competiciones monomarca, que contemplan que el capó, las puertas, los parachoques, los alerones o las tomas de aire originales, se cambien por unos de este material más ligero.

Ahora que empezamos a conocer la aplicación, quizás debamos ahondar en el producto y su proceso de fabricación. Empecemos pues, por conocer qué es exactamente la fibra de carbono:

Se trata de un compuesto no metálico, de tipo polimérico, fruto de la síntesis entre un tramado de tejido de fibras de carbono, cuya materia prima es el poliacrilonitrilo y un polímero termoestable, como por ejemplo una resina epoxi. O lo que es lo mismo y en términos no tan técnicos, un tramado de fibras (de carbono) al que se le aplica una resina que lo hace endurecer. En algunos casos, en lugar de resina epoxica, se utiliza el poliéster como polímero, pero cabe decir que este amarillea con prolongadas exposiciones a la luz solar y que su uso es cada vez más re ducido.


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El resultado que obtenemos con esta combinación, es un material liviano, debido principalmente a su baja densidad (1,750 Kg/m3), con gran resistencia mecánica y una elasticidad elevada, que funciona muy bien como aislante térmico, teniendo buenas propiedades ignífugas y conservando su forma ante las variaciones de temperatura. En comparación y para hacernos una idea, es tres veces más resistente (a la tracción) que el acero, teniendo tan sólo una cuarta parte de su densidad. Además, el tramado de las fibras puede variar en su trenzado, lo cual además de cambiar la apariencia, permite reforzar aún más cada pieza, si posicionamos la fibra e n la dirección adecuada.

La única contrapartida es su precio, considerablemente más elevado que el de los materiales plásticos que se utilizan en las grandes producciones en serie. Parte de su elevado coste, reside en que el proceso de fabricación de cualquier pieza de este material, pasa por una primera fase de elaboración manual y una posterior de curado que requiere de una maquinaria que está sólo al alcance de unos pocos: un autoclave. En el proceso de fabricación, encontramos varias fases bien definidas: la fabricación del utillaje, el proceso de laminado, el curado de la pieza y el acabado.

La primera de ellas, consiste en la fabricación de una cuna, o soporte, con la forma bien definida, de la cara externa (o cara vista) de la pieza. Aunque el precio de estos utillajes es muy inferior al coste de un molde para inyección de plástico, debido principalmente a la ausencia de mecanismos y automatismos, encarece mucho la pieza ya que por lo general, las producciones de piezas de fibra de carbono corresponden a tiradas mucho más cortas. Además, cuando hablamos de piezas complejas, que requieren de utillajes con partes múltiples para poder definir la totalidad de la figura, la cosa se torna mucho más costosa.

Estos utillajes, pueden fabricarse en aluminio, en resinas, o combinando ambas, generalmente mediante mecanizado de todas sus partes o en algunos casos, creando un modelo similar a la pieza a obtener, para posteriormente fabricar una contra con resinas. Esto, depende, en la mayoría de los casos, de la complejidad de la pieza a realizar en fibra.

La segunda fase del proceso de fabricación, consiste en laminar o extender, sobre el utillaje, el tramado de fibra de carbono, en trozos recortados con gran precisión (mediante un plotter de corte), habiendo calculado el desarrollo del tejido sobre la forma en la que se aplicará. Es decir, cada retal tiene una ubicación y posición concretas para obtener un buen acabado. Obviamente, también se tiene en cuenta cual será la apariencia del tramado de fibra, en las zonas visibles de la pieza, una vez esté finalizada. Sobre el tramado, se aplica una capa de polímero (una resina e poxi) que actúa como catalizador para “pegar” los trozos del tejido entre sí y endurecer la pieza. Se extienden diversas capas de tramado de fibra de carbono, con resina entre ellas, hasta obtener el grosor deseado para la pieza.


