Implementación de una carrocería para un auto prototipo de competencia, bajo reglamentos de la FEDAK

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

IMPLEMENTACIÓN DE UNA CARROCERÍA PARA UN AUTO

PROTOTIPO DE COMPETENCIA, BAJO REGLAMENTOS DE

LA FEDAK

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

BRYAN GABRIEL ARMAS DE VACAS

DIRECTOR: MSC. JUAN CARLOS LUCERO NARVÁEZ

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1716195076

APELLIDO Y NOMBRES: Armas De Vacas Bryan Gabriel

DIRECCIÓN: La Concordia 231 (San Rafael)

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 022864901

TELÉFONO MOVIL: 0984734745

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Implementación de una carrocería para un

auto prototipo de competencia, bajo reglamentos de la FEDAK.

AUTOR: Bryan Armas De Vacas

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN: 22 de marzo de 2017

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

MSc. Lucero Narváez Juan Carlos

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz

RESUMEN: _{El principal propósito del trabajo}

investigativo es la implementación de una carrocería en un auto prototipo de competencia, construido bajo los reglamentos que impone la FEDAK, proyectándose a incursionar en el ámbito profesional.

Se realizó un análisis exhaustivo de bibliografía científica referente a diseño de carrocería de un vehículo de competencia y modelado digital existente. Ésta abarca una variedad de criterios, ecuaciones y análisis basados en las principales leyes físicas y químicas sobre resistencia de materiales, aerodinámica, dinámica de fluidos, y los efectos que producen en el desempeño del vehículo.

Se realizaron maquetas numéricas mediante el empleo del diseño asistido por ordenador (DAO), así como herramientas para la generación de simulaciones de

comportamiento de las mismas, como la matemática de túnel de viento y la dinámica de fluidos computacional. Resultado de las simulaciones, se obtuvo un coeficiente de penetración aerodinámica (Cx) de 0.540, así

como una resistencia al avance bastante provechosa, reflejándose al momento de calcular mediante fórmulas el valor de un Cx de 0.553,

con un área frontal aproximada de 1.296 m2_{, generando una fuerza de}

penetración aerodinámica de 605.961 N. Se determinó el material constitutivo de la carrocería para su implementación en el prototipo, cumpliendo con lo establecido por la FEDAK; destacando que la carrocería vista desde el costado y desde la parte superior cubre íntegramente todos los componentes mecánicos. Las pruebas de campo denotaron que al no existir un aislante entre el chasis y la carrocería, podrían generarse fisuras debido a las vibraciones y ruidos que puedan producir éstas. La carrocería servirá como base para posteriores estudios aerodinámicos, realizados a escala real en un túnel de viento, para corroborar la eficacia y aproximación de los valores obtenidos, y realizar mejoras en la geometría de la carrocería, reduciendo fuerzas ascensionales en los ejes del vehículo de competencia.

PALABRAS CLAVES: _{Carrocería, prototipo, aerodinámica,}

Diseño Asistido por Ordenador

ABSTRACT: The main purpose of this investigative

An analysis of scientific literature concerning a competition vehicle bodywork design and modeling digital existing. Includes a variety of criteria, equations and analyses based on the main physical and chemical laws on strength of materials, aerodynamics, fluid dynamics, and the effects produced in the performance of the vehicle.

Numerical models using (DAO) computer-aided design were carried out, as well as tools for the generation of simulations of its behavior, as the mathematics of computational fluid dynamics and wind tunnel. Result of simulations, obtained an aerodynamic penetration coefficient (Cx) 0.540, as

well as a resistance to progress quite profitable, reflecting upon using formulas calculate the value of a Cx of

0.553, with a frontal area approximately 1.296 m2_{, generates a}

force of penetration aerodynamics of 605.961 N. Determined establishing material of the bodywork for its implementation in the prototype, complying with the established by the FEDAK; Emphasizing that the bodywork seen from the side and from the top covers completely all mechanical components. Field testing denoted cracks due to vibrations and noises that can produce these may result in the absence of an insulator between the chassis and the bodywork.

DEDICATORIA

A mi madre, Mónica del Carmen, por ser el ángel que ha guiado mi camino, formando mi carácter y espíritu, llevándome de la mano por un sendero lleno de amor, deseos de superación y lucha constante; gracias por cada palabra de aliento, cada desvelada, por creer ciegamente en mí y apoyarme

incondicionalmente, por nunca soltarme la mano y no dejarme caer.

A mi padre, Celso Patricio, por ser un ejemplo de superación,

responsabilidad, honestidad y esfuerzo; gracias por creer en cada decisión acertada o errada que he tomado a lo largo de mi vida, por demostrarme que cada esfuerzo tiene su recompensa, por celebrar cada victoria y sostenerme en cada derrota.

A mi segunda madre, Carlota Beatriz, por ser un ejemplo de lucha constante, nobleza, carácter y amor incondicional; gracias por cada consejo, cada palabra de aliento, por estar a mi lado en cada momento y creer ciegamente en mí.

A mi segundo padre, Galo Aníbal, por ser un ejemplo de firmeza, rectitud, honestidad y previsión; gracias por cada consejo de vida, por el apoyo incondicional y por acompañarme a lo largo de mi camino.

A mis hermanos mayores, Andrés Alejandro, Jennifer Paola y Patricio Ricardo; y a mi cuñado David Fernando. Gracias por llenar mis días de ocurrencias y alegrías, por su amor y apoyo incondicional, por ser mis guías y evitar que cometa errores.

A mi compañera de camino, Sandy Pamela, por ser un ejemplo de

superación, esfuerzo y constancia. Gracias por cada palabra de aliento, por llenar cada espacio de mi vida con tu infinito amor, por no dejarme vencer ante las adversidades, por ser mi cómplice, mi amiga y más.

AGRADECIMIENTOS

A los docentes de la carrera de Ingeniería Automotriz, por sus enseñanzas, paciencia y sus aportes extraordinariamente profesionales.

A mis amigos y compañeros de carrera, quienes desterraron el aburrimiento y la monotonía de esta etapa universitaria.

A mis amigos y compañeros de proyecto, Darwin, Emilio, Andrés y Pablo, por el trabajo en equipo, por las ocurrencias del día a día y por hacer de ésta experiencia algo inolvidable.

A mi segunda familia, Pablo, Wladimir e Israel. Su incondicionalidad, su carisma y su aprecio, los han convertido en mis hermanos. Gracias por su invaluable amistad.

A mi familia y mi compañera de camino, por impulsarme a cumplir día a día con mis sueños.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN 1

ABSTRACT 2

1. INTRODUCCIÓN 3

2. METODOLOGÍA 12

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 15

3.1. MODELO DE CARROCERÍA 15

3.1.1. SELECCIÓN DEL MODELO DE CARROCERÍA 15

3.1.2. BOCETO DE LA CARROCERÍA 16

3.1.3. MODELADO Y ANÁLISIS DIGITAL DE LA CARROCERÍA 17 3.1.3.1. Modelado digital de la carrocería 17 3.1.3.2. Análisis de matemática de túnel de viento 20 3.1.3.3. Análisis de dinámica de fluidos computacional 22 3.1.3.4. Análisis de aditamentos aerodinámicos 24 3.1.3.5. Generación de segunda maqueta numérica 25 3.1.3.6. Generación de tercera maqueta numérica 27

3.1.4. VALIDACIÓN DE DATOS 31

3.1.4.1. Cálculo de área frontal aproximada 31

3.1.4.2. Cálculo de Cx 33

3.1.4.3. Cálculo de fuerza de penetración aerodinámica 34

3.2. SELECCIÓN DE MATERIAL CONSTITUTIVO 35

3.3. CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE LA CARROCERÍA 36

3.3.1. CONSTRUCCIÓN DE MOLDE 36

3.3.2. CONSTRUCCIÓN DE PIEZAS DE CARROCERÍA 46

3.3.3. IMPLEMENTACIÓN DE CARROCERÍA 48

3.4. PRUEBAS DE CAMPO 51

3.4.1. PRUEBAS DE CAMPO ESTÁTICAS 51

3.4.2. PRUEBAS DE CAMPO DINÁMICAS 52

ii

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 54

4.1. CONCLUSIONES 54

4.2. RECOMENDACIONES 55

5. BIBLIOGRAFÍA 56

iii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Esfuerzos de deformación que sufre una carrocería 5

