DINÁMICA DE UN VEHÍCULO DE COMPETICIÓN · 2016-07-09 · Con una batalla de 1580mm y un tren de...
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DINÁMICA DE UN VEHÍCULO DE COMPETICIÓN
Autor: Adrián Lozano, Víctor
Director: Jimenez Otavio, Jesús Ramón
Tutor: Serrafero, Patrick
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
Cuando se habla de un vehículo de competición, se habla de su eficiencia y
rendimiento. Estas prestaciones vienen dadas por el motor y su comportamiento y pista.
La entidad del EPSA tiene como objetivo la participación en el Formula Student,
una competición automovilística de nivel universitario que se celebra cada año en
diferentes países de todo el mundo y en la que compiten universidades de diferentes
rincones del globo.
Más precisamente, el EPSA, es un equipo fundado en 2002, que, a lo largo de su
historia ha creado vehículos de competición para participar en diversas competiciones.
Los dos últimos, Dinamix y Atomix, ya participaron en el Formula Student, en Italia, al
igual que hará el nuestro, Kinetix. El objetivo del EPSA es promover la ingeniería
mecánica y del automóvil.
Kinetix es un vehículo cuyo objetivo es alcanzar una eficiencia tal que pueda
llevar a la escudería a alcanzar las más altas posiciones del ranking. Su peso es de 220kg.
Con una batalla de 1580mm y un tren de aproximadamente 1200mm.
Se trata de un vehículo con un presupuesto de alrededor de cien mil euros, más de
2000 piezas ensambladas y 27 alumnos de diferentes partes del mundo y de diferentes
estudios participando en este proyecto.
Estos 27 alumnos, de promoción entrante 2014/2015 en el École Centrale de Lyon,
se dividen en cinco proyectos de aplicación:
Chasis/Carrocería
Contacto al suelo
Interacción hombre máquina
Motorización
Polo de finanzas y comunicación
Este último ha sido puesto en práctica por primera vez este año con el fin de
gestionar facturas, y buscar acuerdos con socios y patrocinadores para la escudería.
La política del equipo, trata de tener un 20% de mejora respecto al vehículo
predecesor, para poder así evolucionar más rápido que la competencia e ir alcanzando
mejores puestos de pódium. Para ello el proyecto comienza con un análisis exhaustivo
realizado durante los primeros meses para ver en qué puntos se puede avanzar con
soluciones concebibles en función de las capacidades de los alumnos integrantes del
equipo y de la economía y presupuesto de la escudería.
Varias soluciones tecnológicas fueron propuestas desde un inicio. Algunas de
ellas fueron aceptadas mientras que otras fueron inevitablemente desechadas,
normalmente por un comité de antiguos alumnos del EPSA que son los que nos aconsejan
sobre las labores más técnicas.
Es innovador gracias a su chasis mejorado, con líneas más suaves y
aerodinámicas, más resistente al estar mejor triangulado, y menos pesado pues se ha
optado por eliminar la célula trasera del mismo, dejando así la transmisión desprotegida.
La suspensión ha visto reducido su peso, con un nuevo sistema de resortes a aire, en lugar
de helicoidales mecánicos, y además se ha integrado dentro del chasis, lo que favorece la
aerodinámica y la llegada de aire al refrigerador. Posee por primera vez una barra
estabilizadora en Z. La electrónica también ha mejorado con cartas gráficas dibujadas a
mano para un mayor rendimiento.
En resumen, tenemos un vehículo, con el mismo peso que el año pasado, sin
utilizar tal cantidad de fibra de carbono, con un menor centro de gravedad y con un mayor
refinamiento global.
A finales de julio 2016, Kinetix participará en la competición Formula Student
Italia. Un evento que se celebra en el circuito Riccardo Paletti y que consiste en un
conjunto de pruebas muy diversas en las que no solo se evalúa la calidad del propio
vehículo sobre la pista, sino también la eficiencia, el conocimiento de los integrantes de
la escudería y la labor de ingeniería en general.
Para participar, se requieren una serie de documentos adicionales, como son un
estudio de costes, un estudio de diseño y unas especificaciones técnicas del vehículo.
