ESTUDIO CINEMÁTICO DEL COMPORTAMIENTO DE LA SUSPENSIÓN DE UN PROTOTIPO DE FORMULA SAE STUDENT ELÉCTRICO DEL EQUIPO UPM RACING.

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1 PROYECTO FIN DE MASTER ESTUDIO CINEMÁTICO DEL COMPORTAMIENTO DE LA SUSPENSIÓN DE UN PROTOTIPO DE FORMULA SAE STUDENT ELÉCTRICO DEL EQUIPO UPM RACING. Presentado en la Universidad Politécnica de Madrid Instituto de Investigación del Automóvil Por Ing. Giovanny Pablo Pillajo Quijia Para la obtención del título de MÁSTER EN INGENIERÍA DE AUTOMOCIÓN Dirigido por Ing. Miguel Ángel Álvarez Bórea Madrid, Octubre 17 de 2012

2 AGRADECIMIENTOS Primero agradezco a Dios por seguir bendiciendo mi vida, salud, trabajo y estudios, a mis padres Luz María Quijia y Segundo Majin por su apoyo incondicional, emocional, consejos y valores transmitidos, que me han permitido seguir alcanzando mis objetivos; a mis hermanos Cristian, Evelin, Yajaira y Julissa por sus ánimos y alientos brindados a la distancia; a mi novia Arito por su amor, cariño y apoyo dedicado todo el transcurso del Máster. Agradezco a la Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología y Educación SENESCYT y el Gobierno del Ecuador presidido por el Ec. Rafael Correa Delgado, por la oportunidad brindada para estudiar éste postgrado en España, promoviendo la formación del talento humano y el desarrollo de la investigación, innovación y transferencia tecnológica, así también al Centro Transferencia Tecnológica para la Capacitación e Investigación en Control de Emisiones Vehiculares (CCICEV) de la Escuela Politécnica Nacional por facilitar el auspicio para obtener la beca de estudios. Se agradece a la Escuela Politécnica de Madrid principalmente al Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA) y a todos los profesores que supieron transmitir sus conocimientos de manera adecuada en cada asignatura dictada; a Miguel Ángel Álvarez por su colaboración y consejos en el proyecto fin de carrera; mil gracias a todos los compañeros del Máster en Ingeniería de Automoción XXI y del Máster en Ingeniería de Vehículos Híbridos y Eléctricos I, especialmente al grupo SAE UPM Racing Team por todos los momentos y anécdotas compartidas durante el Máster, de seguro os echaré de menos. ii

3 PRESENTACIÓN La Fórmula SAE Student, ha venido realizando año tras año, una competición de vehículos incluyendo a los propulsados a motor eléctricos, esta clase de concursos entre universidades de diferentes lugares del mundo, motivan a estudiantes a competir y mejorar todas las habilidades adquiridas en la sala de clase, logrando así una mejora tecnológica e intelectual. El presente proyecto solicitada por el equipo de la UPM Racing Eléctrico, está enfocado a un estudio cinemático del sistema de suspensión para el prototipo de formula SAE Eléctrico, y que el sistema cumpla con toda la seguridad pertinente, y con los requisitos establecidos en la normativa para la competición en Inglaterra. El primer capitulo habla sobre los objetivos que se pretenden alcanzar, la metodología y estructura del proyecto a seguir. El siguiente capítulo se detalla acerca de la competencia de la Formula SAE, las participaciones de la Universidad Politécnica de Madrid y la normativa a cumplir, específicamente concerniente al sistema de suspensión. En el tercer capítulo se muestra el marco teórico de la suspensión y sus características, así también los parámetros cinemáticos a tomar en cuenta para el análisis de la suspensión. El análisis cinemático de la suspensión se detalla en el cuarto capítulo, donde se explica los parámetros de partida, las bondades del programa LSA Lotus Suspension Analisys y la respectiva aplicación de la simulación. En el siguiente capítulo (5) se indica los lineamientos básicos a tomar en cuenta para realizar un ensayo real del prototipo y recomendaciones de puesta a punto de un monoplaza. La planificación y actividades que se realizó dentro del proyecto y participación en el equipo que representa a la UPM, se encuentra en el sexto capítulo, con lo cual se participó en la competición de Silverston En el último capítulo se describe las conclusiones del proyecto y futuras líneas de trabajo. iii

4 ÍNDICE AGRADECIMIENTOS... ii PRESENTACIÓN... iii 1.1. ANTECEDENTES OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES OBJETIVOS ESPECÍFICOS METODOLOGÍA Y ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO... 3 CAPITULO II... 4 FORMULA SAE Y UPM RACING HISTORIA DE LA COMPETICIÓN UPM Racing FSAE Qué es la Formula Student SAE Eléctrico? Ficha técnica UPM Racing FSAE Eléctrico Pruebas estáticas y dinámicas Pruebas estáticas Pruebas dinámicas Reglamento a tener en cuenta en el diseño de la suspensión CAPITULO III LA SUSPENSIÓN EN LA COMPETICIÓN Fundamentos teóricos Elementos y características del sistema de suspensión Tipos de suspensiones en competición Push-rod Pull-rod Geometría de la suspensión y parámetros cinemáticos Convergencia Caída Camber Ángulo de salida Ángulo de Avance King-pin axis iv

5 Centro de Gravedad Centro Instantáneo Instant center Centro de balanceo roll center Eje de balanceo roll axis Rigidez de balanceo Geometría Anti-levantamiento anti-squat y Anti-hundimiento anti-dive Bump steer y roll steer Geometría de Ackermann CAPITULO IV ANÁLISIS CINEMÁTICO DE SUSPENSIÓN FSAE ELECTRIC UPM Diagnóstico de suspensión UPM 2011 E Datos de partida Cálculos de rigidez de muelles Eje delantero Eje Posterior Introducción del Programa Lotus Suspension Analysis LSA Presentación Qué es el Lotus Suspension Análisys? Usos normales de Análisis Suspensión Lotus Conceptos generales Sistema de Coordenadas Términos convencionales por defecto Diseño prototipo virtual Creación del Modelo Parametrización de los componentes de suspensión Simulación del prototipo Modo Bump/rebound Modo roll Modo Steer Modo combinado Cinemática Animación suspensión Análisis de resultados Modo Bump/rebound v

6 Modo roll Modo Steer Resumen de datos obtenidos: CAPITULO V SETUP Y ENSAYO PRÁCTICO Introducción Normas a seguir para efectuar en la práctica un set-up riguroso y fiable En la pista CAPITULO VI PLANIFICACIÓN Y ACTIVIDADES EN LA FORMULA SAE UPM RACING Planificación Actividades en la suspensión CAPITULO VII CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE TRABAJO Conclusiones Futuras líneas de trabajo BIBLIOGRAFÍA ANEXOS vi

7 CAPITULO I ANTECEDENTES, OBJETIVOS, METODOLOGÍA Y ESTRUCTURA DEL PROYECTO 1.1. ANTECEDENTES En vista de los avances tecnológicos y del nivel de competitividad que genera la Formula SAE Student Eléctrico; y además la suspensión al ser un sistema de seguridad activa, crítico en el comportamiento general del prototipo, se hace importante realizar un estudio de la cinemática del sistema. La importancia del sistema de suspensión, se debe a que posee la gran responsabilidad sobre la estabilidad del monoplaza durante su conducción. Se hace importante mencionar que el primer diseño constructivo de la suspensión del prototipo UPM Eléctrico está basado en el diseño de suspensión del monoplaza de la UPM08 de combustión que ha obtenido buenos resultados, sin embargo el prototipo UPM Eléctrico al concursar en el año 2011 en Alemania han tenido inconvenientes, por lo que para este año 2012 se hace necesario realizar el presente estudio cinemático de la suspensión. Este proyecto es de tipo técnico, cuyo alcance es analizar el diseño y la configuración de sus componentes mediante el software LOTUS, luego validar los datos generados del software con pruebas en pista y su posterior corrección y mejora. Este proyecto tiene como finalidad implícita proporcionar información técnica sobre el comportamiento de la suspensión (funcionamiento, restricciones, dimensiones, cotas, etc.) a futuros miembros de la FSAE de la UPM para las futuras competiciones. 1

8 1.2. OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES Realizar un estudio cinemático del comportamiento de la suspensión de un prototipo de Formula SAE Student Eléctrico del equipo UPM Racing OBJETIVOS ESPECÍFICOS Investigar los diferentes tipos de suspensiones adecuados a los prototipos y que sean avalados para cumplir con las normas de las competiciones (Inglaterra). Estudiar la teoría cinemática de la suspensión enfocada a las suspensiones de prototipos de competición. Diagnosticar el diseño actual del prototipo SAE Electric, de la UPM. Analizar el comportamiento del sistema mediante simulación LOTUS y recopilar información del modelo para su respectiva validación. Realizar un ensayo en pista para la verificación del comportamiento y contrastar con la simulación. Optimizar la configuración (ángulos, cotas, etc.) de la suspensión para las diferentes condiciones de la pista. Debido a la falta de pruebas realizadas sobre un prototipo anterior, es muy complicado afinar y dar con los parámetros ideales para un piloto, un vehículo y un circuito determinados. Es por ello, que el objetivo intrínseco de este proyecto es tener un sistema de suspensión que se comporte de una manera predecible, que haga del vehículo un vehículo fácil de pilotar, y que proporcione una alta fiabilidad al conjunto. 2

9 1.3. METODOLOGÍA Y ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO Para el estudio del sistema de suspensión del Formula SAE Student Eléctrico se realizará un diagnóstico de la configuración del año pasado (2011) y recopilación de datos, luego con los datos y características de los elementos del modelo modificado se procederá a simular mediante el software LOTUS, con los datos generados del programa se analizará y se procederá a realizar actividades en la suspensión procurando obtener el mejor desempeño; y su posterior validación en pista; al final se concluirá con el planteamiento de futuras recomendaciones a realizar en la suspensión del prototipo con el fin de ir desarrollando un mejor desempeño conforme a las condiciones de las competiciones. El proyecto se desarrollará en tres fases, las cuales serán: Fase I: Estudio y diagnóstico de la geometría actual de la suspensión. Tipología de los prototipos Formula SAE - Eléctrico Fase II: Análisis del mecanismo mediante simulación. Condiciones de Evaluación e implementación en el prototipo. Fase III: Protocolos de Prueba Validación en campo y optimización (ángulos y cotas) de suspensión. Procesamiento de la Información. Los recursos a utilizar: Humano: Director del Proyecto - Estudiantes Materiales: Textos especializados y fuentes bibliográficas (revistas, internet, libros electrónicos), Ordenador, Software LOTUS Suspension Analysis V5.0, Prototipo FSAE Eléctrico, Pista de prueba. 3