Tabla 2. Formas aerodinámicas 6

Tabla 3. Cuadro de pruebas de desplazamiento 7

Tabla 4. Propiedades físicas y mecánicas del aluminio 9

Tabla 5. Propiedades físicas y mecánicas de la fibra de carbono. 9 Tabla 6. Propiedades de diferentes tipos de fibra de vidrio. 10

Tabla 7. Métodos de construcción de los materiales. 11

Tabla 8. Herramientas y equipos empleados de acuerdo al material. 13

Tabla 9. Valores para ponderación 15

Tabla 10. Matriz de decisión para modelo de carrocería 16 Tabla 11. Dimensiones de prototipo construido bajo normas FEDAK 17

Tabla 12. Dimensiones del dominio computacional 17

Tabla 13. Resultados de mayor relevancia 22

Tabla 14. Resultados de mayor relevancia 24

Tabla 15. Aditamentos aerodinámicos a emplear 25

Tabla 16. Comparación de resultados de túnel de viento 27 Tabla 17. Comparación de resultados de dinámica de fluidos 27

Tabla 18. Comparación de resultados túnel de viento 29

Tabla 19. Transformación de las velocidades 33

Tabla 20. Datos para cálculo de fuerza de penetración aerodinámica 34

Tabla 21. Valores para ponderación 35

Tabla 22. Matriz de decisión para selección de material constitutivo 35 Tabla 23. Herramientas y equipos empleados en la construcción 36 Tabla 24. Checklist para prueba estática de carrocería 51

Tabla 25. Valores empleados en columna de estado 51

Tabla 26. Checklist de pruebas dinámicas de carrocería 52

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Prototipo sin carrocería 4

Figura 2. Boceto realizado a mano de la posible carrocería 17

Figura 3. Dominio computacional base 18

Figura 4. Primeros bosquejos 2D 18

Figura 5. Bosquejos 2D para extrusión 19

Figura 6. Extrusiones basadas en bosquejos 2D 19

Figura 7. Primera maqueta numérica de carrocería (posterior) 19 Figura 8. Primera maqueta numérica de carrocería (inferior) 20 Figura 9. Configuración inicial previa a la simulación 20 Figura 10. Simulación de matemática de túnel de viento (vectores) 21 Figura 11. Simulación de matemática de túnel de viento (sombreado) 21 Figura 12. Gráfica de fuerza aerodinámica, Cx VS tiempo 21 Figura 13. Configuración inicial previa a la simulación 1 22 Figura 14. Configuración inicial previa a la simulación 2 23 Figura 15. Configuración inicial previa a la simulación 3 23

Figura 16. Simulación de dinámica de fluidos 23

Figura 17. Segunda maqueta numérica (frontal) 26

Figura 18. Segunda maqueta numérica (posterior) 26

Figura 19. Simulación túnel de viento segunda maqueta 26

Figura 20. Tercera maqueta numérica (vista frontal) 28

Figura 21. Tercera maqueta numérica (vista lateral) 28

Figura 22. Tercera maqueta numérica (vista posterior) 28

Figura 23. Simulación túnel de viento tercera maqueta 29

Figura 24. Simulación de dinámica de fluidos (partículas) 30

Figura 25. Estancamiento de fluido 30

Figura 26. Simulación de dinámica de fluidos (líneas) 30

Figura 27. Velocidad del fluido 31

Figura 28. Presión del fluido 31

Figura 29. Cálculo de área frontal vehículo de competencia 32 Figura 30. Medidas para cálculo del área frontal aproximada 32

Figura 31. Bosquejo de formas en planchas de MDF 37

Figura 32. Corte de piezas de MDF 38

Figura 33. Fijación de piezas de MDF al chasis 38

Figura 34. Pieza base de frontal 39

v Figura 38. Parte posterior de molde con tanque de combustible 41 Figura 39. Curvas posteriores generadas con pletina y varilla lisa 41 Figura 40. Relleno de bases con lámina de PVC y cartón 42 Figura 41. Molde completamente cubierto con lámina PVC y cartón 42

Figura 42. Aplicación de poliuretano 43

Figura 43. Modelado del poliuretano 43

Figura 44. Aplicación de resina de poliéster 44

Figura 45. Aplicación de fibra de vidrio 44

Figura 46. Masillado de superficie de molde 45

Figura 47. Lijado de superficie de molde 45

Figura 48. Molde pintado 46

Figura 49. Pegado de separadores de cartón 46

Figura 50. Desmolde de piezas 47

Figura 51. Pieza de carrocería 47

Figura 52. Carrocería con acabado 48

Figura 53. Corte de carrocería 48

Figura 54. Bases para carrocería 49

Figura 55. Fabricación de anclajes 49

Figura 56. Piezas para anclajes 49

Figura 57. Anclaje para carrocería 49

Figura 58. Pieza de pontones fija al chasis 50

Figura 59. Carrocería implementada (vista frontal) 50

vi

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1. Reglamento Técnico de Circuitos FEDAK 2015 58

Anexo 2. Prototipos analizados 60

Anexo 3. Creación de maqueta numérica y reajuste 61

Anexo 4. Primer reporte CFD Motion 67

Anexo 5. Segundo reporte CFD Motion 76

Anexo 6. Planos para construcción de molde 83

Anexo 7. Fotos de construcción de la carrocería 86

1

RESUMEN

El principal propósito del trabajo investigativo es la implementación de una carrocería en un auto prototipo de competencia, construido bajo los reglamentos que impone la FEDAK, proyectándose a incursionar en el ámbito profesional.

Se realizó un análisis exhaustivo de bibliografía científica referente a diseño de carrocería de un vehículo de competencia y modelado digital existente. Ésta abarca una variedad de criterios, ecuaciones y análisis basados en las principales leyes físicas y químicas sobre resistencia de materiales, aerodinámica, dinámica de fluidos, y los efectos que producen en el desempeño del vehículo.

Se realizaron maquetas numéricas mediante el empleo del diseño asistido por ordenador (DAO), así como herramientas para la generación de simulaciones de comportamiento de las mismas, como la matemática de túnel de viento y la dinámica de fluidos computacional. Resultado de las simulaciones, se obtuvo un coeficiente de penetración aerodinámica (Cx) de 0.540, así como

una resistencia al avance bastante provechosa, reflejándose al momento de calcular mediante fórmulas el valor de un Cx de 0.553, con un área frontal

aproximada de 1.296 m2_{, generando una fuerza de penetración aerodinámica}

de 605.961 N. Se determinó el material constitutivo de la carrocería para su implementación en el prototipo, cumpliendo con lo establecido por la FEDAK; destacando que la carrocería vista desde el costado y desde la parte superior cubre íntegramente todos los componentes mecánicos. Las pruebas de campo denotaron que al no existir un aislante entre el chasis y la carrocería, podrían generarse fisuras debido a las vibraciones y ruidos que puedan producir éstas.

La carrocería servirá como base para posteriores estudios aerodinámicos, realizados a escala real en un túnel de viento, para corroborar la eficacia y aproximación de los valores obtenidos, y realizar mejoras en la geometría de la carrocería, reduciendo fuerzas ascensionales en los ejes del vehículo de competencia.

2

ABSTRACT

The main purpose of this investigative work is the implementation of a bodywork in a competition car prototype, built under regulations imposed by the FEDAK, projecting to dabble in the professional field.

An analysis of scientific literature concerning a competition vehicle bodywork design and modeling digital existing. Includes a variety of criteria, equations and analyses based on the main physical and chemical laws on strength of materials, aerodynamics, fluid dynamics, and the effects produced in the performance of the vehicle.