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Una vez terminado el proceso manual, que deberá repetirse para cada unidad de cada una de las piezas q ue quieran fabricarse, hay que hacer que endurezcan para alcanzar sus máximas prestaciones. Para ello, se utiliza un autoclave. Un autoclave, es un horno que trabaja a altas te mperaturas y con una elevada presión atmosférica. Este proceso hace que las fibras y la resina se fusionen entre sí, dejando la pieza de ser un serie de láminas superpuestas, a estar formada por una material mezcla de la resina con las tramas de fibras de carbono. Las piezas deben someterse un tiempo determinado a las condiciones de presión y temperatura del horno, hasta alcanzar las máximas prestaciones posibles.

Aunque la pieza está prácticamente terminada, frecuentemente hay que darle un acabado, como por ejemplo podría ser el realizar un recorte del perfil exterior. Como el posicionamiento de los retales de trama de fibras es un proceso manual, no se puede garantizar que el perímetro exterior sea perfecto. Es por eso, que habitualmente se deja un sobrante de fibra que se recorta mediante un robot de mecanizado. Como hemos visto, la fabricación de cualquier pieza en fibra de carbono, es un proceso lento, tedioso, que requiere de maquinaria muy especial y por todo ello, con un precio bastante elevado. Sin embargo, aligerar unos kilos de peso y aumentar la resistencia de los componentes, pueden suponer las décimas que definan un gran premio, o en ocasiones, todo un campeonato.


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ANÁLISIS DEL PROCESO DE FRENADO

Francisco Tercero

Abrimos esta sección de análisis de datos exponiendo uno de los aspectos más importantes en la conducción de un piloto , la frenada. Aunque pueda parecer que tomar las curvas o a celerar puedan ser, a demás de la parte más atractiva en el pilotaje, donde se corre más, la verdad es que mucho más importante es la frenada, donde empiezan a marcarse las diferencias entre pilotos y donde el tiempo perdido ya nunca se recupera. Es vital que un piloto sepa frenar bien, siendo uno de los primeros puntos a trabajar con el piloto, y frenar no e s pulsar el pedal, es hacer correctamente varias cosas, empezando por llevar bien el reparto de frenada (que es el porcentaje de potencia de frenada delantero respecto del total, que dependiendo del coche y de cómo lo estamos midiendo va desde 52% al 60%).

Este reparto debe ser comprobado por el ingeniero antes de que el coche salga a rodar y el piloto debe saber ajustarlo en pista. También debe encontrar el punto de frenada correcto (depende de la percepción que tiene el piloto respecto de la capacidad del vehículo a detenerse), a partir de este punto todo está relacionado según su percepción del riesgo y de la capacidad que tiene tanto en aplicar rápidamente la transición acelerador-freno (por su puesto si frena con el pie izquierdo esta transición se acorta o desaparece) como de la potencia máxima de frenada inicial que es capaz de imprimir en el pedal en el menor tiempo posible (brake agression). En este momento llega el punto en el que la sensibilidad del piloto en reducir la presión de frenada conforme el coche se va deteniendo determinará la cantidad de metros totales que necesita para frena. La forma en que debe reducirse la presión en frenada siempre obedece a un diente de sierra con el lado izquierdo lo más vertical posible, como muestra la línea r oja del esquema inferior.

Todo esto conlleva a que, en una curva determinada, podamos extraer de la DA cuánto tiempo y cuántos metros necesitan los pilotos para reducir la velocidad el coche hasta la velocidad de paso por curva.