10 CAPITULO II FORMULA SAE Y UPM RACING 2.1. HISTORIA DE LA COMPETICIÓN En el año 1981 la SAE (Society of Automotive Engineers) creó la Formula SAE, una competición que tenía lugar todos los años en Texas (posteriormente en Michigan), USA, con el fin de probar las capacidades de alrededor de 140 equipos de universidades de todo el mundo. En 1998 se celebró en el Reino Unido una demostración en la cual compitieron dos coches americanos contra dos europeos. Fue tal el impacto que produjo este evento que IMechE (Institution of Mechanical Engineers) en colaboración con SAE y el IET (Institution of Engineering & Technology) creó la Formula Student, una competición internacional universitaria basada en concebir, diseñar, fabricar y competir con vehículos tipo fórmula. Desde entonces se ha realizado todos los años en Inglaterra la competición en la que participan alrededor de 100 equipos por certamen. Formula Student difiere de la SAE en cuanto a su diseño de organización. Sin embargo, utiliza las mismas normas con pequeñas variaciones siendo el concepto de la competición muy similar. Todo esto permite a los participantes ser protagonistas en diferentes competiciones sin modificaciones en su forma de trabajar UPM Racing FSAE A finales del 2003, por iniciativa del Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA) y de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y contando con el apoyo del Máster en Ingeniería en Automoción del INSIA, se constituyó el equipo UPM RACING, primer representante español en el evento. El cual, ha participado en todas las competiciones 4

11 organizadas por la SAE en Inglaterra desde entonces. El espíritu del proyecto es aprender aplicando, aprender haciendo, aprender en equipo y aprender compitiendo 1. El equipo UPM de combustión se compone de más de 50 alumnos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la UPM, del Máster de Ingeniería en Automoción del INSIA, de la escuela de Ingeniería Técnica Aeronáutica y de EUIT Telecomunicaciones. El equipo UPM Racing eléctrico inicia su participación en el año 2011 para la competición en Alemania; en el 2012 continúa su participación para competir en Inglaterra Silverston, ésta vez integrado por los estudiantes del Máster en Ingeniería de Automoción XXI y Máster en Ingeniería de Vehículos Híbridos y Eléctricos I. Figura 2.1. UPM Racing Team Eléctrico

12 Figura 2.2. Prototipo FSAE UPM Eléctrico 2012 El equipo se encuentra estructurado en 7 divisiones: Aerodinámica-Chasis-Dinámica Vehicular-Frenos-Electrónica-Motor-Marketing Cada división está liderada por un responsable que se encarga de coordinar y gestionar el trabajo de todos sus miembros, tomar decisiones técnicas y actuar como portavoz en las reuniones técnicas generales. Participar en la FÓRMULA SAE supone un gran reto para los estudiantes que deben organizarse como un equipo de profesionales donde, además de diseñar y fabricar un monoplaza, deben administrar los recursos de que dispongan. Estos recursos deben obtenerlos por sí mismos. Igualmente, los propios alumnos pilotarán el fórmula y se encargarán de sus reparaciones. En resumen, se trata de formar un grupo de estudiantes, organizados como una empresa, que tiene un objetivo: medirse con las mejores universidades del mundo 2.3. Qué es la Formula Student SAE Eléctrico? Desde el año 2010, la Fórmula Student SAE estándar ha incluido a vehículos eléctricos como equipos de clase 1A, en la actualidad por el tema del medio ambiente, éstos vehículos tienen un gran impacto positivo, dentro de la competencia miden el paso de corriente y tensión entre el almacenamiento de electricidad (batería) y el motor (es) de 6

13 accionamiento, es esencialmente la medición eléctrica, para determinar con precisión el consumo eléctrico de los vehículos durante el evento de Endurance. La competición de la Formula SAE Eléctrico es un desafío para equipos de estudiantes universitarios, a la hora de diseñar, fabricar y competir con un pequeño monoplaza de fórmula. Se intenta dar a los equipos la mayor flexibilidad posible y libertad para expresar su creatividad pero, así todo, existe una serie de restricciones acerca del diseño del vehículo. El gran desafío para los equipos es desarrollar un vehículo que pueda competir con éxito en todos los eventos descritos en la normativa. Las competiciones dan a los equipos la oportunidad de demostrar tanto su creatividad como sus capacidades en el ámbito de la ingeniería en comparación con otros competidores de distintas universidades de todo el mundo. Para lograr el propósito de la competición de la Formula SAE Eléctrico, los equipos simulan estar trabajando a las órdenes de una compañía que está diseñando, fabricando y probando un prototipo para el mercado del motor de competición. El vehículo debe mostrar un alto rendimiento en términos de aceleración, frenos y manejo y ser suficientemente resistente para completar con éxito todos los eventos descritos en la normativa. Otros aspectos fundamentales a tener en cuenta en el diseño son: la estética, los costes, la ergonomía, el mantenimiento, la manufacturabilidad y fiabilidad. Supuestamente, una vez que el vehículo se ha completado y probado, la compañía de diseño intentará vender el diseño a otra empresa que se encargará de la fabricación. El desafío pues, para el equipo, es desarrollar un vehículo prototipo que cumpla con los objetivos de diseño de la FSAE y que tenga una buena rentabilidad en el mercado. Cada diseño será juzgado y evaluado en comparación con otros similares para decidir cuál es el mejor de todos. 7

14 2.4. Ficha técnica UPM Racing FSAE Eléctrico 2011 Figura 2.3. FSAE UPM Eléctrico Pruebas estáticas y dinámicas Pruebas estáticas La máxima puntuación en las pruebas estáticas es: Presentación 75 puntos Diseño de Ingeniería 150 puntos Costes y manufacturabilidad 100 puntos TOTAL 325 puntos 2 8

15 Inspección Técnica Cada vehículo tiene que pasar la inspección técnica y las pruebas para conseguir las pegatinas de inspección antes de que se le permita participar en cualquier tipo de prueba dinámica. Los aspectos que se evalúan en la inspección técnica son: El prototipo Juegos de neumáticos (seco y mojado) El equipamiento del conductor: el casco, el mono, los guantes, las zapatillas y otros de elementos necesarios. Los extintores La barra para empujar el vehículo El formulario de equivalencia estructural El formulario de la inspección técnica Todos los pilotos deben presentarse a la inspección del vehículo Presentación El objetivo de la presentación comercial es evaluar la habilidad del equipo para desarrollar, ejecutar y entregar un proyecto que logre convencer a los ejecutivos de una empresa de que su producto es rentable, fiable y sostenible en el futuro. Para esto, se deben plantear cuestiones relacionadas con la comercialización y estandarización de los componentes. Diseño de Ingeniería El coche que mejor ilustre el uso de la ingeniería para lograr los objetivos de diseño y su mejor entendimiento por parte de los miembros del equipo, se evalúa positivamente en la prueba de diseño. El equipo deberá entregar previamente un informe de diseño que no exceda de las 8 páginas. El documento debe contener una breve descripción del vehículo con detalles acerca de las características técnicas del diseño y demás conceptos. Costes y manufacturabilidad Dentro de análisis de costes y manufacturabilidad señalan: 9

16 Enseñar a los participantes que los costes y el presupuesto son factores significativos que deben considerarse en cualquier tipo de proyecto de ingeniería. Hacer que los equipos tomen decisiones acerca de la elección entre costes y rendimiento Ganar experiencia creando y manteniendo un producto y todos sus subsistemas Que los participantes aprendan y entiendan los principios de diseño de fabricación y ensamblaje, teniendo en cuenta la manufacturabilidad y las restricciones que impone tener bajos costes Pruebas dinámicas La máxima puntuación en las pruebas dinámicas es: Aceleración 75 puntos Skidpad 50 puntos Autocross 150 puntos Consumo económico / emisiones CO2 100 puntos Endurance 300 puntos TOTAL 675 puntos Aceleración Esta parte de la prueba dinámica evalúa la aceleración del coche en recta. La prueba se lleva a cabo en una pista de 75 metros de largo. Además, se evalúa el rendimiento del motor y la capacidad de la suspensión para ofrecer la máxima adherencia. Prueba del Skidpad En esta prueba se examina el trazado de las curvas cerradas. El monoplaza debe ser capaz de formar círculos en el sentido de las agujas del reloj y viceversa. En esta prueba se ponen de manifiesto el funcionamiento de la suspensión y la capacidad de soportar aceleraciones laterales. 10

17 Consumo económico y Endurance Para vehículos de tracción eléctrica o hybrida, la energía consumida en la prueba será determinada con la medición de la energía eléctrica usada en DC (baterías) al inicio y final del evento. En el Endurance se ponen de manifiesto la fiabilidad del vehículo y su consumo. En la prueba se pueden encontrar entre cinco y siete monoplazas a la vez. Con el fin de evitar accidentes, el circuito dispone de zonas específicas para no interrumpir la marcha de otros vehículos. La prueba se desarrolla a lo largo de 22 Km. y es obligatorio realizar un cambio de piloto a mitad del recorrido. Los tiempos del Endurance están basados en la suma de los tiempos de cada piloto más las penalizaciones Reglamento a tener en cuenta en el diseño de la suspensión Artículo B El coche debe estar equipado con un sistema de suspensión con amortiguadores totalmente operativo, en el eje delantero y trasero, con un recorrido de la rueda de al menos 50,8 milímetros: 25,4 milímetros en compresión y 25,4 milímetros en extensión con el piloto sentado. Los jueces se reservan el derecho de descalificar a aquellos coches que no presenten una propuesta seria de sistema de suspensión o que no presenten un buen comportamiento direccional en el evento de Autocross. Artículo B Todos los puntos de montaje de la suspensión deben ser visibles en la inspección técnica, directamente o quitando alguna cubierta. El reglamento específico del sistema de suspensión no es muy extenso como se puede ver, habrá que prestar especial atención al recorrido de los neumáticos en compresión y extensión de la suspensión. 11