Numerical models using (DAO) computer-aided design were carried out, as well as tools for the generation of simulations of its behavior, as the mathematics of computational fluid dynamics and wind tunnel. Result of simulations, obtained an aerodynamic penetration coefficient (Cx) 0.540, as

well as a resistance to progress quite profitable, reflecting upon using formulas calculate the value of a Cx of 0.553, with a frontal area approximately 1.296

m2_{, generates a force of penetration aerodynamics of 605.961 N. Determined}

establishing material of the bodywork for its implementation in the prototype, complying with the established by the FEDAK; Emphasizing that the bodywork seen from the side and from the top covers completely all mechanical components. Field testing denoted cracks due to vibrations and noises that can produce these may result in the absence of an insulator between the chassis and the bodywork.

Bodywork will serve as basis for further aerodynamic studies carried out full-scale in a wind tunnel, to corroborate the efficacy and approximation of values and make improvements in the geometry of the bodywork, reducing lift forces on the shafts of the competition vehicle.

3

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad el mundo del deporte automovilístico ha tenido un notable aumento en cuanto a sus fanáticos, coincidiendo con el auge en la modificación y construcción de vehículos de competencia que poseen altas prestaciones. Con el fin de incursionar en las competencias automovilísticas a nivel nacional, se pretende realizar la implementación de una carrocería en un auto prototipo de competencia, bajo los reglamentos que impone la Federación Ecuatoriana de Automovilismo y Kartismo Deportivo, FEDAK; entidad encargada de establecer estándares y parámetros necesarios a nivel nacional, para diferentes modalidades de competencia automovilística profesional (FEDAK, 2015). Uno de los factores que ha tenido un papel protagónico y decisivo al momento de lograr el mayor provecho a las altas prestaciones de un vehículo de competencia, ha sido la carrocería, dado que mediante mejoras en la aerodinámica y sus métodos constructivos, se logra que todos los sistemas mecánicos del vehículo permanezcan sin una notable modificación, en caso de ser posible.

En cuanto al reglamento técnico que emite la FEDAK, se puede destacar que los materiales constitutivos de la carrocería quedan a libre elección de los constructores, así como su forma; por ello los parámetros técnicos a tomar en cuenta son:

“La carrocería debe proveer confort y seguridad para el piloto. Todos los elementos de la carrocería deben estar completos y bien asegurados.

La carrocería vista desde el costado y desde la parte superior (sobre) el vehículo debe cubrir íntegramente todos los componentes mecánicos excepto la admisión, las llantas no deben verse desde sobre el vehículo y solo las llantas posteriores se pueden observar desde la parte posterior del vehículo. Guardafangos tipo moto que cubren las ruedas pero que no son parte integral de la carrocería y se mueven con la dirección de las ruedas delanteras están prohibidos. Los guardafangos vistos desde el plano superior, deben ser parte integral de la carrocería. La instalación de tomas naca o entradas de aire para refrigeración o alimentación del motor es libre.

El ancho mínimo de la carrocería entre las llantas delanteras y posteriores bajo ningún concepto puede ser inferior al plano vertical que conecta el centro de la llanta delantera y la llanta posterior.

4 Tomando en cuenta los parámetros y consideraciones antes mencionados, se tendrán como objetivos específicos: la identificación de las propiedades constructivas y funcionales de las carrocerías de vehículos de competencia del segmento de prototipos; así como analizar y seleccionar los materiales y métodos constructivos necesarios, con base en análisis e investigaciones realizadas previamente y en cálculos aerodinámicos, funcionales y de resistencia de materiales, a fin de construir una carrocería de tipo monoplaza de competencia y evaluar el comportamiento estático y dinámico del vehículo prototipo de competencia.

Se debe destacar que no existen estudios previos para la implementación de la carrocería en un prototipo bajo reglamentos de la FEDAK, sin embargo, existen varios estudios aplicados a la implementación de una carrocería bajo normas de la fórmula SAE, los mismos que servirán como una guía para el desarrollo del presente proyecto. Esto es factible, debido a las similitudes que presentan las carrocerías en cuanto al desempeño aerodinámico, el chasis tubular como base para implementación, entre otros.

La base para la implementación de la carrocería, será un chasis construido bajo reglamentos de la FEDAK, al mismo que se encuentran acoplados los diferentes sistemas mecánicos que permitirán el funcionamiento del vehículo prototipo de competencia, como se puede apreciar en la figura 1.

Figura 1. Prototipo sin carrocería

5 Tabla 1. Esfuerzos de deformación que sufre una carrocería

Esfuerzo Detalle

Esfuerzo de tracción

Es causado por el desplazamiento o puesta en marcha del vehículo y al

momento de las frenadas. Esfuerzo de torsión

Provocado por el desplazamiento vertical de los ejes, cuando la superficie de la

carretera no es regular

Esfuerzo de flexión

Provocado por el peso total de los componentes de cada sistema mecánico

del vehículo y el componente humano dentro del mismo; en especial dichos pesos que se aplican sobre el eje trasero

y delantero. Esfuerzo de cizalladura

Provocado al momento en el que el vehículo recibe un impacto frontal y trasero sobre las ruedas del mismo (Gómez, Navarro, Águeda, García, & Gracia, 2009)

Para seleccionar un modelo de carrocería, se deben analizar las fuerzas aerodinámicas implicadas en el avance del vehículo y la influencia que estas tendrán sobre la carrocería y su diseño.

“La simulación por ordenador y el uso de los software CAE e INVENTOR, permitieron realizar un diseño óptimo de la carrocería, comprendiendo de manera más intuitiva y rápida el comportamiento de los materiales utilizados en función de la velocidad” (Celi & Jaramillo, 2012, pág. 120).

Una vez que se ha definido o se ha conceptualizado el vehículo se procede con la fase de diseño en la que se emplean recursos de bosquejo y software de diseño. Para este caso se aplica el Diseño Asistido por Ordenador (DAO) usando el programa para diseño Autodesk Inventor y los software de simulación Autodesk CFD Motion y Autodesk Flow Design. Con el uso de estos programas informáticos se puede sustituir la elaboración de maquetas físicas por maquetas numéricas partiendo del valor de los parámetros geométricos que se obtienen en la etapa de concepción. De igual manera, con la aplicación de los programas para diseño y simulación se reduce el tiempo de trabajo de manera considerable, debido a que estos realizan un análisis de la carrocería en forma digital, así como efectúan el cálculo de diferentes sistemas de ecuaciones no lineales, transformándolas en sistemas de ecuaciones lineales, con el fin de evaluar sus propiedades y posibles defectos.

“Además de condicionar las prestaciones y el consumo, el aire causa otros problemas; por ello el trabajo de los diseñadores se centra en conseguir el menor valor de resistencia aerodinámica evitando los posibles efectos negativos que pudiera provocar” (Gómez, Navarro, Águeda, García, & Gracia, 2009, pág. 62).

6 2 se aprecian los coeficientes de penetración aerodinámica (Cx) de varias

formas aerodinámicas (Gómez, Navarro, Agueda, & García, 2010).

Tabla 2. Formas aerodinámicas Cx

Paracaídas 1.35

Placa plana y

cuadrada 1.17

Cubo 1.0

Cono (90°) 0.51

Semiesfera 0.41

Cono (60°) 0.34

Esfera 0.1

Perfil ala de avión 0.05 – 0.1

Automóviles

modernos 0.29 – 0.33

(Gómez, Navarro, Agueda, & García, 2010)

Con el fin de estudiar el comportamiento dinámico del vehículo se han de considerar una serie de parámetros, como los coeficientes aerodinámicos que analizan las cualidades y comportamiento del mismo, como son:

x Coeficiente de penetración aerodinámica (Cx): Dicho coeficiente da la idea de mayor o menor resistencia al avance que una forma determinada tendrá al avance, cuanto menor es la cifra tanto mayor es la capacidad de penetración aerodinámica de dicha forma. Actualmente cuentan como buenos valores, aquellos que se encuentran alrededor de 0,30 en vehículos de serie, mientras que en un vehículo de competencia dicho coeficiente oscila entre 0,45 a 1,75.