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Analicemos esto de forma un poco más seria: Tenemos un vehículo que se mueve a una velocidad v a, debido a dicha velocidad el vehículo tiene una energía cinética determinada [Ec a=(1/2)*m*va2)], si el paso por curva requiere una velocidad inferior vb , [Ecb=(1/2)*m*vb2] la energía necesaria para frenar será entonces: W= Eca- Ecb Es decir, si el coche va a 225km/h y de be pasar la curva a 150km/h, los frenos deben hacer el traba jo necesario (W= Eca- Ecb) para reducir la Energía cinética, este valor es en nuestro caso de 49352193= 3900kJ. Como el trabajo es también W=Fuerza*Distancia , entonces cuanta menos fuerza de frenado, mayor distancia ya que W es constante. Vemos entonces que el área descrita por una gráfica que relacione la Fuerza (F) con la distancia (A-B) puede variar de ancho (más o menos distancia) y alto (mayor o menor fuerza) pero siempre tendrá la misma área (los mismos m 2). Si entendemos que el área descrita por el canal de la presión de freno (B_Pressure) al final representa una Fuerza de frenada (fuerza de los pistones-pastillas sobre el disco de freno), entonces llegamos a la conclusión que e l área que describe el canal B_Pressure es directamente proporcional al trabajo (W= Eca- Ec b), por lo que ambas áreas roja y azul son iguales en modulo, pero de diferente forma; gráficamente se puede entender que dicha área es la necesaria para frenar el coche de Va a Vb, y que cuanto menor sea la base de la misma (es decir, más alta sea la señal del canal de freno), menos tiempo / metros necesitará el coche para detenerse.

Llegados a este punto podría interpretarse que lo lógico sería aplicar la máxima fuerza a los frenos y mantenerla hasta llegar a la velocidad deseada (línea horizontal). Sin embargo hemos de estar de acuerdo en que la capacidad del neumático tiene un límite de cuantas G puede soportar longitudinalmente (en frenada o aceleración) si tenemos en cuenta ahora que por carga aerodinámica el peso del coche aumenta con la velocidad (véase en la Gráfica Downforce un aumento de 697kg a 250km/h) tenemos un incremento de la masa del coche, en este caso la masa que soportan las ruedas a 250km/h es de 650+697=1447kg y a 150km/h se de 650+310=960kg. Por lo tanto, hemos de estar de acuerdo si afirmamos que el peso aumenta exponencialmente con la velocidad, siendo mayor la pendiente de la gráfica cuanto más carga aerodinámica tenga el coche.


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Por lo tanto, si la potencia se mide como: P=F*v —> F=m*a, —> P=m*ax*v Entonces podemos montar una gráfica en la que ver qué potencia máxima de frenado tenemos en cada momento, como observamos, el grafo es muy similar a la curva teórica de presión de frenado que el piloto debía dar al pedal de freno. Por lo tanto, (y aunque no hemos tenido en cuenta cosas como la transferencia de masas, tipo de frenos delanteros y traseros…) se demuestra que la curva de presión de frenado ideal es la que se acerca a la máxima capacidad del neumático en cada momento, y esta curva es exponencial, aumentándose la carga aerodinámica con el cuadrado de la velocidad, de ahí su forma.

Ahora tomaremos un caso real como ejemplo, y veremos cómo un ingeniero de datos debe analizar si la frenada de un piloto es la correcta, en este caso se toman datos reales para constatar que entre un piloto que aplica bien la presión de freno y otro que no hay una diferencia de tiempos por vuelta bastante acusado. En este caso tenemos a dos jóvenes promesas pilotando un FR2000.

En la imagen vemos el circuito generado por el DAS del coche y que el ingeniero de datos ha cortado en diferentes sectores. Observamos en la adquisición dos líneas verticales que indican que desde una a la otra hay un sector o tramo, en este caso va desde antes del punto de frenada de la curva hasta casi el final de la siguiente recta.

De este modo podemos medir el tiempo que tarda el piloto en realizar ese tramo en cada una de las vueltas como se puede observar en la tabla de la derecha, donde tenemos los diferentes tiempos de cada piloto para el tramo 1 y 2 que es lo que se ve en pantalla.

Ambos llegan a la curva de final de recta a una velocidad similar, como podemos observar si atendemos al canal ‘GPS Speed’ en la parte superior de la imagen. Llegado el momento de frenar observamos que el coche “rojo” frena unos 15 metros antes, no aplica la presión de frenado como debería, por lo que no está aprovechando en ningún momento la capacidad máxima del neumático.