18 CAPITULO III LA SUSPENSIÓN EN LA COMPETICIÓN 3.1. Fundamentos teóricos En la actualidad existe una amplia y variada información técnica sobre la suspensión de vehículos y que se pueden encontrar en libros, revistas, internet, etc. Por lo que hablar de forma genérica de la suspensión, su historia, tipos y evolución en vehículos convencionales sería importante, pero al ser el proyecto enfocado a la competición, se hablará sobre la teoría y concepto de la suspensión en la competición y sus particularidades, especialmente con los elementos que cuenta el monoplaza UPM Racing La suspensión de un monoplaza tiene la función de absorber las desigualdades del circuito sobre el que se desplaza manteniendo aislado al chasis, además mantener de forma óptima el contacto de las ruedas con la pista, proporcionando un adecuado nivel de confort y seguridad de marcha 3. Sus funciones principales son las siguientes: Absorber esfuerzos y vibraciones generados por las irregularidades de la pista, y éstos no sean transmitidos al bastidor. Control direccional del vehículo Mantener el contacto del neumático con la carretera (adherencia). Mantener la posición de los neumáticos y la geometría de la dirección. Resistir el balanceo de la carrocería. Figura 3.1. Elementos de la suspensión de un monoplaza 3 Fundamentos sobre comportamiento dinámico del coche deportivo H. Baylos 12

19 Elementos y características del sistema de suspensión Figura 3.2. Representación de masa suspendida y no suspendida de un vehículo 4 Cuando se habla de suspensiones, existe un concepto muy importante que es el de masa suspendida y masa no suspendida. La masa no suspendida son todas las partes que, incluyendo la rueda, sirven para filtrar las irregularidades del terreno, mientras que la masa suspendida es el resto de las partes del coche. Figura 3.3. Sistema de suspensión (masa no suspendida) y sistema de dirección de un monoplaza 4 13

20 Las partes que generalmente se encuentran dentro de la parte no suspendida, y que constituyen la suspensión son las siguientes: Neumático. Brazos de suspensión, soporte de neumático-chasis. Muelle. Amortiguador. Barra estabilizadora Neumático El neumático es el primer elemento de la suspensión. Tiene que ser capaz de absorber las primeras irregularidades de la pista proporcionando, además, la adherencia transversal y longitudinal necesarias para que el coche mantenga con seguridad la velocidad de paso por curva que necesitamos. En realidad, es el único elemento que proporciona el rozamiento con el suelo y, por lo tanto, toda la investigación que se ha llevado a cabo por los fabricantes de coches para proyectar suspensiones, cada vez más eficaces, no serviría para nada si el neumático no hubiera ido evolucionando a la par. Figura 3.4. Partes de un neumático

21 En la figura 3.4 podemos ver las diferentes partes que constituyen un neumático en su configuración moderna. Hasta llegar a la actual, el neumático ha ido evolucionando de tal manera que a pesar de los tremendos adelantos introducidos en el automóvil, seguramente sean éstos los que proporcionalmente más han mejorado obteniendo los mayores avances. Gracias a esta radical transformación, los ingenieros han podido conseguir de los coches actuales una estabilidad impensable hace años atrás. Fuerzas y pares que actúan sobre un neumático Un neumático se encuentra sometido a las diferentes fuerzas y pares externas como se indica a continuación, por lo que su diseño y fabricación es compleja para determinar su funcionalidad óptima en conjunto con el diseño de la suspensión. Figura 3.5. Fuerzas y momentos que actúan sobre un neumático. En la actualidad se conoce dos tipos de neumáticos como son: diagonales y radiales (ver figura 3.6.); pero por su rendimiento y prestaciones el neumático radial se ha impuesto sobre el diagonal por lo que en competición es el que se utiliza más pero con características especiales. 15

22 Como se puede observar los neumáticos convencionales o diagonales tienen esa denominación por la forma del tejido de la carcaza, mientras que en el radial los tejidos son paralelos. Figura 3.6. Neumáticos convencionales (diagonales) y radiales Neumático radial y diagonal en competición Además es preciso indicar que la gran ventaja del neumático radial para competición es la mayor independencia entre el flanco y la banda de rodadura, el primero tienen que ver con la rigidez vertical y la relación con suspensión, mientras que el segundo tiene referencia con el desgaste, duración y comportamiento rotacional. Entre otras características importantes son: Menor rozamiento interno y menor generación de calor. Menor deformación de la banda ante solicitaciones Por lo anterior: menor energía disipada. Menor influencia de la fuerza centrífuga (más rigidez de la banda) Menor ángulo de deriva para el mismo esfuerzo: más direccionalidad En la figura 3.7. se muestra la diferencia de comportamiento en curva de un neumático de carcasa radial sometido a una fuerza transversal, que es diferente al del diagonal; mientras que en el último la mayor rigidez de los flancos y la menor de la banda de rodadura hacen que no despegue ésta del suelo, el radial, en cambio, por tener los flancos más elásticos y carcasa en la banda de rodadura más rígida, tiende a adoptar la posición que vemos en la 16

23 figura. Esta característica explica por qué el radial necesita un ángulo de caída mayor que el convencional, debiendo contar con 1 ó 2º como valor de este ángulo en estático para que sea capaz de proporcionarnos la máxima fuerza lateral de que es capaz. Figura 3.7. Comportamiento del neumático frente a solicitación transversal según su construcción En la figura 3.8., se aprecia que si el ángulo de inclinación de la masa suspendida es del mismo valor que el de caída en estático que tenía el neumático, éste se anula en el momento que más lo necesita el neumático: en pleno apoyo. Figura 3.8. Variación del ángulo de caída durante un apoyo

24 Factores de influencia: Los principales factores que influyen en las prestaciones de los neumáticos una vez montados en el coche son: Presión de inflado Ángulo de caída (estático y dinámico) Anchura de la llanta Temperatura de trabajo Brazos de suspensión Compuestos por las barras o brazos que definen la geometría de la suspensión. Son los elementos que mantienen unidas las ruedas al chasis y restringen sus movimientos. También transmiten las cargas al chasis, y de su geometría y posición depende directamente el comportamiento del vehículo. Los brazos suelen tener forma de A y suelen estar unidos al chasis y a la mangueta mediante rótulas que restringen sólo tres grados de libertad, dejando libres las rotaciones. Los puntos de unión entre los brazos (wishbones) y la mangueta deben ser los puntos de convergencia de los brazos, o vértice del triángulo, de modo que los brazos trabajen sólo a tracción y a compresión, y nunca a flexión. Hay un brazo superior y otro inferior por cada rueda. Figura 3.9. Brazo de suspensión (wishbones) Barra de empuje o push-rod Es la barra encargada de transmitir el movimiento de la rueda a los muelles y amortiguadores. A veces, las dimensiones del vehículo, y la falta de espacio hacen que la posición de los muelles y amortiguadores esté restringida, y otras veces por aspectos 18

25 aerodinámicos. Este sistema permite colocar el conjunto muelle-amortiguador casi en cualquier lugar, mediante la utilización del push rod y un balancín (rocker). Figura Barra de empuje (push-rod) Amortiguadores El amortiguador es el elemento elástico que convierte las fuerzas que transmite el conjunto de la suspensión en deformación. Dadas las características de cualquier tipo de muelle, la energía absorbida, con ciertas pérdidas es devuelta generándose oscilaciones de larga duración en el tiempo y que se mitiga muy despacio. Con el amortiguador se consiguen eliminar esas oscilaciones que siguen a la absorción de la fuerza generada sobre el conjunto de la rueda. Figura Amortiguador de competición marca Cane Creek 19

26 Existen diversos tipos de amortiguadores. Los más sencillos y rudimentarios son los de rozamiento, pero las estrellas son los de sistema hidráulico, neumático o mixto hidráulico/neumático. Para poder cumplir su cometido de disipar la energía almacenada en el muelle, que ha hecho que se modifique su forma, el sistema del amortiguador convierte esa energía en calor y resistencia dinámica. De esta forma, el sistema, olvidándose ahora del de rozamiento mecánico, hace pasar el fluido, normalmente aceite, por unos orificios con forma y dimensiones concretas. La tecnología ha llegado a sistemas de múltiples cámaras y canales para disipar de forma independiente y óptima fuerzas de amplitud y frecuencia dispar. El amortiguador utilizado en el monoplaza UPM Racing eléctrico es de tipo aceite y gas con reservorio aislado, su funcionamiento se indica a continuación: En la siguiente figura muestra al amortiguador en compresión y trabajando en alta presión, por lo que las válvulas de high speed actúan (ver líneas rojas de flujo). Las líneas azules indica el flujo de aceite en el caso de rebote de la rueda que corresponde al estado de extensión del amortiguador. Los amortiguadores de gas son sensibles a pequeños desplazamientos y a altas velocidades, que es lo que hoy en día predomina en los vehículos de competición Figura Amortiguador en compresión y extensión (high speed) 20

27 En curvas lentas es necesario contar con un amortiguador que cuente con circuito a velocidades bajas, como se muestra en la figura siguiente como es el funcionamiento en estados de compresión y extensión bajo condiciones de baja velocidad. Figura Amortiguador en compresión y extensión (low speed) Muelles Para que esta oscilación no haga que se despeguen constantemente del suelo, debemos aportar a la suspensión un elemento llamado muelle que atenúe su subida acelerada, evitando el rebote una vez llegada al final del desplazamiento. Los muelles almacenan la energía que se produce al chocar las ruedas del vehículo contra los obstáculos del terreno, además relajan estas aceleraciones al comprimirse o extenderse, ya sea por las irregularidades de la carretera como por la transferencia de cargas entre los ejes por efecto de una variación en la trayectoria o la velocidad del vehículo Figura Muelles de competición 21

