Diseño de los apéndices aerodinámicos y optimización de la respuesta dinámica de un vehículo Formula Student

Mejor Proyecto Fin de Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

OIER FRANCO DOBARAN    oier.franco@gmail.com
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JON GARCÍA BARRUETABEÑA
Director

Figura 1. Comparativa de la evolución del coeficiente de sustentación en función del ángulo de ataque para una velocidad de 60 km/h

Figura 1. Comparativa de la evolución del coeficiente de sustentación en función del ángulo de ataque para una velocidad de 60 km/h

El proyecto fin de grado tiene como objetivo principal el diseño y  optimización de los elementos aerodinámicos así como la respuesta dinámica de un vehículo Formula Student.
La Formula Student es una competición internacional entre universidades de todo el mundo que se celebra anualmente en distintos circuitos de carreras, a destacar, Silverstone (Inglaterra), Hockenheim (Alemania) o Montmelo (España).
El evento está organizado por la Institution of Mechanical Engineers (IMechE) con el objetivo de promover la formación de los estudiantes a través de un proyecto práctico que engloba la mayoría de los ámbitos de la ingeniería. A través de un ejercicio real consistente en diseñar y fabricar un monoplaza, unido al trabajo de marketing, logística y gestión de costes, se pretende que los estudiantes desarrollen el trabajo en equipo con una limitación temporal y formarlos así de manera cualificada. Durante el evento, los equipos son juzgados por especialistas del sector, debiendo superar diversas pruebas (estáticas y dinámicas) que demuestren el correcto funcionamiento del vehículo diseñado.
La carga aerodinámica en automovilismo ha sido uno de los parámetros clave para determinar el rendimiento óptimo del vehículo desde hace más de cuatro décadas. Junto con la potencia de los motores, el peso y los neumáticos es uno de los cuatro parámetros más importantes a optimizar para automóviles de competición.
Los paquetes aerodinámicos se dividen en dos grupos. El primer grupo se caracteriza por la función de distribuir los flujos de aire como por ejemplo el carenado de los brazos de suspensión de un Formula 1… El segundo grupo se define por el simple objetivo de generar carga aerodinámica, que variará en función de los criterios del equipo, diseñador… Dentro de este segundo grupo se incluyen los elementos a diseñar y optimizar en el presente proyecto.
El diseño del paquete aerodinámico comienza realizando un estudio de los diferentes perfiles alares existentes con el fin de seleccionar el perfil a emplear y conocer su comportamiento, dado que los requisitos y condiciones de trabajo que demanda el sector automovilístico son muy diversos. Tras realizar una comparación a los perfiles seleccionados, se llega a la conclusión de que el perfil a emplear es el mismo que la temporada anterior.
Una vez seleccionado el perfil, se optimiza la geometría del alerón trasero bajo el criterio de obtener la máxima eficiencia aerodinámica, es decir, generar la mayor carga aerodinámica con la mínima resistencia al avance. Para ello, se realizan diferentes análisis variando el valor del Slot Gap, la posición relativa entre
perfiles, llegando a la conclusión de que el valor óptimo es de 4cm.

Figura 2. Líneas de trayectoria del aire a través de la geometría diseñada
Figura 2. Líneas de trayectoria del aire a través de la geometría diseñada

A continuación, se diseña el fondo plano y difusor con el fin de  obtener la máxima carga posible. Se realizan diferentes análisis para obtener la geometría y pendientes idóneos.
Una vez analizados y seleccionados los elementos del paquete aerodinámico se prosigue a diseñar el alerón delantero en función de los perfiles de fuerza de los restantes elementos y la posición del centro del presiones del vehículo, dado que, una de las principales funciones del alerón delantero es equilibrar el vehículo garantizando una mayor maniobrabilidad. Siguiendo una metodología de diseño inversa, se genera la geometría que equilibra los momentos generados por el alerón trasero y fondo plano.

Para poder obtener la mejor configuración de la suspensión posible y así optimizar la respuesta dinámica del vehículo, se realiza un modelo dinámico del monoplaza Formula Student. Con dicho modelo, introduciendo las fuerzas  erodinámicas y la rugosidad del asfalto se obtienen valores y velocidades de desplazamiento de cualquier punto del vehículo. Con el objetivo de minimizar dichos desplazamientos, se llega a la configuración de suspensión apropiada entre las disponibles.

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