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También le ocurre que ha de meterse más en la curva ya que frena poco, teniendo que finalmente perder más velocidad en la curva. Si bien es cierto que este piloto comete más errores en la curva que los de frenado si es cierto que la gran mayoría de problemas que tiene en la curva (y en la siguiente como se ve en la gráfica) son derivados de una mala frenada. En la tabla de tiempos venimos observando que pierde entre 0’3seg y 0’4seg por vuelta sólo en esa curva. Esta pérdida es equivalente para cada una delas curvas del circuito y, con toda certeza, debido a la mala aplicación de la presión de frenada. Llegados a esta conclusión un ingeniero debe plantearse cómo hacer mejorar al piloto. Si bien es cierto que el piloto utiliza el pie izquierdo y sabe hacer bien la transición acelerador/freno. Hay varios puntos a mejorar.

1.Vemos que el reparto de frenada no es correcto, o al menos diferente al del piloto que lo hace bien. Debe mover el repartidor de frenada adelante.

2.Los picos verde y blanco son un canal que relaciona la potencia inicial de frenado con el tiempo que tarda en aplicarla, evidentemente el blanco es el de nuestro piloto y no es correcto. Debe frenar más fuerte y más rápido.

3.No quita presión de freno correctamente, hay que explicarle lo que en este artículo se expone y convencerle de que no va a bloquear

En la adquisición vemos como la frenada ha mejorado tanto el reparto, como la aplicación de presión inicial como la curva de reducción de presión. Ahora solo pierde 0,15 seg en la curva, y el tiempo de vuelta va mejorando.

Si bien es cierto que hemos optado por dos pilotos jóvenes para que el ejemplo fuese más didáctico, también lo es que con pilotos profesionales la base es la misma, aunque conforme vayamos subiendo de categoría tengamos que añadir más matices y conocimientos sobre el set-up del coche y que más puede estar pasando. Por ejemplo un mismo coche puede no ser el mejor para los dos pilotos. Pero para eso todavía hay que aprender mucho.


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PUESTA A PUNTO DE VEHÍCULOS DE COMPETICIÓN

Roberto Pravata

Encontrar la configuración correcta para cada circuito se conoce como puesta a punto o set up del vehículo, es una tarea difícil que requiere de gran capacidad, del piloto, para transmitir todas las sensaciones apreciadas en puntos claves del trazado y del Ingeniero de pista o Race Engineer, para interpretarlas, analizar los datos provenientes del DAS o Telemetría, según corresponda y encontrar aquella solución que proporcione mayores ganancias que pérdidas. Vamos a exponer una serie acotada de problemas y de posibles soluciones que nos podemos encontrar en un coche de competición. Este binomio de problemas y soluciones están basados en la experiencia del autor y de una recopilación de bibliografía existente, que por supuesto no pretende convertirse en una ley inquebrantable, sino una simple guía o punto de partida para cualquier optimización que al set up del coche en pista se refiere.

Como primer punto debemos comentar que todo comienza en un buen montaje en nuestro taller, teniendo en cuenta la lubricación y la libertad de movimiento de las partes que así lo requieran y la rigidez en las partes fijas. Sin olvidar comprobar la simetría general, cotas de suspensión y la puesta a punto inicial, en definitiva saber que tenemos puesto (dureza de muelles, topes de suspensión, alturas, apoyo de ruedas, etc.), la simetría izquierda – derecha. Comprobado también el reparto de pesos, normalmente más en el trasero que en el delantero, pero lo importante es que sea el mismo en ambos lados (en un artículo de este mismo número podréis encontrar los pasos de cómo ajustar esto con la longitud de nuestras barras empujadoras o push-rods).


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Como segundo punto vale aclarar que, una vez en pista, se debe realizar una modificación por vez, de lo contrario será difícil atribuirle la mejora o desmejora a un parámetro, dificultando las conclusiones posteriores o la toma de decisiones en el futuro. Vamos a ello… Si el coche sobrevira, podemos modificar en el eje trasero (sin orden es pecial): •

Ablandar muelles traseros.