28 Constante del muelle En el caso del prototipo UPM Racing se utiliza un muelle helicoidal es un elemento elástico capaz de darnos una fuerza que es proporcional a la longitud con que se deforma, o lo que es lo mismo: ante una carga (fuerza) F que actúe sobre el muelle, éste se deforma una longitud x (deflexión) ejerciendo una fuerza según la siguiente ley: F = -K.x Donde K es el factor de proporcionalidad que se utiliza para definir el muelle considerado, y se denomina constante del muelle y el signo menos indica que la fuerza ejercida por el muelle va en sentido contrario a la deformación que sufre. En ocasiones se puede encontrar con una disposición de varios muelles asociados, en este caso el conjunto se puede sustituir por un solo muelle cuya K se halle mediante la siguiente equivalencia como muestran las siguientes figuras; para el sistema neumático muelle de una suspensión se formulará como sistema en serie. Figura Conjunto muelles en serie (sistema suspensión: neumático muelle) Figura Conjunto muelles en paralelo 22

29 Relación de desplazamiento En los casos reales, el recorrido de la oscilación de la rueda, al moverse verticalmente, no es igual al desplazamiento del muelle en su recorrido, por lo cual es necesario saber la relación existente entre ellas: relación de desplazamiento (RD), y se define como la relación entre el desplazamiento del centro de la rueda y el del muelle. Es un parámetro eminentemente geométrico que depende de la configuración particular de la suspensión. Figura Relación de desplazamiento Al tomar en cuenta esto aparecen dos variables, la constante Kr que resulta en la rueda (wheel rate), y la Km correspondiente al del muelle (spring rate), que deben ser diferentes: Kr nos determinará la frecuencia de oscilación de la masa suspendida. En función de la Kr que se considere necesaria, se elige la del muelle, puesto que según sea la relación de desplazamiento RD que existe entre el recorrido de la rueda y del amortiguador, se empleará un muelle más o menos rígido. Para calcular la constante Km que se debe elegir en el muelle, para que el Kr en el centro de la rueda sea la que se busca realmente, se aplica la siguiente fórmula: Km = Kr (RD) 2 23

30 Ahora se añadirá la elasticidad de los neumáticos, en vehículos con muelles muy rígidos, como por ejemplo aquellos sometidos a fuertes cargas aerodinámicas o los destinados a circuitos ovales como el caso de competición en pistas, la mayor parte de la suspensión la realizan los propios neumáticos, con lo que es éste un parámetro que no se deberá pasar por alto en los cálculos. La constante elástica del neumático Kn (tire rate) a una presión de inflado determinada es un dato que debe proporcionar el propio fabricante de neumáticos. Figura Esquema de las constantes elásticas de una suspensión. Como se indicó anteriormente la suspensión y los neumáticos trabajan como dos muelles en serie, con lo que sus constantes se relacionan con la rigidez total mediante la siguiente expresión: Frecuencia de la oscilación Se denomina a la frecuencia (f) a las veces por segundo que se expande y vuelve a comprimir un elemento elástico. Se mide en ciclos por segundo, es decir, en Hertzios (Hz). Contemplando este movimiento con toda la masa suspendida del coche sin amortiguadores, al someterlo a un aplastamiento se observa que ésta oscila con una determinada frecuencia. Como se puede deducir, a mayor rigidez del muelle (Km) la oscilación será más rápida (mayor frecuencia) y a menor constante, menor frecuencia (más tardará en subir y bajar la masa del coche), puesto que la fuerza con la que éste responde a la compresión es menor que en el caso de muelle más rígido. 24

31 Si un coche ejemplo (sin amortiguadores) tuviera la misma frecuencia de oscilación en el tren delantero que en el trasero, el movimiento de subida y bajada con el lógico desfase debido a su batalla sería insoportable, haciendo que los pasajeros despegaran continuamente del asiento. Si la frecuencia de un tren fuera mucho más alta que la del otro, el movimiento delante-atrás tampoco sería soportable. La relación entre las frecuencias delantera y trasera debe guardar, por lo tanto, un equilibrio teniendo como objetivo el confort de los pasajeros. En un turismo actual, con el tren delantero más sobrecargado por la mecánica, la experiencia indica que la frecuencia delantera debe ser entre un 20 y un 25% superior a la trasera. En una utilización normal, si no queremos agitar demasiado a los pasajeros, la frecuencia no debería sobrepasar los 1,2 Hz. En los deportivos rápidos, entre 1,3 y 7,5 Hz, mientras que en competición la frecuencia puede llegar hasta los 6 Hz (caso de la F1). La frecuencia de un sistema oscilatorio está relacionada con la constante elástica del sistema K y con su masa M. En este caso, dicha constante será la de elasticidad de la suspensión, Ks (ríde rate) y M será la masa total sobre cada tren (estudio de un cuarto del vehículo), de manera que: Por último, al trabajar con frecuencias de oscilación que tengan en cuenta los amortiguadores, las fórmulas anteriores deberán incluir el coeficiente de amortiguación ξ de la suspensión sustituyendo las frecuencias no amortiguadas f por las amortiguadas obtenidas de: Conociendo la deflexión que va a sufrir el muelle bajo la masa que gravita sobre su rueda y la frecuencia amortiguada que se desea dar al tren considerado, se tendrá una base de partida para elegir unos muelles de la rigidez apropiada y que haga más rápido el coche. 25

32 Barra estabilizadoras Consiste en una barra de acero que, unida a la masa suspendida por su parte central, va anclada por cada uno de sus extremos a una rueda, derecha e izquierda de uno de los trenes. Su acción se lleva a cabo exclusivamente cuando existe una diferencia de recorrido en una rueda respecto de la otra, o cuando hay un ángulo de inclinación lateral en la masa suspendida (figura 3.19). El principio de funcionamiento es muy simple; cuando se produce un movimiento de bump o rebound en ambas ruedas de un mismo eje, la barra puede girar libremente sobre su eje, y no crea ninguna fuerza de reacción en las ruedas, sin embargo, cuando el chasis gira, el desplazamiento de cada extremo de la barra es diferente, y la barra se torsiona, originando un momento contrario al giro del chasis que hace que el ángulo de balanceo disminuya. Se utilizará para conseguir un equilibrio entre la rigidez del eje delantero con respecto al eje trasero, para mejorar el comportamiento en curva Figura Efecto de la barra estabilizadora 3.2. Tipos de suspensiones en competición En el mundo de las competiciones en pista y tomando como referencia la Formula 1, existen dos tipos de suspensiones más utilizadas en la actualidad: el push-rod y pull-rod. La diferencia básica entre las dos es que en una la barra trabaja a tracción y la otra a compresión. Se puede decir que a nivel de suspensión no hay diferencia entre uno u otro, dejando de lado los puntos de anclaje que evidentemente influirán mucho en la dinámica del monoplaza. Como se puede observar en las figuras siguientes, la diferencia constructiva no es más que la disposición de la barra en diagonal (color verde). 26

33 Figura Suspensión independiente Pull-rod, Push-rod Push-rod Consta principalmente de los 2 triángulos de suspensión, una barra diagonal que trabaja a compresión y que empuja a su vez un balancín que acciona un conjunto muelleamortiguador. En este caso, al subir la rueda ante un impacto, giran los 2 triángulos (ver figura 3.21, las barras horizontales ). Con estas se mueve la barra diagonal, que empuja el balancín de color verde que actúa a su vez sobre el amortiguador, haciendo que se comprima. Esto implica que la barra diagonal funcione a compresión, lo que le da nombre al sistema. En el esquema de la derecha se pueden ver en verde las fuerzas que transmiten el impacto en la rueda hasta el amortiguador. Figura Suspensión Push-rod Juan Antonio Marchán "markchang" para tertuliasdef1 27

34 Pull-rod En este tipo, la barra diagonal trabaja a tracción y algunos elementos están colocados diferente al push-rod. Como muestra la figura 3.22 la barra diagonal tira del balancín hasta que forman una línea recta; al estar el amortiguador unido al balancín, se comprime; además se puede ver el triángulo naranja, que representa como se mueve el conjunto barra a tracción y balancín. Se pueden observar en morado el punto inicial y final del anclaje del amortiguador Figura Suspensión Pull-rod 9 Las diferencias esenciales que se pueden indicar son: Una barra trabajando a tracción (pull) puede ser más delgada que otra trabajando a compresión (push). Esto hace disminuir el peso de la masa no suspendida, aspecto muy importante en competición. Al ser la barra más delgada, presentará menos resistencia aerodinámica. Al mismo tiempo queda más espacio libre en la parte trasera del coche para que el aire fluya de mejor manera. En la configuración 'Pull Rod', los amortiguadores y muelles pueden situarse más abajo, reduciendo así la altura del centro de gravedad. Como se sabe, tener un centro de gravedad bajo influye favorablemente en la dinámica del vehículo. En 'Pull Rod', el sistema a tracción sufre esfuerzos más grandes en determinados puntos y por este motivo es más delicado. En cuanto a costo, el diseño y la fabricación del pull-rod es muy superior, por lo que en la Formula SAE Student es más utilizado el de tipo push-rod 9 Juan Antonio Marchán "markchang" para tertuliasdef1 28

35 3.3. Geometría de la suspensión y parámetros cinemáticos Convergencia Es el ángulo que forman las prolongaciones de los ejes longitudinales de los neumáticos, tanto delanteros como traseros, con el eje longitudinal del coche. Se mide en milímetros, en un plano paralelo al suelo que pasa por el centro de las ruedas del mismo eje, el valor de la convergencia oscila entre: ±1 y +5 mm 10 Convergencia Positiva Toe in Cuando las ruedas están cerradas en su parte delantera. Convergencia Negativa Toe out Figura Convergencia positiva Cuando las ruedas están cerradas en su parte trasera. Figura Convergencia negativa 10 Apuntes de Sistemas y componentes de chasis. Luis Martínez 29

36 Anomalías en el ángulo de convergencia Un exceso de convergencia provoca un desgaste excesivo en la parte exterior de los neumáticos del mismo eje. La falta de convergencia provoca un desgaste excesivo en la parte interior de los neumáticos del mismo eje. Figura Anomalías en convergencia Además el ángulo de convergencia, condicionan la posición del centro instantáneo de rotación del vehículo y, por tanto, su comportamiento dinámico. La extensión del cambio de convergencia dinámico depende de la elasticidad de la suspensión y de sus brazos de guiado, así como, del brazo de palanca transversal de cada rueda. Figura Variación de la convergencia vs oscilación de suspensión 30