Dentro del equipo, existe una organización interna. El Director es el encargado
de organizar el equipo, distribuir las tareas y gestionar los tiempos. Ha de darnos una
visión cronológica y clarificarnos el estado del proyecto en cada momento.
El Jefe Técnico es el encargado de tener un punto de vista global del vehículo.
No ha de ser experto en ningún órgano particular del vehículo pero sí ha de entender el
funcionamiento básico de los mismos y verificar que de una manera global que el coche
es funcional y que no existen problemas de interacción entre sub-sistemas que puedan
afectar al rendimiento, al ensamblaje o a la construcción.
Este proyecto se desarrolla durante dos largos años. La meta final es la
participación en esta competición. Para ello el proceso se divide en dos etapas muy
marcadas. La concepción y el desarrollo. Todo el proceso evolutivo se resume gracias al
llamado Ciclo en V, un esquema de la metodología que sigue la escudería y que planifica
el proyecto en sí. Los ‘’deadlines’’ o TOP’s son fechas claves en las cuales se establecen
unos objetivos claros a cumplimentar y presentar delante de directores, tutores
pedagógicos y antiguos miembros de la escudería.
Ilustración 1 del Resumen: Ciclo en V
La validación de uno de estos TOP’s da comienzo a la etapa de preparación del
siguiente, pero su incumplimiento podría producir un grave retraso y la cancelación del
proyecto si es que se cree conveniente. Como podemos ver en la imagen, existen tres
TOP’s que destacan respecto al resto, el TOP Projet, el TOP copeaux y el TOP Musée.
Estos marcan el inicio, el punto de inflexión y el final del mismo.
El TOP Projet da inicio a la etapa de concepción. Descendiendo hacia el top
Copeaux lo que indica que vamos de un punto de vista global hacia un punto de vista más
particular, se pasa de enfocar el sistema a enfocar cada una de las piezas, tornillería
incluida.
Así llegamos al TOP Copeaux, sin duda el punto de inflexión, no solo en el
gráfico sino también en la experiencia real. El vehículo comienza a construirse si el
director considera que dicho TOP ha sido validado. Para ello una maqueta numérica
realizada en Catia es necesaria en la que todo es funcional y construible. En la etapa de
ascensión del Ciclo en V volvemos a tener un punto de vista más global del vehículo hasta
llegar al TOP Musée donde el vehículo es validado por un piloto profesional para
participar en la competición.
Ilustración 2 del resumen: Test de comportamiento de los resortes Cane Creek
DBAir CS
Estos TOP’s permiten caminar a través de las diferentes fases del proyecto. Todo
el primer año se trata de una etapa de concepción. En ella se profundiza en la comprensión
del propio sub-sistema. Con el comienzo del segundo año, la concepción da paso a la
modelización y al diseño 3D o construcción de la maqueta. La aprobación de la maqueta
da inicio a la batalla logística o periodo de aprovisionamiento de materiales. Se trata de
un periodo crítico pues se depende de terceros para que el vehículo llegue a tiempo y por
eso se ha de ser especialmente cuidadoso.
Posteriormente, se procede a la construcción e integración del vehículo. Antes de
ello se da el visto bueno a todas y cada una de las piezas y ensamblajes. Esta es sin duda
alguna la etapa más corta.
Una vez construido el vehículo, está listo para sus primeros rodajes. Cuanto antes
se llegue a este punto mejor, pues la validación por un piloto profesional marca el inicio
del periodo de ensayos.
Y, finalmente, los ensayos dan paso a la competición.
Para cada una de estas fases, se nombra a un director. Existe un director de
logística, de ensamblaje, uno de ensayos y uno de pista, encargados de gestionar la etapa
correspondiente.
En pos de lo académico, el ECLyon organiza unos ‘’rendez-vous’’ o reuniones en
las cuales se presenta el avance del coche, desde un punto de vista muchos menos técnico
que lo que se haría para la propia escudería. Se apuesta por un desarrollo pedagógico
como cabe esperar. Por su parte, la escudería tiene otras expectativas. Esperan resultados,
puesto que detrás del equipo hay por supuesto una serie de socios y sponsors o
patrocinadores que invierten en el coche y que obviamente quieren resultados de nuestra
parte también para seguir conservando dicho patrocinio. Ambos puntos de vista tienen
que resultar compatibles.