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Ablandar amortiguadores traseros (aceite menos viscoso)

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Ablandar estabilizadora trasera.

Porque al ablandar estamos cargando el eje más uniformemente, debido a que menor rigidez al balanceo produce menor transferencia de carga y por lo tanto mayor capacidad de las ruedas a generar esfuerzos laterales, o sea me jorar el paso por curva. Normalmente en competición se tiene el eje motriz mucho más blando en relación al otro eje, lo que favorece a la tracción (por lo expuesto anteriormente). Para curvas lentas o de poca aceleración lateral las barras estabilizadoras tienen poco efecto. Exponemos también más efectos que tiene la rigidez de los elementos elásticos en la suspensión. A la entrada de curva: Más rígidos aumentarán la respuesta, debido a que reducimos el tiempo para llegar a un nuevo ángulo de balanceo. A la salida – En aceleración: Para vehículos con tracción posterior la tendencia es siempre a deslizar la rueda interior trasera, remedio: mayor rigidez en el eje delantero o menor en el trasero. Para vehículos de tracción anterior la rueda interior delantera, desliza al salir acelerando, remedio: aumentar la rigidez trasera. Pista con baches: Se debe tener la mínima rigidez al balanceo (aparte de la que nos proporcionan los muelles), se necesita aumentar el recorrido para mantener la rueda pegada al piso el mayor tiempo posible.

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Incrementar el Camber (Caída) negativa del tren trasero.

De esta manera estamos bajando el centro de gravedad del coche, mejoramos el agarre lateral. Un incremento de la caída, incrementa la fuerza de empuje en la superficie de contacto (hacia el interior del coche en caída negativa). Lo que reporta una mayor capacidad de aceptar fuerzas laterales a igual ángulo de deriva. Se debe tener en cuenta que una caída excesiva puede degradar los neumáticos prematuramente, aumentando el sobreviraje, aunque parezca contradictorio, también nos disminuye la capacidad de frenada en recta y la tracción (en caso de corresponder).

Es bueno saber que una caída delantera negativa mejora la respuesta de la dirección, disminuye la posibilidad de vuelco. Lo contrario ocurre con una positiva.


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Incrementar convergencia trasera.

Un valor de toe-in genera más agarre en el tren t rasero en estados transitorios o de cambios de dirección. Pero también obtenemos un incremento de la tracción en la salida de la curva, más estabilidad a alta velocidad, menos velocidad punta debido a que las ruedas no están paralelas a la dirección del movimiento y por lo tanto mayor temperatura y por ende mayor desgaste. Los efectos del toe son diferentes entre el eje delantero y trasero al estar situados de distinta forma con respecto al centro de gravedad del coche. En el eje delantero se suele usar toe-out o divergencia para conseguir más estabilidad en frenada haciendo el coche más fácil de conducir sobre todo en el momento de iniciar el giro ya que la rueda interior a la curva ya está girada, lo que puede favorecer el centro instantáneo de rotación del coche que se traslada con mayor rapidez.

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Bajar chasis en parte trasera.

Lo que logramos es bajar el Centro de Gravedad con esto conseguimos reducir la transferencia de carga hacia el trasero, mejorando la eficacia, en la entrada de las curvas. También aumentamos la carga aerodinámica en este sector reduciendo así el sobreviraje.

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Incrementar el ángulo de alerón trasero.

Es claro que incrementando el ángulo de incidencia del conjunto (sólo plano principal, biplano, etc.) conseguimos mayor apoyo aerodinámico a altas velocidades, lo que nos ayudará a mantener las ruedas traseras pegadas al asfalto y a tener un vehículo más estable, siempre que tengamos en cuenta el balance de las fuerzas. Es importante comentar que si disminuimos la incidencia de las alas delanteras también conseguiremos mayor apoyo trasero (según indique el Aero-Map del coche, claro está).