37 Caída Camber Es el ángulo de inclinación del neumático con respecto al plano perpendicular a la superficie de la calzada. Un cierto ángulo negativo de camber, aumenta el agarre del neumático en curvas, y un ángulo positivo, hace que haya cierta pérdida de adherencia. Figura Caida negativa (verde) y caída positiva (roja) En la figura 3.28 indica cómo aumenta el coeficiente de fricción de un neumático para ciertos ángulos de caída camber, se puede ver que el máximo se encuentra entre -1º y -2º de caída para unos neumáticos concretos. Este comportamiento puede variar en función del tipo de neumático, presión de inflado, temperatura, etc. Figura Camber vs tire cf Extraída de Tune to win de Carroll Smith 31

38 El ángulo de caída es importante ya que define la inclinación con que el neumático se apoya en el suelo y por lo tanto la cantidad de goma de la banda de rodadura que va estar en contacto con el suelo. Variación del ángulo de caída El ángulo de caída se modifica con el movimiento vertical de la suspensión. En la mayoría de las suspensiones su tendencia es a disminuir cuando la suspensión se comprime. Figura Variación del ángulo de caída vs oscilación de suspensión Efectos principales: Durante la circulación en curva, el ángulo de caída sufre la misma variación que el balanceo de la carrocería, tendiendo a hacerse más positivo en las ruedas exteriores y disminuyendo en las interiores. Las ruedas exteriores se comprimen debido a la transferencia de carga y se compensan los dos efectos (compresión de la suspensión y balanceo de la carrocería). En las ruedas interiores también se produce una compensación entre la extensión de la suspensión y el balanceo de la carrocería. El efecto final que gobierna el eje es el conseguido en la rueda exterior ya que es la que mayor carga vertical soporta y por lo tanto mayores esfuerzos genera 32

39 Ángulo de salida También llamado de inclinación king pin en inglés, es el ángulo que forma el pivote o eje de la dirección con la vertical, oscila entre (+4º 0 y +14º 30 ) Figura Ángulo de salida King Pin Prolongando la línea del pivote hasta su intersección con el suelo se puede ver que, si este punto está situado entre el centro geométrico de la elipse de contacto y el exterior del coche, el ángulo será negativo, y si es hacia dentro, positivo. Es obligado en los coches de serie con objeto de aproximar la huella de contacto al punto donde se considera aplicada la fuerza normal de esa rueda, con lo que se evita así un desgaste excesivo de rodamientos y manguetas. Igualmente, la distancia d entre esos dos puntos será positiva si está situada de la mitad de la huella de contacto hacia dentro, y negativa si es hacia fuera. Figura Ángulo de salida y sus efectos sobre la orientación de las ruedas 33

40 En los coches de competición, donde el preservar los rodamientos de un desgaste prematuro no es primordial, el hecho de proporcionarle ángulo de salida a la dirección viene condicionado por la importancia que tiene en el comportamiento dinámico del coche, sobre todo en momentos de frenada o tracción. Cuando el ángulo de salida es positivo, en el momento de la frenada el par de fuerzas producido en cada neumático por la fuerza de rozamiento y el peso del vehículo, tiende a desestabilizar el coche por tender a abrir la dirección. Figura El neumático en su giro baja por debajo de la cota cero Además el ángulo de salida negativo al hacer que la rueda describa un plano que interseca al de la cota cero, eleva la parte delantera del coche produciendo, cuando se suelta el volante, la retornabilidad de la dirección a la posición de equilibrio como muestra la figura El esfuerzo necesario para mover el volante está condicionado por este ángulo que, en función del peso que gravita sobre el tren delantero, puede llegar a ser importante. El que resta entre el de salida y el de caída es el ángulo incluído. Si la rueda tiene además un ángulo de caída, habrá que sumarlo al de salida si es positivo (o restarlo si es negativo), para saber el valor exacto de éste. 34

41 Figura Ángulo incluido Ángulo de Avance King-pin axis El ángulo de avance es el formado por la línea de mangueta, mirada de perfil (lateralmente), con la vertical. Se aprecia claramente en las motos o bicicletas, ya que es el que forma hacia delante el pivote de dirección con la línea imaginaria vertical. Se mide en grados, minutos. o incluso mm de distancia entre el punto de intersección con el suelo y el punto medio de la huella de contacto del neumático con él. El valor del ángulo recomendado oscila entre: -1º y 5º para tracción delantera y 7º y 12º para tracción trasera. Figura Ángulos de avance 35

42 El desequilibrio entre los ángulos de avance derecho e izquierdo provoca inestabilidad en ruta y en la frenada. El ángulo de avance y el de salida son los ángulos que caracterizan el par de reversibilidad de la dirección. Acentuando lo anterior, el ángulo de avance proporciona en la geometría de la dirección un aumento del de caída cuando la giramos, lo cual hace que el vehículo considerado se comporte de muy diferente forma según el ángulo del que se haya partido en estático. Dentro de los valores aconsejados por el fabricante de los neumáticos y del definido por el del coche, en la medida que se administre adecuadamente los ángulos dados al tren delantero, se conseguirá el comportamiento adecuado para que el coche sea más del gusto del piloto, haciéndolo más rápido. En general, se procura que el valor del ángulo de avance sea el mínimo necesario para que el rozamiento que se produce en línea recta no reste excesiva velocidad. Lanzamiento La distancia longitudinal entre el punto de corte de la prolongación del eje de pivote con el plano del suelo y el centro de la huella de contacto del neumático se conoce como lanzamiento. El diámetro del neumático y el ángulo de avance determinan el valor del lanzamiento. Para el mismo avance al aumentar el diámetro del neumático se aumenta el lanzamiento. Figura Lanzamiento 36

43 El lanzamiento es la cota más importante de la dirección para generar el par de reversibilidad y el efecto de auto-guiado del vehículo. A mayor valor del lanzamiento el vehículo es más estable en línea recta y más perezos para entrar en las curvas Centro de Gravedad Se denomina Centro de Gravedad (CG) al punto donde se puede considerar concentrada toda la masa del coche a efectos de cálculo. De su situación, tanto respecto al suelo (altura del CG) como a lo largo del eje longitudinal del coche, va a depender en gran manera la estabilidad y comportamiento en curva y en frenada o aceleración. Es intuitivo comprender que, cuanto más bajo se halle situado, más rápida será la velocidad de paso por curva. La figura siguiente indica con más claridad las fuerzas principales que actúan al tomar una curva. Figura La altura del Centro de Gravedad influye decisivamente sobre la tendencia al vuelco Como se observa en la figura 3.45, cuanto mayor sea la vía del coche y más pequeña la altura h del CG, más difícil será llegar a volcar: no importa este hecho en sí (que es extremo) sino principalmente porque la transferencia de pesos de la rueda interior hacia la exterior será inferior. De esta forma si la línea de acción de la resultante R interseca el suelo fuera del área del neumático el coche tenderá a volcar, lo que es imposible si no se da esta condición. 37

44 Efectivamente, bajar la altura al suelo en los coches, practicada en el momento de pensar en una preparación para participar en carreras, está justificada siempre que se mantenga un recorrido de suspensión suficiente para no llegar hacer tope, o genere algún problema en las transmisiones u otro elemento de suspensión. Esto puede lograrse ya sea modificando la posición de los anclajes o montando muelles de una rigidez superior, siempre que sean compatibles con las condiciones estudiadas anteriormente Centro Instantáneo Instant center El centro instantáneo de rotación CIR de los brazos de suspensión, desde una vista frontal al vehículo, es el punto de intersección entre las rectas de prolongación del brazo superior y el brazo inferior de la suspensión. Se puede afirmar que es el punto aproximado sobre el que girarán los neumáticos y por lo tanto, de su posición dependerá el cambio de caída del neumático al desplazarse verticalmente. Figura Centro instantáneo de rotación CIR La distancia entre el instant center y el plano medio del neumático se denomina swing arm lenght (SAL), a mayor SAL, menor será la variación del camber para un determinado desplazamiento del neumático, y con un SAL menor, el camber change será mayor. 38

45 Centro de balanceo roll center El roll center estático se encuentra uniendo el punto de contacto del neumático con el instant center, la intersección de esta recta con el eje medio del coche nos da el roll center, que es el centro de balanceo del chasis. La distancia entre el centro de gravedad del coche y el roll center se llama roll moment arm, que definirá el roll del coche para una determinada fuerza lateral. Con un roll center muy cerca del centro de gravedad, se tendrá un ángulo de balanceo menor, pero la variación de la geometría de la suspensión será mayor. Sin embargo, un roll center bajo, hará que se tenga un ángulo de roll mayor, pero la geometría de la suspensión cambiará menos. Figura Centro de balanceo CB 12 Se sabe que el balanceo no es un movimiento deseado para el comportamiento dinámico, por lo que conviene disminuirlo en lo posible; partiendo de que en los chasis diseñados especialmente para competición los CB están situados a una altura razonable. En realidad, el situarlo tan alejado del CG, por debajo del suelo, no es por otra razón que la de poder manejar la transferencia de pesos a nuestra voluntad variando muelles y, sobre todo, permite conseguir el equilibrio buscado con un reglaje adecuado de la barra antibalanceo, más comúnmente llamada barra estabilizadora. 12 Extraida de Design of a suspension for SAE car Adam Theander 39

46 Eje de balanceo roll axis Cada una de las secciones que constituyen un vehículo tendrá un Centro de Balanceo distinto. El lugar geométrico unión de todos ellos constituye el llamado Eje de Balanceo, también llamado NRA (Neutral Roll Axis) o eje respecto al cual no hay balanceo. Es decir, si aplicamos una fuerza lateral de cualquier magnitud a la altura del Eje de Balanceo la carrocería no se inclinará. Debido a que la altura del centro de balanceo del eje posterior suele ser mayor que la del eje delantero, el eje de balanceo que une ambos centros está inclinado hacia delante. Este eje no pasa por el centro de gravedad, por lo que ésta es la causa de la existencia de balanceo y, por tanto, de transferencia lateral de masa. Figura Eje de balanceo CB Rigidez de balanceo Las rigideces de balanceo se expresan como la relación entre el momento de balanceo y el ángulo que se inclina la carrocería. Relacionar estas magnitudes requeriría expresiones matemáticas complejas, por lo que habitualmente se aproximan los cálculos considerando la masa total en lugar de la masa suspendida (es decir, despreciando la no suspendida). Con 13 Comportamiento Dinamico del coche deportivo H. Baylos 40