Se debe tomar en consideración que para calcular el valor total de la resistencia generada por el aire, existen parámetros que influyen; dichos parámetros y su relación se presenta en la ecuación 1:

ܹ ൌ ܥ௫כ ܣ כ ቀ

ఘ

ଶכ ܸி

ଶ_{ቁ [1]}

Donde:

W: Resistencia al aire [N]

Cx: Coeficiente de penetración aerodinámica [adimensional]

7

ρ: Densidad del aire [kg*m-3] VF: Velocidad del vehículo en [m/s]

x Coeficiente de deriva (Cy): Coeficiente que ayuda a medir el efecto del aire aplicado de forma lateral al vehículo, de ésta manera afectando la estabilidad del mismo.

x Coeficiente de sustentación (Cz): Coeficiente que hace referencia a las fuerzas que inciden de manera vertical sobre la carrocería, permite medir el apoyo de las cuatro ruedas del vehículo con el suelo y su

posible “aligeración” por efecto del viento.

La determinación de un Cz adecuado, implica aumentar el valor del coeficiente

de penetración aerodinámica o Cx (Gómez, Navarro, Agueda, & García, 2010).

Con el fin de determinar el Cx se prosigue con el modelo planteado;

procediendo con el cálculo, el mismo que se realiza con el vehículo en desaceleración sin accionamiento de los frenos, la palanca de velocidades en punto neutro y desplazándose sobre la pista lisa (como característica principal de prueba) en el circuito de Silverstone – Inglaterra y con velocidad de viento cruza casi despreciable (Vera, Aparicio, & Díaz, 2001). Se obtienen los resultados explicados en la tabla 3.

Tabla 3. Cuadro de pruebas de desplazamiento 1ra prueba de

desplazamiento

2da prueba de desplazamiento Velocidad inicial del vehículo [km/h] 100 50 Velocidad final del vehículo [km/h] 90 40 Tiempo transcurrido [seg] 6.2 13.9 (Vera, Aparicio, & Díaz, 2001)

Se calcula el valor aproximado del coeficiente de resistencia aerodinámica al avance con resistencia a la rodadura de valor constante. En las condiciones de prueba se considera que la fuerza de desaceleración es igual a la resistencia al movimiento. Que durante el tiempo de cada prueba la aceleración permanece constante. Se tendrá:

Fuerzas retardadoras=Resistencia a la rodadura + Resistencia aerodinámica al avance.

Por lo tanto la ecuación 2 queda de la forma:

ܴ ൌ ሺܲ כ ܨ௥ሻ ൅

ఘ

ଶכ ܥ௫כ ܣ כ ܸ

ଶ_{ൌ ߛ}

8 Donde:

Fr: Resistencia a la rodadura [N].

γm: Factor de mayoración de masa para considerar la inercia en el movimiento

de rotación [adimensional]. (Para vehículos de competencia es 1,9) m: Masa del vehículo (sumada la masa del piloto) [kg]

a: Aceleración del vehículo [m*s-2_]

Con el fin de resolver la siguiente ecuación, se emplean las fórmulas de aceleración y velocidad promedio, que se encuentran representadas en las ecuaciones 3 y 4 respectivamente.

ܽ ൌ௏೑ି௏೔

௧ [3]

ܸ ൌ௏೔ା௏೑

ଶ [4]

Donde:

a: Aceleración del vehículo [m*s-2_]

V: Velocidad media del vehículo [m/s] Vi: Velocidad inicial del vehículo [m/s]

Vf: Velocidad final del vehículo [m/s]

t: Tiempo transcurrido [s]

Al calcular la aceleración se obtendrá un valor con signo negativo “-“, debido a que el vehículo experimenta una desaceleración; por ello se tomará el valor resultante, sin tomar en cuenta el signo (valor absoluto).

Con el fin de obtener el Cx, se sustituyen las ecuaciones 3 y 4 en la ecuación

2; y se procede a despejar dicho coeficiente, dando como resultado la ecuación 5.

ܥ௫ൌ ሺߛ௠כ ݉ כ ሺܽଵെ ܽଶሻሻ כ ሺ ఘ

ଶכ ܣ כ ൫ܸଵ

ଶ_{െ ܸ}

ଶଶ൯ሻିଵ [5]

9 En cuanto a los materiales a seleccionar para la carrocería, se han estudiado y analizado varias alternativas, las mismas que se detallan a continuación: Aluminio: En la actualidad las necesidades para la construcción en el campo automotriz hacen imprescindible el empleo de materiales más ligeros como el aluminio. En caso de impacto, el aluminio resulta ser más seguro al tener una deformación controlada y su reducido peso favorece a una mejor actuación de los frenos. A continuación en la tabla 4 se presenta las características físicas y mecánicas del aluminio (Pauta & Sánchez, 2014).

Tabla 4. Propiedades físicas y mecánicas del aluminio

Propiedad Valor

Esfuerzo (N/m2_{) 250} Elasticidad E. Módulo de Young

(MPa) 70000

Densidad (g/cm3) 2.7 Punto de fusión (°C) 660 Conductividad eléctrica (m/Ohm

mm)2 29

Conductividad térmica (W/m °C) 200 Coeficiente de expansión lineal x

10-6/°C 24

(Pauta & Sánchez, 2014)

Fibra de carbono: Se encuentra en el grupo de materiales compuestos, es decir, aquellos que están hechos a partir de la unión de dos o más componentes que dan lugar a uno nuevo con propiedades y cualidades superiores a las propiedades de cada uno de los componentes conformantes. Se combina un tejido de hilos de carbono (refuerzo), el mismo que aporta flexibilidad y resistencia con una resina termoestable (matriz), la misma que se solidifica gracias a un agente endurecedor y actúa uniendo las fibras, protegiéndolas y transfiriendo la carga por todo el material; por su parte el

agente de curado ayuda a convertir la resina en un plástico “duro”. Este

compuesto por lo tanto es más ligero que cualquier metal pero con igual resistencia e inmune a la corrosión, que puede adoptar diversas formas y adaptarse para cualquier tipo de necesidad. En la tabla 5 se pueden observar las propiedades físicas y mecánicas de la fibra de carbono (Pauta & Sánchez, 2014).

Tabla 5. Propiedades físicas y mecánicas de la fibra de carbono. Propiedad Fibras

SMa Fibras IMa/b Fibras HMb Fibras LMb Fibras UHMb Contenido en

carbono [%] 95 95 >99 >97 >99

Diámetro [μm] 6-8 5-6 5-8 11 10

Densidad [gtm] 1.8 1.8 1.9 1.9 2.2

Resistencia a la

tracción [mpa] 3800

3450 -6200

3450 -5520

1380

10 Tabla 5. Propiedades físicas y mecánicas de la fibra de carbono… continuación

Alargamiento a

la rotura 1.6 1.3 – 2.0 0.7 – 1.0 0.9 0.4 – 0.27 Resistencia

eléctrica [μ_cm] 1650 1450 900 1300 220 – 330 Conductividad

térmica [w/m k] 20 20 50 - 80 - -

(Pauta & Sánchez, 2014)

Fibra de vidrio: Posee un peso menor al aluminio, buena resistencia mecánica, entre otras.

Existen 5 tipos de fibras de vidrio:

Tipo E: Este tipo de fibra es el más utilizado; contiene vidrio de aluminio-borosilicato con menos del 1% de óxidos alcalinos, principalmente usado para plásticos reforzados con vidrio, ofrece resistencia mecánica y dieléctrica.

Tipo R: Se caracteriza porque tiene muy buenas prestaciones mecánicas, contiene vidrio de aluminio silicatos, muy utilizado en sectores de aviación, espacial, Mecánica, fabricación de piezas y armamento.

Tipo C: Se caracteriza por su alta resistencia a agentes químicos; contiene un alto contenido de óxido de boro.

Tipo S: Se caracteriza por tener alta resistencia a la tracción, contiene vidrio de aluminio con alto contenido de óxido de magnesio

En la tabla 6 se muestran las propiedades físicas y mecánicas de cada uno de los tipos de fibra de vidrio que existen (Pauta & Sánchez, 2014).