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Compuesto más blando en ruedas traseras

Un compuesto más blando tiene la capacidad de estirarse más y de penetrar más entre los granos del pavimento, se deforma rápidamente pero tarda más en recuperar su forma natural manteniendo así mejor la adherencia. A cambio posee mayor desprendimiento de moléculas por lo tanto mayor desgaste.

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Presión correcta de neumáticos

Subir la presión de los neumáticos posteriores ya que obtenemos mayor rigidez y por lo tanto mayor capacidad de carga. Las presiones afectan a la huella de contacto y a la rigidez y esto a su vez al desgaste y a la resistencia al movimiento.


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Está bien aclarar que para curvas “lentas” es bueno considerar “un poco” de sobreviraje ya que el efecto puede ser bien aprovechado por el piloto. También podemos realizar, en sentido contrario, lo mismo en el eje delantero: •

Endurecer elementos elásticos.

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Caída positiva

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Disminuir el ángulo del alerón

Que ayudará a mejorar nuestro balance dinámico. Y todo al revés si subvira para el eje delantero y trasero. Pensemos que cada variación (por pequeña que sea) d e cualquier parámetro que el reglamento deportivo nos permite modificar, generará un cambio y que ese cambio (por pequeño que sea) reportará un aumento o disminución de nuestro tiempo por vuelta, por esto es importante saber analizar estos cambios en las curvas de interés en nuestro circuito. Adjuntamos algunos valores habituales de las cotas de suspensión en competición, sólo para que os hagáis una idea.

Cota

Delante

Convergencia

3 mm (div) 5,5º (7º A1 GP y 13º GT) -2,5º GP2

3 mm (conv)

-2,45º a -3,45º F3

-1,45º A -3,15º F3

Avance

Caída

Detrás

0º -1,25º GP2

Nota En F1 la divergencia es muy elevada y la caída delantera hasta 2,5º o 4,5º; si se permite cambio de neumáticos

-5,15º F promocional Bien, ahora hablemos de comportamientos que ocurren antes, durante y después del paso por curva. Frenada: Se produce un hundimiento del morro, por tanto se busca un momento resistente a ese cabeceo acorde con el dicho momento de hundimiento. De igual forma es conveniente amortiguar el movimiento. Para ello, se varía la geometría anti-hundimiento, ya que normalmente, no es posible variar el momento resistente. En función de la frecuencia de cabeceo se debe aumentar o reducir la compresión del amortiguador delantero y la extensión del trasero. Esto produce una transferencia de masa más brusca y por tanto una frecuencia natural amortiguada más alta, igualmente ocurre a la inversa. >

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La dureza del amortiguador en extensión delantera y en compresión trasera no influye al transitorio de la frenada.


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Se debe tener capacidad de disponer de una frenada brusca al principio y fácil de dosificar durante la frenada (tema tratado en un artículo del presente número). >

Siempre será más difícil dosificar esta frenada con más caída delantera, mayor convergencia delantera, menor convergencia trasera y menor avance. >

Entrada en Curva: La regulación de los transitorios, se hace variando el balance del coche en algún parámetro. La frecuencia de balanceo delantera y trasera son las que lo regulan más rápidamente. Esta frecuencia está proporcionada por los muelles y las barras estabilizadoras. La dureza de los amortiguadores es la encargada de controlar la velocidad de este transitorio, y concretamente la dureza de extensión anterior y la compresión posterior. >

Cuando la entrada en curva el piloto nota un subviraje es debido a una pérdida de carga del tren anterior, si no es debido a otras causas. Desplazando hacia detrás el porcentaje de momento anti-balanceo en cada eje logramos un mejor comportamiento. Esto se consigue por medio de las barras estabilizadoras y también quitando dureza en la extensión del amortiguador delantera y compresión trasera. >