47 esta simplificación, el incremento de peso debido a la transferencia de un lado a otro para el eje delantero, será deducido a la fórmula: Para el tren trasero, la expresión es análoga sustituyendo todos los subíndices D por T y los T por D, además de h1 por h7 (ver figura 3.48) Geometría Anti-levantamiento anti-squat y Anti-hundimiento anti-dive Hay dos tipos de geometría de suspensión que se emplean para limitar el movimiento del chasis, pero que no intervienen en la transferencia de masa: Anti-squat y Anti-dive La geometría de las suspensiones sufre variaciones con la transferencia de pesos de delante hacia atrás (o viceversa) que experimenta un coche en el momento de acelerar o frenar. Por ejemplo, durante una frenada a gran velocidad el incremento de peso que sufre el tren delantero puede llegar hasta el 50% de la masa suspendida, produciendo una inestabilidad al descolocarse las suspensiones precisamente en un momento de gran relevancia. De igual modo ocurre al acelerar. Para minimizar el aplastamiento que sufre la suspensión delantera en el primer caso -o la trasera en aceleración- se emplea una disposición de sus elementos que describimos a continuación. Anti-levantamiento Anti-Squat Uno de los cálculos imprescindibles que se debe hacer en una suspensión, es elegir este porcentaje de anti-squat si se tiene la suerte de poder acceder a su diseño calculando de forma adecuada, y en el que siempre se deberá fijar al estudiarla para comprender su eficacia, e incluso modificar convenientemente si se trata de un monoplaza mediante el cambio de posición del anclaje de los trapecios, ya que en un turismo se sale del alcance de la mayoría de los preparadores debido a la dificultad que supone cambiar los anclajes de la suspensión. 41

48 Figura Geometría Anti-squat 14 En la figura 3.49 se puede ver cómo se halla el Centro de Transferencia (CT) de delante hacia atrás al acelerar, en una suspensión formada por trapecios superpuestos como es el caso del monoplaza UPM Racing Eléctrico. El CT es el centro teórico respecto del cual gira el tren trasero en su movimiento de delante atrás en un momento de aceleración o de fuerte apoyo, normalmente a la salida de una curva. La distancia entre el CG y el punto A nos define la magnitud de su efecto, y se acostumbra a medir en porcentaje de la altura total de aquél. Por ejemplo si A se encuentra al 20% de la altura del CG, éste será el porcentaje de efecto anti levantamiento. Figura Anti-squat de suspensión posterior Anti-hundimiento Anti-dive El anti-dive evita que la parte trasera del chasis se levante durante las frenadas, también se mide en porcentaje de la altura del CT respecto al CG, no siendo usual un valor mayor del 30%. 14 Comportamiento Dinamico del coche deportivo H. Baylos 42

49 Figura Geometría Anti-dive Bump steer y roll steer Reciben este nombre (siempre en inglés) las variaciones que sufre el paralelo por dos causas distintas: a. al oscilar la suspensión en todo su recorrido útil (bump steer). b. al balancear (roll steer). Esta variación impone un cambio de dirección en el coche; de ahí steer (dirección). Para evitarlo, se debe trabajar con los elementos de dirección y suspensión, optimizar las variaciones de paralelo. El método representado en la figura 3.52 consiste en hacer oscilar la suspensión a lo largo de todo su recorrido útil, y comprobar las variaciones de paralelo con los comparadores centesimales que se pueden ver. Efectuando esta medición cada milímetro de desplazamiento se conseguirá representar un gráfico que, si no es una línea recta, producirá un comportamiento errático a la menor oscilación, intolerable en competición o en una conducción rápida. En cada tipo de suspensión habrá que actuar de una forma para conseguir la mínima variación. Cuando los semitrenes derecho e izquierdo se mueven relativamente entre ellos siguiendo las oscilaciones del terreno, o en general ángulos diferentes de inclinación del lado interior y exterior de la curva, las bieletas de la dirección, si se trata del tren delantero o las pequeñas diferencias de longitud entre los elementos de suspensión de ambos lados si se trata del trasero, determinan esas diferencias de paralelo que inducen variaciones de 15 Comportamiento Dinamico del coche deportivo H. Baylos 43

50 trayectoria que producen unos movimientos parásitos que no favorecen en absoluto la estabilidad. Figura Esquema para la medición del Bump-steer Geometría de Ackermann Cuando un vehículo pasa una curva, su rueda delantera interna recorre menos camino que la externa puesto que el radio de ambas trayectorias es diferente: tanto mayor es la diferencia de giro que debe presentar una respecto de la otra cuanto más pronunciada sea la curva en cuestión. Para que el Centro Instantáneo de Rotación (CIR) de ambos trenes coincida, convirtiéndose en lo que se denomina punto de mínimo deslizamiento en el estudio cinemático, es necesario que se cumpla la condición geométrica representada en la figura

51 Figura Condición de Ackerman y CIR. El Ackermann suele cuantificarse en forma de porcentaje con respecto a la batalla. Así, cuando la intersección de las líneas formadas por las bieletas de dirección se produce sobre el eje trasero, como se puede observar en la figura 3.54, se habla de Ackermann 100%. Si las bieletas son paralelas entre sí: Ackermann neutro o al 0%. Y cuando la intersección se produce por la parte delantera, se emplean porcentajes negativos. Figura Geometría tipo Ackermann. En competición, dados los grandes apoyos en curva y la gran transferencia de pesos hacia el exterior de la misma, la rueda exterior trabaja, casi siempre, con ángulos de deriva acusados. En esta circunstancia, dependiendo del valor de dicho ángulo, puede ser aconsejable reducir el Ackermann a 0 (Ackermann neutro) o incluso Ackermann negativo. 45

52 CAPITULO IV ANÁLISIS CINEMÁTICO DE SUSPENSIÓN FSAE ELECTRIC UPM 4.1. Diagnóstico de suspensión UPM 2011 E Luego de la presentación del equipo UPM Racing 2011 en Alemania, surgieron varias oportunidades de mejora, entre ellas en el sistema de suspensión, dentro de los cuales se detallan a continuación: Calcular la riguidez de los muelles ya que al momento de arranque del coche, éste tenía el contacto con el suelo. Figura 4.1. UPM Racing Eléctrico 2011 CAR E20. En la suspensión trasera, los puntos de articulación (rótulas) de los brazos de suspensión están conectado al chasis en una zona donde hace que la barra trabaje a flexión; por lo que se deberá estudiar en conjunto con el área de chasis y baterias para llegar a un compromiso. Con los parámetros anteriores solventados se procederá a la realización de la simulación cinematica mediante el programa LOTUS LSA para analizar la geometría y el comportamiento de la suspensión, y posteriormente realizar la simulación dinámica con la ayuda del software MSC. ADAMS/CAR, éste último es otro tema de estudio realizado como proyecto de fin de Máster de la UPM. 46

53 Figura 4.2. Suspensión trasera UPM Eléctrico 2011 CAR E20. Figura 4.3. Modelado en programa CATIA UPM Eléctrico Datos de partida Muchos de los datos necesarios para realizar el análisis por simulación son datos recopilados del proyecto anterior UPM 2011 Eléctrico, así también de los parámetros de diseño de la suspensión del UPM 08 de combustión. Esto se debe a que es necesario recuperar componentes del vehículo anterior para disminuir el presupuesto. Es por eso, que muchas medidas y datos vendrán dados por las dimensiones de los componentes anteriores, Además por las mejoras realizadas al chasis, el sistema de suspensión y demás sistemas, se procedió a generar el monoplaza en el programa Catia V5 con el fin de estimar valores 47

54 teóricos como por ejemplo: Masa suspendida, masa no suspendidas, centro de gravedad, etc. A continuación, se muestra una lista de los datos de partida que se toman para el UPM Racing 2012: Longitud total (mm): 2940 Ancho total (mm): 1430 Altura total (mm): 1058 Track delantero (mm): 1230 Track trasero (mm): 1160 Batalla (mm): 1650 Masa total incluido 70 kg del piloto (kg): 350 Masa suspendida (kg): 265 Masa no suspendida (kg): 85 Altura del centro de gravedad (mm): 300 Masa en el eje delantero (%): 45 Masa en eje trasero (%): 55 Altura mínima del coche (mm): 45 Recorrido total de suspensión (mm): 50.8 Neumáticos: Hoosier 20.5 x 7.0 R13 Figura 4.4. Modelado de nuevo chasis UPM Eléctrico 2012 nuevos puntos de sujeción de suspensión trasera. 48

55 4.3. Cálculos de rigidez de muelles Eje delantero Tomando como referencia datos de diseño de UPM 2011: Para una frecuencia de 2.32 Hz Masa en eje delantero (0.45% del total) = Kg Rigidez de sistema en una rueda de eje delantero: Con la rigidez del neumático: Kn = 120 N/mm Se calcula la rigidez en la rueda: Aplicando la formula de relación de desplazamiento RD: La rigidez del muelle será: En el mercado existen rigideces de valores exactos por lo que se seleccionará el de 225 lb/in que equivale a 40 N/mm Eje Posterior Para una frecuencia de 2.22 Hz Masa en eje delantero (0.55% del total) = Kg Rigidez de sistema en una rueda de eje delantero: 49

56 Con la rigidez del neumático: Kn = 120 N/mm Se calcula la rigidez en la rueda: Aplicando la formula de relación de desplazamiento RD: La rigidez del muelle será: Se seleccionará muelle de rigidez de 350 lb/in o 60 N/mm 4.4. Introducción del Programa Lotus Suspension Analysis LSA Presentación LOTUS es una aplicación líder en el mercado para el modelado y diseño de suspensión de los líderes mundiales en puesta a punto de vehículos y su análisis, el módulo del programa Lotus Análisis SHARK es un simulador de suspensión geométrica y vienen con herramientas de modelado cinemático, con una interfaz fácil de usar para aplicar cambios a la geometría propuesta y de forma instantánea evaluar su impacto a través de los resultados gráficos. El módulo RAVEN utiliza un modelo de simulación integral no lineal para la dinámica vehicular, derivada de las características cinemáticas de movimiento y compatible con las ruedas de suspensión de un vehículo. 50