Tabla 6. Propiedades de diferentes tipos de fibra de vidrio.

Propiedad E C S R

Gravedad específica [kg*m-3_{] 2.56 2.45 2.49 2.58} Resistencia a la tracción de la fibra [GN*m-2_{] 3.6 --- 4.5 4.4}

Punto de ablandamiento [°C] 850 690 --- 990 Conductividad térmica [W*(m°C)-1_{] 1.04 --- --- ---} Índice de refracción [adimensional] 1.545 1.549 --- --- Módulo de Young de elasticidad [GN*m-2_{] 75.9 --- 86.2 84.8}

(Pauta & Sánchez, 2014)

11 Tabla 7. Métodos de construcción de los materiales.

Material Método de construcción

Aluminio

Debido a sus propiedades, presenta dificultad para la construcción de las formas de la carrocería de un vehículo. Por ello el proceso de

conformado de este material requiere de maquinaria especializada para su laminación, doblado y posterior unión por medio de métodos

de soldadura especial.

Fibra de carbono

Al componerse de una fibra y una resina para su laminado, puede adoptar diversas formas y adaptarse a cualquier tipo de necesidad, su proceso de elaboración requiere de equipos especializados, con

el fin de garantizar su funcionamiento y correcto curado.

Fibra de vidrio

Al componerse de una fibra y una resina para su laminado, puede adoptar diversas formas y adaptarse a cualquier tipo de necesidad, su proceso de elaboración no requiere de equipos especializados, ni

instalaciones que sean especiales, por lo que su método de curado es sencillo como para garantizar su correcto funcionamiento.

(Pauta & Sánchez, 2014)

12

2. METODOLOGÍA

En el presente proyecto, se escogió como punto de partida y principal fuente bibliográfica a la literatura investigativa existente, debido a que ésta aporta con la ayuda suficiente para adquirir conocimientos a partir de artículos científicos, libros, entre otros; a fin de tener una idea más clara del diseño y los materiales necesarios a ser empleados en el desarrollo del proyecto. Entre estas nociones, se puede destacar el estado actual del tema de investigación en lo que respecta a las características constructivas y funcionales de la carrocería, además de las principales propiedades funcionales que debe cumplir dicha carrocería en un vehículo de competencia que posee un chasis tubular.

Se tomó como guía la tabla 1, donde se exponen los diferentes esfuerzos a los que estará sometida la carrocería, la misma que se presenta en la introducción; con el fin de determinar la geometría principal a seguir, y de ésta manera definir un boceto de la carrocería a implementar en el prototipo que está representado en la figura 1. Para realizar el boceto de la carrocería, se planteó una matriz de decisión entre tres modelos diferentes de vehículos de competencia del segmento prototipos, que cumplen las reglamentaciones impuestas por la FEDAK. Se procedió con el modelado digital de la carrocería, así como su análisis y comportamiento aerodinámico, mediante el empleo de programas de Diseño Asistido por Ordenador (DAO), los mismos que serán poderosas herramientas para llegar a nuestro objetivo. El modelado digital se lo realizó con el software Inventor, con el fin de obtener maquetas numéricas, en lugar de construir maquetas físicas; mientras que para análisis aerodinámico, se empleó el software Flow Design, que aportó con la matemática de túnel de viento, además del programa CFD Motion, del que se obtuvieron los datos del flujo de aire a lo largo de la carrocería, así como su comportamiento estático y dinámico. Con los datos y simulaciones obtenidas mediante el empleo de los distintos programas, se obtuvieron y se reajustaron los parámetros y medidas de la carrocería; logrando el mejor desempeño del prototipo en la pista; además se consiguieron los datos necesarios para iniciar la construcción y posterior implementación de la carrocería sobre el chasis y los sistemas mecánicos.

Para corroborar y comparar los valores obtenidos en las simulaciones, se emplearon la ecuación 3 referente a la velocidad promedio y la ecuación 4 que se refiere a la aceleración, con el fin de obtener el valor teórico del coeficiente Cx por medio de la aplicación de la ecuación 5, y se comparó con los valores

antes descritos. Al obtener el valor del coeficiente Cx, además al conocer el

13 A fin de seleccionar los materiales constitutivos de la carrocería, se procedió con la elaboración de una matriz de decisión. Una vez obtenido el material a ser empleado, se procedió con la identificación del método constructivo que se detalla en la tabla 7. Posteriormente, se procedió con la selección de las herramientas y equipos que se emplearon al momento de construir la carrocería, teniendo en cuenta los materiales, herramientas y equipos empleados para la construcción del prototipo de la carrocería, que fue la base para la forma definitiva de la carrocería del prototipo. Dichas herramientas, materiales y equipos se seleccionaron de acuerdo a lo detallado en la tabla 8.

Tabla 8. Herramientas y equipos empleados de acuerdo al material.

Descripción Finalidad

Varios insumos de dibujo (lápices, compás, borradores, curvígrafos, graduadores, reglas, entre otros)

Dibujar y realizar un bosquejo de la

carrocería Autodesk Inventor Modelado digital y

análisis de la carrocería Autodesk CFD Motion

Autodesk Flow Design Cinta de enmascarar

Construcción de molde para

carrocería Planchas de MDF

Láminas de PVC Pletinas de acero Varilla lisa de acero Tubo cuadrado de acero Soldadura eléctrica y electrodos

Tornillos para MDF Amoladora con disco de corte Taladro con brocas de distinto diámetro

Varios insumos de dibujo Caladora

Plancha de latón Aluminio Planchas de aluminio

Construcción de la carrocería en

aluminio Remachadora neumática de pinzas en “C” para remaches

macizos.

Sierra alternativa para el corte del aluminio. Martillos de poco peso con bordes redondeados para

evitar marcar y deformar en exceso el aluminio. Equipo de soldadura MIG con arco pulsado. Soldadura de pernos por descarga de condensadores

para el reconformado.

Cepillo de alambre con púas de acero inoxidable Lápices térmicos

Discos abrasivos de diferente tipo de grano Discos de corte

Maquinaria para doblar aluminio

14 Tabla 8. Herramientas y equipos empleados de acuerdo al material… continuación

Fibra de carbono Fresadoras CNC

Construcción de la carrocería en fibra

de carbono Autoclaves

Horno de curado Tela de fibra de carbono

Honeycomb Resina para laminado Resina para adherir metales

Bomba de vacío

Fibra de vidrio Tela de fibra de vidrio

Construcción de la carrocería en fibra

de vidrio Resina de Poliéster

Estireno Desmoldante Brochas Kit Guaipes Cobalto Meck

Catalizador (Peróxido de Metil-Etil-Cetona) Varios insumos (como recipientes para la mezcla de las

resinas) Thinner Acrílico

Materiales para Pintura y Acabados Masilla poliéster

15

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. MODELO DE CARROCERÍA

Tomando en cuenta todas las consideraciones descritas con anterioridad, además de la guía por parte de técnicos e ingenieros que se encuentran dentro del mundo de las competencias automovilísticas profesionales, se eligieron 3 modelos diferentes de prototipos que participan en certámenes nacionales dentro del autódromo internacional José Tobar, ubicado en la laguna de Yahuarcocha, en la provincia de Imbabura. Dichos prototipos se pueden apreciar dentro del anexo 2.

3.1.1. SELECCIÓN DEL MODELO DE CARROCERÍA

La tabla 10 representa la matriz de decisión en la que se basó el modelo a seguir para la carrocería del prototipo. Con base en el estudio previo realizado y siguiendo el criterio personal y el de varios técnicos que se encuentran en el mundo de las competencias automovilísticas profesionales, se determinaron las principales características a tomar en cuenta, las mismas que recibieron un factor de importancia. Debido a un análisis individual realizado a cada prototipo, se asignó un valor, que se encuentra detallado en la tabla 9; el mismo que se multiplicó por el factor de importancia previamente asignado. El resultado obtenido de la multiplicación de cada uno de los valores designados en cada característica se sumó, a fin de obtener el modelo de carrocería a seguir.