Cuando a la entrada en curva el tren trasero tiende a salirse fuera (sobreviraje), el eje trasero se puede estar quedando sin carga. La solución puede ser desplazar hacia delante el balance de momento anti-balanceo en cada eje. De nuevo se re gula mejor con las estabilizadoras. >

Se puede mejorar la entrada en curva por medio de variaciones en la geometría de suspensión. Menor caída de las ruedas mejora la distribución de presiones en la entrada de la curva. Apoyo en Curva: Cuando el coche está apoyado trazando la curva de forma estable, sin aceleración longitudinal, la tendencia natural del coche le da e l balance de pesos, el balance aerodinámico en curvas rápidas, la relación de entre pares resistentes de balanceo, o la regulación de los amortiguadores. >

Este caso es el más influenciado por la distribución de pesos y por la matriz de inercia, por lo que es posible realizar grandes cambios mejorando el eje que va peor, por lo que se suele tender a empeorar el que más interese. Esta operación es frecuente realizarla por medio de las barras estabilizadoras. >


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El paso por curva óptimo, se consigue en la fase de diseño del propio coche, más que en la puesta a punto del coche. >

Salida de Curva: La transferencia de masas permite que el tren trasero aumente su carga vertical, por lo que los vehículos con tracción trasera, verán aumentadas las posibilidades de tracción. Los amortiguadores deben encargarse de controlar esta transferencia. >

Si el coche es de tracción delantera, el objetivo estará en que las ruedas delanteras vengan de la fase anterior (medio de la curva) con el apoyo suficiente, es decir, tengan un momento anti-balanceo mucho mayor detrás que delante. Lo contrario ocurre con tracción trasera. >

Cuando se tiene subviraje a la salida de curva, puede ser debido a un diferencial excesivamente duro, a un aligeramiento de las ruedas anteriores o a que el piloto aumenta el giro del volante en la fase de aceleración. El aligeramiento de las ruedas anteriores puede remediarse bajando la dureza de extensión de los amortiguadores en el eje delantero o en la compresión del trasero. >

Si se tiene sobreviraje con tracción trasera se debe jugar con el diferencial trasero y la estabilizadora trasera y delantera. >

Aceleración en Recta: Cuando se trata de aceleración en línea recta sólo influye las convergencias posteriores y una transferencia demasiado baja a la parte trasera, si el coche es de tracción trasera. >

Si es de tracción delantera, se debe tener una correcta geometría que no introduzca reacciones en el volante, un diferencial bastante rígido y una extensión de amortiguador delantero y compresión trasera lo suficientemente suaves, sin llegar a hacer topes. >

Por norma general, todos los coches de tracción delantera con elevada potencia necesitan un dife>

rencial con una tarado ( o grado de resistencia) bastante duro o autoblocante, por lo que tienen tendencia a pasar los efectos del rizado del asfalto a la dirección, ya que eje delantero es similar a un eje rígido. La forma de mejorar la tracción en línea recta es buscar un compromiso aceptable con los amortiguadores, así como tener un diferencial correctamente tarado. Esperemos que os haya gustado; en otros artículos seguiremos tratando este apasionante e importante tema.


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RELACIÓN ENTRE FLEXIBILIDAD DE LA ESTABILIZADORA Y EL BALANCEO DE LA CARROCERÍA