57 Figura 4.5. Simulador LOTUS Suspension Analisys Qué es el Lotus Suspension Análisys? Figura 4.6. Pantalla LOTUS Suspension Analisys Es una herramienta de análisis y diseño que se puede utilizar tanto para el diseño inicial de los puntos fijos de la suspensión, y también para el diseño y la orientación de los brazos de suspensión para la puesta a punto del comportamiento deseado. Los modelos se crean y se modifican a través de un entorno 3D de visualización. Esto permite que los puntos de articulación y los brazos ser "arrastrados" en la pantalla y que los 51

58 resultados gráficos / numérico sean actualizados en 'tiempo real'. El programa contiene uan serie de plantillas bases para el modelado con lo que permite a los usuarios crear sus propios modelos de suspensión Usos normales de Análisis Suspensión Lotus LSA es utilizado tanto por los diseñadores y los analistas para la disposición de las posiciones de los puntos de suspensión, a fin de conseguir que el comportamiento cinemático deseado. Cualquier resultados se puede mostrar gráficamente (por ejemplo ángulo de caída, el ángulo del convergencia), en función del movimiento de rebote - vaiven, movimiento de balanceo o el movimiento de la dirección. Estos resultados se actualizan en "tiempo real" así como el movimiento de los puntos de suspensión Conceptos generales LSA dispone de dos modos principales de visualización y análisis, en 2D y 3D, y es posible importar un modelo 2D en 3D. Las suspensiones pueden ser articuladas en los modos individual de bump / rebound, de balanceo roll y de dirección steer o un modo de combinación que permite ejecutar a todos los tres tipos de articulación. Los modos de dirección son relevantes solo para el modo 3D. LSA utiliza plantillas para identificar determinados tipos de suspensión en 3D. Estas plantillas definen el número de piezas, el número de puntos y la conectividad de las partes. Un gran número de plantillas "estándar" se incluyen en la instalación, mientras que los usuarios pueden crear su propio o modificar las existentes para los tipos de modelo de suspensión cinemáticas no disponibles. Los modelos 3D pueden ser construidos como ángulos, eje o modelos completos de suspensión del vehículo. LSA se puede utilizar sólo en modo cinemático, (es decir, cuerpos rígidos con juntas de bola), o en el modo personalizado donde la deflexión debida a las articulaciones son añadidas a los resultados cinemáticos sobre una base incremental, (nota que el módulo personalizado necesitará licencia adicional al módulo cinemático). El modo personalizado incluye el análisis modal y de capacidad de amortiguación forzada. 52

59 Figura 4.7. Modelos 3D Sistema de Coordenadas El sistema de coordenadas de LSA es un sistema basado en la ley de la mano derecha con origen que debe estar en la parte frontal del coche y coincidir con la línea central longitudinal del vehículo. Eje Y está paralelo a la vía del coche, y la dirección positiva es hacia la derecha cuando se está sentado en el coche. Las suspensiones se pueden definir como lado derecho o el lado izquierdo según se requiera. Eje X está a lo largo de la batalla del vehículo y positiva hacia la parte trasera del coche. El eje Z es la altura vertical y positiva hacia arriba. Al introducir los datos de los puntos de suspensión se debe asegurarse de que todas las coordenadas estén en referencia con el origen que se ha seleccionado y se tendrá en cuenta que todos los puntos de suspensión generados por LSA serán relativos a dicho origen. Las únicas restricciones son que el plano XZ debe pasar por el centro del coche y el origen 53

60 debe ser en parte delantera del coche. El origen del sistema de coordenadas no necesita ser coincidente con el plano del suelo. Figura 4.8. Sistema de coordenadas LSA Términos convencionales por defecto Camber.- Inclinación del plano de la rueda con la vertical, negativo cuando la rueda se apoya en la parte superior. King Pin Angle.- El ángulo en vista frontal entre el eje de dirección y la vertical. Positivo cuando el eje de dirección inclina hacia el interior en la parte superior. Toe.- Ángulo entre el plano de la rueda y la dirección de avance, positivo si la parte delantera de la rueda está "convergente" hacia el centro del coche. Castor.- El ángulo en vista lateral entre el eje de dirección y la vertical. Positivo cuando la parte superior del eje de dirección está inclinado hacia la parte trasera. Steering Lock.- Es el desplazamiento lineal en el eje Y de la cremallera de dirección. Steering lock positivo puede producir convergencia negativa o positiva dependiendo de si la cremallera de dirección está delante o detrás del eje de la dirección. Roll.- regla de la mano derecha aplicada al vehículo en el eje x positivo. Al sentarse en el coche el balanceo roll a la izquierda es positiva. 54

61 4.5. Diseño prototipo virtual Tomando en cuenta las medidas del chasis actual y de los elementos de la suspensión como son: mangueta, llanta, características del neumático, de los muelles, de los brazos de suspensión, batalle, vías, dirección, se procede a la modelización del prototipo Creación del Modelo Para la generación del modelo se utiliza la plantilla Double Wishbone, Push rod to damper tanto para la suspensión delantera como para la trasera, seleccionar suspensión simétrica; además la plantilla para la dirección Steering Rack. Seleccionado el modelo, se procede a editar las coordenadas de todos los puntos de la suspensión tanto delantera, trasera y de la dirección; colocamos las coordenadas de los neumáticos, amortiguadores, muelles, rocket, barras de suspensión, barra empujadora push- rod, puntos de anclaje de la mangueta a la rueda. Figura 4.9. Modelo suspensión prototipo UPM Eléctrico

62 Parametrización de coordenadas de suspensión delantera y dirección Figura Ejm. Coordenadas de puntos suspensión delantera Figura Vista frontal suspensión delantera UPM Eléctrico

63 Figura Vista superior suspensión delantera UPM Eléctrico 2012 Figura Vista lateral suspensión delantera UPM Eléctrico

64 Parametrización de coordenadas de suspensión trasera Figura Ejm. Coordenadas puntos suspensión trasera Figura Vista frontal suspensión trasera UPM Eléctrico

65 Figura Vista superior suspensión trasera UPM Eléctrico 2012 Figura Vista lateral suspensión trasera UPM Eléctrico

66 Parametrización de los componentes de suspensión El paso siguiente de la edición de las coordenadas de los puntos, es parametrizar el comportamiento asociado con el modelo, para lo cual se inserta datos como: masa del coche, distribución de masa, altura del centro de gravedad, recorrido de la rueda (conforme a la normativa de la Formula SAE), ángulo de balanceo, distribución de frenado, etc. (ver figura 4.18 Figura Parametrización general del modelo 60

67 Propiedades muelle y amortiguador de suspensión delantera Figura Propiedades suspensión delantera Propiedades muelle y amortiguador de suspensión trasera Propiedades específico de neumático Figura Propiedades suspensión trasera Figura Propiedades del neumático 61

68 4.6. Simulación del prototipo Para la simulación de la suspensión se cuenta con tres tipos de efecto de movimientos o articulaciones; con los cuales se observa las variaciones de los parámetros cinemáticos principales establecidos en estático como son: ángulo de caída, convergencia, antihundimiento, anti-levantamiento, balanceo, ángulos de salida, ángulos de avance, Ackermann. Para hallar un comportamiento óptimo bajo las solicitaciones, se procede bajo el método de ensayo y error, con el fin de llegar a un compromiso donde la mayor parte de los parámetros sean adecuados, y poder afinar el modelo con ensayo en pista real Modo Bump/rebound Con este efecto se analiza la elevación o el rebote de la suspensión en dirección vertical, lo que trata de simular es el paso del coche (en recta) por un bache o grada de 25.4 mm de altura (normativa SAE). En la siguiente figura se muestra el recorrido del neumático y sus elementos de suspensión acoplados en dirección del eje Z. Figura Suspensión trasera aplicado modo bump/rebound Modo roll Con esta solicitación se simula el paso del coche en curva, el cual hace que la suspensión se incline por efecto de la aceleración centrífuga, la fuerza lateral se traduce en ángulo de 62

69 balanceo del coche. De la misma manera se puede visualizar y analizar la variación de desplazamiento sufrido el modelo de suspensión en dirección del eje Y. Figura Suspensión delantera aplicado modo rol Modo Steer Con esta simulación se consigue girar la dirección en estático y observar si existe variación de las cotas y ángulos de la suspensión, con el fin de corregir y tratar de conseguir el comportamiento deseado, y si no es posible eliminar cambios que no afecten el comportamiento fiable, al menos minimizarlo. Figura Suspensión aplicado modo steer 63

70 Modo combinado Con esta condición se pretende simular los tres modos anteriores en un solo comportamiento, es decir de cierta manera dinámica del coche en curva, con balanceo y movimiento vertical, especialmente en la suspensión delantera ya que se encuentra también el sistema de dirección. Figura Suspensión aplicado modo combinado 4.7. Cinemática Animación suspensión El programa LSA cuenta con una herramienta de mucha utilidad que deforma muy didáctica simula en forma de animación y en tiempo real, el movimiento realizado al aplicar los modos cinemáticos. Figura Captura de animación del modelo de suspensión 64

71 4.8. Análisis de resultados Para analizar los resultados obtenidos de la simulación cinemática del modelo de suspensión elegida, se procederá a clasificar en las tres condiciones de movimiento; dentro de cada una se explicará la variación de los parámetros principales, y sobre éstos las recomendaciones que podrían surgir para la puesta a punto en la pista real y cómo se podría regular y afinar Modo Bump/rebound El figura 4.27 muestra que el ángulo de caída para la suspensión posterior está entre 1º y º, mientras que la delantera está entre 1.3º y -1.5º (por diseño el ángulo máximo es de - 1.5, por lo que siempre tendrá caída negativa ); con este comportamiento empírico se puede decir es bueno de inicio para los ensayos en pista. Figura Ángulo de caída vs desplazamiento vertical Figura Convergencia vs desplazamiento vertical 65