Tabla 9. Valores para ponderación

Valor

Coeficiente Cx (entre 0.45 y

1.75) Cumplimiento de normas FEDAK Estética de carrocería Facilidad de construcción 1 0.45 - 0.60 Completamente Muy vistosa Sencilla

0.8 0.61 – 0.84 Vistosa Parcialmente

sencilla 0.6 0.85 – 1.00 Parcialmente Aceptable Viable 0.4 1.01 – 1.15 Poco vistosa Parcialmente

complicada 0.2 1.15 – 1.75 No cumple No vistosa Complicada

El valor de Cx empleado para la tabla 9, corresponde a un rango en el que se

16 Tabla 10. Matriz de decisión para modelo de carrocería

Característica Factor de importancia

Modelo de carrocería Radical SR3

RSX Prototipo #77 Prototipo #47 Coeficiente Cx 0.3 Cx: 0.68

= 0.8 0.24

Cx:0.45 = 1 0.3

Cx:0.50 = 1 0.3 Cumplimiento

de normas FEDAK

0.2 1 0.2 1 0.2 1 0.2

Estética de

carrocería 0.3 1 0.3 0.6 0.18 0.8 0.24

Facilidad de

construcción 0.2 0.6 0.12 1 0.2 1 0.2

Total 1 0.86 0.88 0.94

Dada la matriz de decisión, se obtuvieron los siguientes resultados:

a) La carrocería que obtuvo un mayor puntaje, es la correspondiente al prototipo #47, seguida por la del prototipo #77 y por último la del Radical SR3 RSX.

b) La carrocería que posee una menor facilidad de construcción con respecto a las otras 2, fue la correspondiente al Radical SR3 RSX.

c) En cuanto a estética, la carrocería del Radical SR3 RSX es la que posee una calificación de muy vistosa, a diferencia que la correspondiente al prototipo #77 que posee una calificación de aceptable.

d) Los 3 prototipos estudiados cumplen en su totalidad con lo que impone la FEDAK.

e) El prototipo con el coeficiente de penetración aerodinámica que más se acerca a la necesidad del presente proyecto, es la correspondiente al prototipo #47.

3.1.2. BOCETO DE LA CARROCERÍA

17 Figura 2. Boceto realizado a mano de la posible carrocería

3.1.3. MODELADO Y ANÁLISIS DIGITAL DE LA CARROCERÍA

Dado el boceto realizado a mano de la posible carrocería, se procede a modelarla digitalmente mediante el programa Autodesk Inventor, con el fin de obtener las maquetas numéricas y de esta manera proseguir con los diferentes análisis que se realizaron en los programas Autodesk CFD Motion y Autodesk Flow Design.

3.1.3.1. Modelado digital de la carrocería

Para el modelado digital de la carrocería, se tomó como base las dimensiones del prototipo construido bajo las reglamentaciones de la FEDAK; dichas dimensiones se presentan en la tabla 11.

Tabla 11. Dimensiones de prototipo construido bajo normas FEDAK Medición Valor

[mm] Longitud entre ejes

(batalla) 2450 Ancho de vía

(delantera y posterior) 1300 Longitud total 2800 Ancho total 1550 Altura total (desde el

piso) 1120

Las dimensiones tomadas para el dominio computacional se detallan en la tabla 12, dichas dimensiones fueron consideradas de acuerdo al estudio previo y análisis de los 3 prototipos mencionados con anterioridad; además de las dimensiones mencionadas en la tabla 11.

Tabla 12. Dimensiones del dominio computacional Descripción Valor

18 Consecuentemente, se procedió a generar el dominio computacional base, con las medidas dadas anteriormente y la ayuda del programa de diseño asistido por ordenador Autodesk Inventor.

El dominio computacional base que fue construido en tres dimensiones, se encuentra representado en la figura 3.

Figura 3. Dominio computacional base

Se procedió con la generación de la forma de la carrocería, mediante la realización de bosquejos 2D, en diferentes planos del dominio computacional, como se aprecia en la figura 4.

Figura 4. Primeros bosquejos 2D

19 componen el boceto, definiendo el perfil a tomar en base al dominio computacional dado.

Figura 5. Bosquejos 2D para extrusión

Con la finalidad de darle forma a la carrocería en 3D, se procedió a realizar extrusiones basadas en los planos 2D, dicho procedimiento se encuentra representado en la figura 6.

Figura 6. Extrusiones basadas en bosquejos 2D

El procedimiento de realizar bocetos en 2D, para su posterior extrusión y modelado de la carrocería en 3D, se puede apreciar en el anexo 3. Como resultado final se obtuvo el modelo digital de carrocería, que se aprecia en las figuras 7 y 8.

20 Figura 8. Primera maqueta numérica de carrocería (inferior)

3.1.3.2. Análisis de matemática de túnel de viento

A partir de la maqueta numérica, se procedió con la ejecución del programa Autodesk Flow Design con la finalidad de configurar varios parámetros previos a la simulación, tal y como la velocidad deseada, el tamaño del túnel de viento, dirección del flujo de viento, entre otros. Dicha configuración inicial se aprecia en la figura 9.

Figura 9. Configuración inicial previa a la simulación

21 Figura 10. Simulación de matemática de túnel de viento (vectores)

Figura 11. Simulación de matemática de túnel de viento (sombreado)

Una vez efectuada la simulación, se prosiguió con la obtención de la gráfica de la fuerza aerodinámica, coeficiente de penetración aerodinámica VS tiempo; la misma que se aprecia en la figura 12.

Figura 12. Gráfica de fuerza aerodinámica, Cx VS tiempo

22 Tabla 13. Resultados de mayor relevancia

Descripción Valor Coeficiente de

penetración aerodinámica [adimensional]

1.194

Fuerza aerodinámica [N] 1004.281 Velocidad [m/s] 27

Dados los resultados se puede identificar que el coeficiente de penetración aerodinámica (Cx) tiene un valor superior al rango establecido como óptimo

dentro de la tabla 10 (0.45 a 0.60), por lo que la carrocería generaría demasiada resistencia al avance del vehículo, además de evidenciar una gran cantidad de turbulencias debido a su geometría.

3.1.3.3. Análisis de dinámica de fluidos computacional

Tomando como punto de partida la maqueta numérica de la figura 7, se procedió con la ejecución del programa Autodesk CFD Motion a fin de configurar varios parámetros previos a la simulación. Dentro de los parámetros iniciales, se encuentra la generación de un volumen alrededor de la maqueta numérica, dicho volumen representa la masa de aire que rodeará al prototipo y que generará resistencia al avance del mismo. En la figura 13 se aprecia la generación del volumen antes descrito; además en las figuras 14 y 15 se aprecian demás configuraciones previas de relevancia, como el número de iteraciones a realizar por el programa, así como la velocidad a la que el flujo de aire circulará.

23 Figura 14. Configuración inicial previa a la simulación 2

Figura 15. Configuración inicial previa a la simulación 3

Posterior a la configuración inicial, se realizó la simulación de dinámica de fluidos, la misma que se aprecia en la figura 16.

24 Finalizada la simulación, se dio paso a la generación del reporte por parte del programa, el mismo que se presenta dentro del anexo 4. Del reporte generado, se obtendrán los valores de mayor relevancia, descritos en la tabla 14

Tabla 14. Resultados de mayor relevancia

Entradas y Salidas Resultados

Entrada 1

Masa aire entrante 132.452 kg/s Número de reynolds 3644790.0

Flujo total de masa 132.452 kg/s Flujo total volumen 109.942 m^3/s

Flujo de volumen 109.942 m^3/s

Salida 1

Masa aire saliente -131.685 kg/s Número de reynolds 3623680.0

Flujo total de masa -131.685 kg/s Flujo total volumen -109.306 m^3/s

Flujo de volumen -109.306 m^3/s

Dados los resultados, se determinó que la carrocería presenta una alta resistencia al avance, además de generar una gran cantidad de turbulencia, corroborando los datos obtenidos en la simulación de matemática de túnel de viento. Además se evidencia claramente que el volumen de entrada y el volumen de salida tienen una diferencia en sus valores.