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ENCAUZAR EL AIRE DESDE EL MORRO, CASI MÁS IMPORTANTE QUE EL DIFUSOR O ES ESCAPE En las últimas semanas no hemos parado de asistir a estudios acerca los escapes soplados o sin soplar, o simplemente de su posición; no son análisis técnicos sino “visuales” en exclusiva; ello es debido a carecer de información “real” acerca ellos. La esencia de prácticamente todas las piezas aerodinámicas y dispositivos aerodinámicos que se colocan en un coche de F1 es permitir que el suelo del coche, FUNCIONE CORRECTAMENTE; es la pieza más importante del coche y en su buen funcionamiento, se basa prácticamente toda la down-force del coche. Los deflectores que se colocan en el alerón delantero, los deflectores que se colocan bajo la toma de los pontones, etc… van encaminados a hacer que el suelo funcione perfectamente; incluso el difusor, en sí mismo, crea down-force, pero la razón fundamental es hacer que circule “bien” el aire por debajo del coche y en toda su cantidad y velocidad. Por otra parte y es algo muy importante y algo que la gente o aficionados no tienen en cuenta, quizás porque está más “escondido” a la vista, es encauzar desde ya la parte de proa del coche, de forma adecuada el flujo de aire. Quizás, dada la geometría del coche, sea conveniente dar más o menos flujo a la parte inferior, hacer que pase con más o menos velocidad, o quizás hacer que pase por determinada zona o no; son variables que dependen de cada coche y por tanto de cada escudería. Pero todos los equipos hacen lo posible para que el suelo funcione perfectamente, ya desde la zona anterior o p roa. Veamos algunas imágenes aclaratorias de lo que hacen cada equipos:


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SUELO RODANTE: ESTRUCTURA La función del suelo rodante, es simular la realidad; es decir: en la realidad, el suelo de la carretera o pista, se mueve por debajo del coche, con lo que si simulamos el coche en un túnel de viento, el suelo, HA DE MOVERSE POR DEBAJO DEL COCHE, de igual manera que en la realidad. En definitiva, un sistema de suelo rodante no es más ni menos que una cinta que se hace ro dar mediante unos rodillos, a la misma velocidad que circula el aire en el túnel de viento; lógicamente, las altas velocidades (en torno a 200 km/h), hace que este sistema estructuralmente, sea complicado y dificultoso. Por poner un par de ejemplos que comporta el sistema: 1. 2.

LA CINTA SE CALIENTA, Y ES NECESARIO REFRIGERARLA. LA CINTA “PANDEA” AL SER EL TAMAÑO GRANDE, Y POR TANTO, EL SISTEMA HA DE TENER UNOS SUSCIO NADORES PARA MANTENER LA CINTA PERFECTAMENTE HORIZONTAL.


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SOFTWARE DE DISEÑO DE PERFILES ALARES

Uno de los software más comunes en internet (la mayoría gratuitos) para diseñar perfiles alares y conocer sus parámetros de lift y demás, son aquellos que utilizan y basan sus cálculos en métodos numéricos con lel método de los paneles o el método de los po tenciales. Son métodos resultados de simplificar hasta extremos, las ecuaciones de Navier Stokess; las suposiciones que se hacen sobre las ecuaciones de Navier Stokess para simplificarlas son del tipo: suponer que la viscosidad es nula, o que la densidad es constante (o ambas a la vez….), etc. Son métodos, como se podrá comprobar fácilmente, que calculan casi automáticamente, los datos de un perfil determinado (apenas décimas o centésimas de segundo). Si alguien ha hecho algo de CFD, sabrá que cualquier simulación “decente”, tarda horas y horas, aunque sea con un ordenador potente; por ello mismo, si se obtienen resultados en décimas de segundo, la pregunta o consideración, es obvia: “ALGO PASA”; lo que pasa es que el método no es el correcto ni los resultados. Hay que hacer una pequeña consideración importante: estos métodos y software, para ángulos pequeños, pueden llegar a servir, y lo que es más importante: pueden servir y obtener buenos resultados, a la hora de comparar varios perfiles. Lo único que hay que tener en cuenta es que los ángulos de incidencia deben ser pequeños para que los r esultados sean “buenos” (ángulos menores de 2º—incluso puede llegar a ser mucho ángulo ¡¡¡¡). Como se puede apreciar, este tipo de software, “CALCULAN LO QUE LE ECHEN”; SO CAPACES DE CALCULAR PARÁMETROS A ALTOS ÁNGULOS DE ATAQUE, EN APENAS DÉCIMAS DE SEGUNDO ¡¡¡-


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Race Car Technology 24

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