72 En la anterior figura se puede analizar que la convergencia del eje trasero tiende a ser negativo cuando la suspensión se comprime, se puede regular mediante el tirante que posee paralelo a los brazos inferiores, además se deberá tomar en cuenta que es el eje de tracción por lo que se deberá poner en convergencia positiva siempre Modo roll En este modo, de forma geométrica es parecido a la aplicación de desplazamiento vertical, por lo que el ángulo de caída y convergencia es similar. Por tanto se analizará los parámetros de anti-dive y anti-squat Figura Anti-dive vs Roll angle Figura Anti-squat vs Roll angle 66

73 En las graficas anteriores muestran el 5 % de anti dive y con el 35% en promedio para el anti squat, con esto se consigue que la suspensión tienda a resistir el movimiento tanto en la frenada (anti-dive) y en aceleración luego de una curva e ingresar a una recta tenga un buen comportamiento con este valor de anti squat Modo Steer Al girar la dirección en estático, los ángulos de caída y convergencia varían como se muestran en las dos figuras siguientes, se ha tratado de disminuir los valores pero se hace complicado ya que los demás parámetros cambian negativamente el comportamiento, se recomienda analizar en pista, regulando a caída más negativa y mayor convergencia (aplica solo a suspensión delantera). Figura Ángulo de caída vs Steer travel Figura Convergencia vs Steer travel 67

74 Resumen de datos obtenidos: SUSPENSION DELANTERA Figura Datos de suspensión izquierda delantera - bump Figura Datos de suspensión derecha delantera - bump 68

75 Figura Datos de suspensión izquierda delantera - roll Figura Datos de suspensión derecha delantera - roll 69

76 SUSPENSION TRASERA Figura Datos de suspensión izquierda trasera - bump Figura Datos de suspensión derecha trasera - bump 70

77 Figura Datos de suspensión izquierda trasera - roll Figura Datos de suspensión derecha trasera - roll 71

78 CAPITULO V SETUP Y ENSAYO PRÁCTICO 5.1. Introducción Setup o puesta a punto, se denomina así a la operación previa a rodar el vehículo en el circuito o tramo de velocidad, según la especialidad que vayamos a desarrollar, en la que se lleva a cabo el estudio de suspensiones, centros de balanceo (CB) y de gravedad (CG) con sus correspondientes coordenadas, bump-steer y roll-steer, etc. También se llama simplificadamente a la operación de poner el coche según los reglajes necesarios para efectuar la primera prueba si se trata de un coche que no conocemos, o aquellos que hayamos comprobado han ido mejor en un test o carrera anteriores, ya sea en el mismo o en otro similar que hayamos utilizado con antelación. Esta operación debemos efectuarla con rigor y precisión, conscientes de que el conocimiento de la geometría de las suspensiones del coche o los reglajes perfectamente realizados, dependiendo del caso, nos van a permitir tenerlo más "de la mano" en su puesta a punto real, para hacer que el coche esté equilibrado y que el piloto vaya más deprisa Normas a seguir para efectuar en la práctica un set-up riguroso y fiable El suelo debe estar absolutamente nivelado y plano. La altura de rodaje debe ser medida con el coche vacío, ruedas nuevas o simuladas del mismo diámetro. Antes de medirla conviene hacer oscilar, bajando y subiendo ("bacheando") suficientemente la suspensión. La medición se efectuará con un compás de puntas hacia fuera, entre el suelo del coche y la plataforma donde esté situado. Después de cada intervención en la caída, paralelo, etc. conviene también bachearlo antes de medir de nuevo, para que el chasis vuelva a su altura. Los muelles deben montarse sin precarga, ya que ésta se pondrá al final de todas las operaciones incluida la altura de rodaje, que como consecuencia de aplicar la 72

79 precarga cambiará aunque sea ligeramente, por lo que habrá que volverla a hacer de nuevo con los push rods. La longitud de los push rod delanteros, una vez puesta la altura de rodaje, se debe igualar exactamente: pueden tener diferencias de pocos milímetros, pero muy importantes a la hora de regular los pesos de cada rueda sobre las balanzas. Se debe hacer desmontándolos del coche, sobre una barra regulable en longitud, en cuyos extremos tenga dos ejes del mismo diámetro que el alojamiento de las rótulas para poner acoplar cada push rod una vez des montado. Los traseros, servirán para igualar pesos en la operación de pesaje sobre las balanzas (corner weight), de manera que una vez terminada deben quedar a igual longitud. El orden de actuación respecto a los ángulos del tren delantero y trasero, debe ser empezando por el paralelo, luego caída - salida, y al final avance. En algunas suspensiones modernas, la modificación del ángulo de caída no modifica en absoluto los demás ángulos. Entre la medida de cada uno de ellos, es necesario restituir cada vez la altura de rodaje elegida en el monoplaza. El reparto de pesos sobre las balanzas debe hacerse sin la barra estabilizadora trasera y sin precarga ninguna en las tuercas del stack delantero (si se trata de un mono-amortiguador delantero) En la pista Con anterioridad a cada sesión de rodaje o carrera, es importante tener en cuenta los siguientes aspectos: Organización previa de todo lo necesario desde el punto de vista operativo (material, neumáticos, gasolina, consumibles, herramienta, etc.) Adecuar el set-up del coche, en la sede del equipo, a la pista o terreno en el que se va a rodar. Realizar el check-list (o chequeo) de todos los sistemas que son necesarios para el correcto funcionamiento del coche (energía - motor, consumo, sistema eléctrico, etc.) 73

80 Figura 5.1. Ejemplo de lista de chequeo Una vez en la pista, y sobre todo en las sesiones de test, es muy importante llevar un control exhaustivo de los cambios que se realizan, en qué orden, y cuáles son los ficheros de adquisición de datos asociados a los mismos. De igual modo, es importante contemplar, e identificar claramente en cada fichero de datos, los siguientes aspectos: o Configuración de cada sesión o Piloto o Datos de la pista (hora, temperaturas, estado, etc.) o Neumáticos o Configuración global (consumo, lastre, etc.) La introducción de los sistemas de adquisición de datos en los vehículos de competición ha permitido conocer mucho mejor lo que ocurre en el vehículo a lo largo del recorrido realizado. No obstante, la información y, sobre todo la sensación del piloto, es fundamental para conseguir que el conjunto coche-piloto sea efectivo y rápido. Es fundamental establecer un orden que se cumpla siempre, y ayudar al piloto a estructurar la información. Un posible orden es repasar las sensaciones en: o Frenada o Aceleración o Entrada de curva (frenada y giro) o Zona media de la curva (acelerador constante) o Salida de la curva (acelerador a fondo) 74

81 o Curvas enlazadas (si las hay) o Resto de componentes (palancas, volante, pedales, etc.) o Estabilidad o inestabilidad de comportamiento Para cada información, se deberá tener una teoría del por qué, y verificarlo posteriormente con los datos adquiridos. 75

82 60 horas 50 horas 35 horas 55 horas CAPITULO VI PLANIFICACIÓN Y ACTIVIDADES EN LA FORMULA SAE UPM RACING Planificación El cronograma establecido a inicios del proyecto se ha llevado a cabo paulatinamente, conforme a los 5.4 créditos definidos para realizar el proyecto fin de Máster, las actividades que se han efectuado son las siguientes: ACTIVIDAD MES Recopilación bibliográfica de información técnica Teoría de vehículos, sistema de suspensión - General Especializada vehículos de competición 2. Estudio de la reglamentación de la Formula SAE eléctrica, Reglas Generales de la FSAE Reglas específicas referentes al sistema de suspensión. Análisis de las modificaciones a realizar en el prototipo UPM Racing - Electric, si aplica. 3. Investigación los diferentes tipos de suspensión que se utilizan en competición de un Formula SAE. Recopilar Información Sistematización y análisis de la información 4. Evaluación del comportamiento cinemático de la Suspensión Modelado de la suspensión en el software Evaluación de los resultados y su respectivo análisis. 5. Convalidación de resultados, ensayo en pista. Ajuste y puesta a punto previo de la suspensión Análisis de datos obtenidos 6. Corrección, mejora y ajuste final de la configuración del sistema de suspensión; puesta a punto para la competición. 7. Realización del Informe Final 80 horas Además de realizar el estudio de análisis para adecuar los puntos de la suspensión mediante Lotus LSA, se ha colaborado con la fabricación, ensamblaje y preparación del sistema de suspensión, sistema de dirección, sistema de freno y varias tareas, a fin de que 76

83 el monoplaza pueda rodar y poder evaluar en pista el comportamiento de todos los sistemas; con lo que en total se ha dedicado 280 horas. En hora buena se logro superar todos los obstáculos y finalizar todas las actividades, y el prototipo pudo rodar, para ello se contó con la pista de pruebas que dispone en INSIA. Figura 6.1. Prueba en pista del monoplaza UPM Racing 2012 Figura 6.2. Prueba en pista Skidpad del monoplaza UPM Racing

84 6.2. Actividades en la suspensión a. Preparación de los puntos de suspensión en el chasis Figura 6.3. Chasis monoplaza UPM Racing 2012 b. Fabricación de los brazos de suspensión trasera conforme a las medidas analizadas en Lotus Figura 6.4. brazos de suspensión trasera derecha UPM Racing

85 c. Ensamble de los elementos suspensión delantera y trasera Figura 6.5. Ensamble de suspensión delantera UPM Racing 2012 Figura 6.6. Ensamble de suspensión trasera UPM Racing

86 d. Pesaje para equilibrar el reparto de masa, por eje y rueda. Figura 6.7. Pesaje del monoplaza UPM Racing 2012 Figura 6.8. Vista posterior monoplaza UPM Racing

87 6.3. Competencia en Inglaterra UK a. Defensa de diseño y costos del proyecto Figura 6.9. Defensa del proyecto antes Jueces UK b. Revisión física estática chasis, suspensión y parte electrónica / eléctrica. Figura Revisión física antes Jueces UK 81

88 c. Pruebas suspensión y electrónica / eléctrica. Figura Pruebas UK y aprobación (Suspensión Safety, Electric) 82

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