Se puede considerar laminaridad de la capa límite debido al valor menor a cinco millones que presenta el número de Reynolds. Se aprecia en las imágenes que en la parte baja del auto existen altas presiones, lo que generará fuerzas ascensionales sobre el tren motriz del mismo.

3.1.3.4. Análisis de aditamentos aerodinámicos

25 Tabla 15. Aditamentos aerodinámicos a emplear

Aditamento aerodinámico Descripción

Deflector delantero

Reduce la cantidad de aire que circulará debajo del vehículo, lo que se traduce en una mejora de

la aerodinámica, además de generar una zona de baja presión, a fin de aumentar la adherencia de los neumáticos.

Deflector trasero

Su misión es canalizar el aire que pasa sobre del vehículo, logrando reducir turbulencias generadas por la parte posterior del mismo.

Con la ayuda de varios aditamentos extras favorece a la

adherencia de los neumáticos.

Difusor trasero

Se sitúa en la parte posterior baja del vehículo, permite reducir las fuerzas ascendentes de aire, las mismas que generarían una pérdida de adherencia en el eje trasero. Además permite reducir la turbulencia generada por la

parte trasera del vehículo.

Alerón trasero

Va situado en la parte posterior superior del vehículo, dicho aditamento aumenta la cantidad de turbulencias, a cambio de una mejora en la adherencia en el tren

trasero, que coincide con el tren motriz del vehículo. Dicha mejora

en la adherencia se genera debido a que dicho aditamento presenta una forma similar a las

alas de un avión dispuesta de manera invertida.

3.1.3.5. Generación de segunda maqueta numérica

A fin de generar una segunda maqueta numérica en base a la primera, se realizaron reajustes.

26 Figura 17. Segunda maqueta numérica (frontal)

Figura 18. Segunda maqueta numérica (posterior)

Dada la maqueta numérica reajustada se procedió con el análisis de matemática de túnel de viento como se aprecia en la figura 19.

27 La simulación realizada arrojó los resultados que se compararon con los previamente obtenidos y se presentan en la tabla 16.

Tabla 16. Comparación de resultados de túnel de viento

Descripción Maqueta 1 Maqueta 2

Coeficiente de penetración

aerodinámica [adimensional] 1.194 0.360

Fuerza aerodinámica [N] 1004.281 261.612

Velocidad [m/s] 27 27

Se puede apreciar que el valor del coeficiente de penetración aerodinámica (Cx) ha disminuido de manera considerable, así como la fuerza aerodinámica

que influye en el vehículo.

Consecuentemente se prosiguió con la simulación de dinámica de fluidos, a fin de generar el nuevo reporte, el mismo que se presenta en el anexo 5. Los datos del nuevo reporte se compararon con los datos previamente obtenidos. La comparación se puede apreciar en la tabla 17.

Tabla 17. Comparación de resultados de dinámica de fluidos Entradas

y Salidas Resultados 1 Resultados 2

Entrada

Masa aire entrante 132.452 kg/s Número de reynolds 3644790.0

Flujo total de masa 132.452 kg/s Flujo total volumen 109.942 m^3/s

Flujo de volumen 109.942 m^3/s

99.8923 kg/s 3174070.0 99.8923 kg/s 82.9164 m^3/s 82.9164 m^3/s

Salida

Masa aire saliente -131.685 kg/s Número de reynolds 3623680.0

Flujo total de masa -131.685 kg/s Flujo total volumen -109.306 m^3/s

Flujo de volumen -109.306 m^3/s

-99.3916 kg/s 3158160.0 -99.3916 kg/s -82.5008 m^3/s -82.5008 m^3/s

Con base en los resultados, se determinó que la resistencia al avance del vehículo se redujo de manera considerable, manteniendo relación con los resultados obtenidos de la simulación de túnel de viento.

Los resultados arrojados, denotaron que el coeficiente de penetración aerodinámica se redujo de manera abrupta, saliendo de los rangos establecidos y previamente expuestos; por tal motivo se decidió generar una tercera maqueta numérica, a fin de aumentar el coeficiente aerodinámico y mejorar la estética de la carrocería a implementar.

3.1.3.6. Generación de tercera maqueta numérica

28 ruedas y del chasis. Las diferentes vistas de la tercera maqueta numérica se pueden apreciar en la figuras 20, 21 y 22

Figura 20. Tercera maqueta numérica (vista frontal)

Figura 21. Tercera maqueta numérica (vista lateral)

Figura 22. Tercera maqueta numérica (vista posterior)

29 Figura 23. Simulación túnel de viento tercera maqueta

La simulación realizada arrojó los resultados que se compararon con los previamente obtenidos en las simulaciones de las dos primeras maquetas numéricas y se presentan en la tabla 18.

Tabla 18. Comparación de resultados túnel de viento Descripción Maqueta

1 Maqueta 2 Maqueta 3 Coeficiente de penetración aerodinámica [adimensional]

1.194 0.360 0.540

Fuerza aerodinámica

[N] 1004.281 261.612 352.888

Velocidad [m/s] 27 27 27

Se aprecia claramente en los resultados obtenidos, que el coeficiente de penetración aerodinámica (Cx) se elevó hasta un valor que se encuentra

dentro del rango previamente establecido, además de un aumento en la fuerza de aerodinámica.

Consecuentemente se prosiguió con la simulación de dinámica de fluidos. A diferencia de las simulaciones realizadas con anterioridad, la presente simulación se realizó con un modelo a escala (1:10) de la tercera maqueta numérica, debido a su geometría más compleja y a la limitación tecnológica; además de la eliminación de las llantas por un área lisa; la eliminación del alerón y la parte baja completamente sellada y lisa.

30 Figura 24. Simulación de dinámica de fluidos (partículas)

Figura 25. Estancamiento de fluido

Las figuras 26 y 27 representan la velocidad del flujo a través de la maqueta numérica. Se determinó que el flujo tiene mayor velocidad en la parte superior y en la parte baja de la maqueta de la carrocería, además se aprecia una baja velocidad en las zonas donde se generan turbulencias.

31 Figura 27. Velocidad del fluido

La figura 28 representa la presión que el flujo genera sobre la geometría de la maqueta numérica. Se puede resaltar que en la parte delantera existe una presión alta, debido al choque de la zona frontal contra la pared de fluido que la rodea; así mismo se aprecia una presión elevada del fluido en la zona de los pontones laterales, que coincide con el estancamiento de fluido apreciado con anterioridad.

Figura 28. Presión del fluido

3.1.4. VALIDACIÓN DE DATOS

Se procedió con la aplicación de cálculos numéricos, a fin de validar los valores obtenidos en las simulaciones.

3.1.4.1. Cálculo de área frontal aproximada

32 Figura 29. Cálculo de área frontal vehículo de competencia (McBeath, 2005)

Las medidas para realizar el cálculo del área frontal aproximada se presentan en la figura 30.

Figura 30. Medidas para cálculo del área frontal aproximada

Siguiendo el ejemplo de la figura 29, se calculó el área frontal aproximada, aplicándose las ecuaciones correspondientes al área de un rectángulo y al área del triángulo, las mismas que se encuentra representadas por las ecuaciones 6 y 7.

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Luego de los cálculos realizados con anterioridad, se obtuvo un área frontal aproximada de 1.296 m2

3.1.4.2. Cálculo de Cx

El cálculo del coeficiente de penetración aerodinámica (Cx) se realizó

mediante la aplicación de la ecuación 5. Para los datos de aceleración y velocidad, se empleó la ecuación 3 y la ecuación 4 respectivamente. Bajo condiciones de prueba se considera que la fuerza de desaceleración es igual a la resistencia al movimiento (Vera, Aparicio, & Díaz, 2001). Previa a la aplicación de la ecuación 3 y la ecuación 4, se procedió a transformar las velocidades de kilómetros por hora a metros por segundo, los resultados de la transformación se aprecian en la tabla 19.

Tabla 19. Transformación de las velocidades Valor en Km/h Valor en m/s

100 27.78

90 25

50 13.89

40 11.11

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Se reemplazaron los datos obtenidos en la ecuación 5, teniendo en cuenta que el peso que impone la FEDAK para prototipos, es de 500 Kg incluido piloto. Además se consideró que la densidad del aire es de 1.225 Kg/m3 _(Vera,

Aparicio, & Díaz, 2001).

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El valor obtenido mediante la simulación de matemática de túnel de viento fue de 0.540, mientras que el valor obtenido mediante los cálculos descritos con anterioridad, fue de 0.553, generando un error de 2.41%. Debido a la gran cercanía entre los valores, se concluyó que el error no presenta significancia alguna, teniéndose que el coeficiente de penetración aerodinámica del vehículo (Cx) oscilará en el rango de 0.540 ± 2.41%.

3.1.4.3. Cálculo de fuerza de penetración aerodinámica

Una vez obtenido el valor del Cx, se prosiguió con el cálculo de la fuerza de

penetración aerodinámica, la misma que está descrita por la ecuación 1. Los datos a tomar en consideración se presentan en la tabla 20.

Tabla 20. Datos para cálculo de fuerza de penetración aerodinámica

Dato Valor

Cx 0.553

A [m2_{] 1.296} ρ [k..g/m3_]

(aproximada en la provincia de

Imbabura)

1.0412

V [m/s] 40.3

35 ܹ ൌ ͲǤͷͷ͵ כ ͳǤʹͻ͸ሾ݉ଶሿ כ ቌͳǤͲͶͳʹ ቂ ܭ݃ ݉ଷቃ ʹ כ ͶͲǤ͵ ଶ_ቂ݉ ݏቃ ଶ ቍ ܹ ൌ ͸ͲͷǤͻ͸ͳ ൤ܭ݃݉ ݏଶ ൨ ൌ ͸ͲͷǤͻ͸ͳሾܰሿ

Como resultado de las operaciones antes descritas, se aprecia que para una velocidad de 145 Km/h (40.3 m/s), que se refiere a la velocidad promedio a la que un prototipo se desplaza por el autódromo José Tobar; la fuerza de penetración aerodinámica aproximada será de 605.961 N.

3.2. SELECCIÓN DE MATERIAL CONSTITUTIVO

La tabla 22 representa la matriz de decisión en que se determinó el material constitutivo a emplear para la construcción de la carrocería del prototipo. Con base en el estudio previo realizado sobre propiedades mecánicas, químicas, constructivas, entre otras; además de su facilidad de manufactura y costo, se determinaron las principales características a tomar en cuenta, las mismas que recibieron un factor de importancia. Después de un análisis individual efectuado a cada material se asignó de manera objetiva un valor numérico según sus características propias; dicho valor se detalla en la tabla 21.

Tabla 21. Valores para ponderación Valor Característica Costo

1 Alto Bajo

0.8 Medio alto Medio bajo

0.6 Medio Medio

0.4 Medio bajo Medio alto

0.2 Bajo Alto

Dicho factor se multiplicó por el factor de importancia previamente asignado. El resultado obtenido de la multiplicación de cada uno de los valores designados en cada característica se sumó, a fin de obtener el material a emplear en la construcción de la carrocería.

Tabla 22. Matriz de decisión para selección de material constitutivo

Características Factor de importancia

Material constitutivo Aluminio Fibra de

carbono

Fibra de vidrio Durabilidad 0.2 1 0.2 1 0.2 0.8 0.16 Resistencia

mecánica 0.2 1 0.2 1 0.2 0.8 0.16

Facilidad de

manufactura 0.3 0.6 0.18 0.6 0.18 1 0.3 Costo 0.3 0.8 0.24 0.6 0.18 1 0.3

36 Dada la matriz de decisión, se obtuvieron los siguientes resultados:

a) El material que obtuvo un mayor puntaje, es la fibra de vidrio, seguida por el aluminio y por último la fibra de carbono.

b) Debido a la facilidad de manufactura, así como el costo, la fibra de vidrio tiene una notable ventaja frente a los materiales analizados.

c) Los 3 materiales estudiados cumplen con lo descrito en el reglamento de la FEDAK.

Prosiguiendo con el curso del proyecto, se determinó el método constructivo correspondiente a la fibra de vidrio, el mismo que se encuentra descrito con anterioridad. Debido a que su método constructivo no presenta mayor dificultad, se procedió con la selección de las herramientas y equipos correspondientes para la manufactura de dicho material, los mismos que se encuentran representados en la tabla 23.

Tabla 23. Herramientas y equipos empleados en la construcción

Descripción Finalidad

Fibra de vidrio Tela de fibra de vidrio (tipo E)

Construcción de la carrocería en fibra de vidrio Resina de Poliéster

Estireno Desmoldante Brochas Guaipes Cobalto Meck

Catalizador (Peróxido de Metil-Etil-Cetona) Varios insumos (recipientes para la mezcla

de resinas) Thinner Acrílico

Materiales para Pintura y Acabados Masilla poliéster

3.3.

CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE LA

CARROCERÍA

Considerando que se ha identificado el material constitutivo de la carrocería, así como las diferentes herramientas y equipos a emplear, se comenzó la construcción de la misma.

3.3.1. CONSTRUCCIÓN DE MOLDE

37 implementó en el prototipo. Los materiales, herramientas y equipos empleados para la fabricación del molde se encuentran descritos en la tabla 8. Entre las consideraciones a tomar en cuenta, se tiene que el molde fabricado debe cumplir con una textura lisa, además de la suficiente robustez que permita el desmolde de la matriz, así como líneas definidas con claridad, dado que la carrocería poseerá la geometría que dicho molde presente. La construcción del molde comenzó con el bosquejo de las principales formas de la carrocería en planchas de cartón prensado, las mismas que fueron dibujadas en las planchas de MDF, como se aprecia en la figura 31.

Figura 31. Bosquejo de formas en planchas de MDF

38 Figura 32. Corte de piezas de MDF

A fin de fijar las piezas de MDF, se procedió con el corte de tubo cuadrado y pletina, consiguiendo refuerzos que fueron soldados a la carrocería del prototipo, formando una sola estructura, como se aprecia en la figura 33.

Figura 33. Fijación de piezas de MDF al chasis

39 de ésta manera no se verá afectada la aerodinámica de la carrocería. La generación de la pieza base en MDF se aprecia en la figura 34.

Figura 34. Pieza base de frontal

Continuando con la generación del molde, se procedió con la fijación de las piezas de MDF de la parte posterior, siguiendo el mismo procedimiento que el realizado con la parte frontal, las piezas fijadas se encuentran en la figura 35.

Figura 35. Fijación de las piezas de la parte posterior del molde

40 Figura 36. Pontones laterales con forma de onda sinusoidal alargada

Prosiguiendo con la construcción del molde, se generaron las curvas de la parte frontal con el empleo de pletina y varilla lisa, de manera que las mismas generen las líneas continuas de la carrocería al pasar por el chasis. La fijación de dichos elementos se realizó mediante el empleo de la suelda eléctrica. Las varillas fijadas se aprecian en la figura 37.

Figura 37. Forma de frontal con varillas lisas y pletina

41 conformado por el tanque de combustible y la pieza fabricada en fibra de vidrio.

Figura 38. Parte posterior de molde con tanque de combustible

Siguiendo el procedimiento realizado en la parte delantera, se prosiguió con la generación de las curvas por medio de varilla lisa y pletina. En la figura 39 se aprecian las curvas formadas por dichos elementos.

Figura 39. Curvas posteriores generadas con pletina y varilla lisa

42 Figura 40. Relleno de bases con lámina de PVC y cartón

Figura 41. Molde completamente cubierto con lámina PVC y cartón

43 Figura 42. Aplicación de poliuretano

Figura 43. Modelado del poliuretano

44 Figura 44. Aplicación de resina de poliéster

Figura 45. Aplicación de fibra de vidrio

45 Figura 46. Masillado de superficie de molde

Figura 47. Lijado de superficie de molde