Dentro de este equipo, este proyecto hace hincapié en uno de estos cinco
subsistemas, el del contacto al suelo.
El órgano de contacto al suelo es el que determina la dinámica del vehículo, y
es el que diferencia a unos vehículos de otros. Un contacto al suelo bien concebido puede
ser la diferencia entre la victoria y la derrota. Este sistema lo dividimos, para su estudio
en cinco partes. La dirección, el buje y porta buje, los triángulos, el sistema y el circuito
de freno, los neumáticos y finalmente la suspensión y la barra estabilizadora, de los cuales
me ocupo yo en particular.
El objetivo final es conseguir que el vehículo se adhiera a la carretera
trabajando en las condiciones óptimas en cada una de las diferentes situaciones para
así poder alcanzar las mayores velocidades en pista.
Al ser, de los cinco sistemas del vehículo, el más técnico, la etapa de concepción
es especialmente dura, ya que requiere muchos cálculos matemáticos de cinemática y
dinámica para su posterior modelización y una profunda compresión del comportamiento
de un vehículo. Normalmente, los miembros de cada sistema acostumbran a reunirse, más
allá de las sesiones habituales, para discutir y profundizar sobre el funcionamiento del
mismo. Se exponen problemas y avances, y se ayuda a aquel que lo necesite. Existe un
fuerte componente de trabajo en grupo, y está claro que un buen ‘’espíritu de equipo’’
es esencial.
Durante la etapa de diseño, el cúmulo de trabajo sigue siendo muy alto, ya que en
su mayor parte, las piezas del sistema contacto al suelo, son piezas ‘’custom’’, realizadas
a medida y con muchas superficies funcionales, por lo que requieren unas formas
específicas.
Ilustración 3 del resumen: Maqueta de Kinetix en Catia V5
La integración, por su parte, se lleva a cabo, no sin antes haber realizado un
recuento exhaustivo de piezas, en las diferentes instalaciones de la escudería o escuelas
asociadas. Si bien el vehículo descansa en la plataforma ISYPro, situada en las
instalaciones del liceo Emile Béjuit de Bron, los órganos del contacto al suelo se
ensamblan en otro entorno para verificar nuestra conformidad antes de ser integrado
definitivamente.
Todo se prepara para que esta etapa sea lo más rápida posible. Manuales de
montaje, control de validación y de conformidad y control de utillaje. Sin embargo, se
trata sin duda de la etapa más emocionante, pues por primera vez el trabajo realizado tras
la pantalla de ordenadores durante tanto tiempo toma forma por primera vez.
Para alcanzar y cumplimentar nuestros objetivos, hemos hecho uso de varios
instrumentos, no solo puramente técnicos, como pueden ser Catia o Ansys, sino que
también, algunos programas ofimáticos más habituales, muy útiles en las tareas de
gestión.
Para lograr una mayor coordinación, tenemos también a nuestra disposición
muchas páginas web asociativas propias de la escudería que tenemos que poner al día
para que las generaciones futuras tengan el ‘’feedback’’ de nuestro trabajo que tanto
anhelamos. Normalmente están realizadas en código wiki y son instrumentos asociativos.
A día de hoy los resultados son satisfactorios. Kinetix es un vehículo funcional
y las piezas concebidas han sido hechas realidad con éxito, respondiendo a nuestras
expectativas.
El vehículo gira bien, es ágil, frena mejor que cualquier otro concebido hasta la
fecha, los resortes de aire no parecen dar problemas y todas las piezas soportan todos los
esfuerzos a las que se han visto sometidas. Se trata también de un vehículo mucho menos
costoso que sus antecesores.
Ilustración 4 del resumen: Kinetix finalizado con su carrocería
RACE CAR VEHCILE DINAMICS
Author: Adrián Lozano, Víctor
Directors: Jimenez Otavio, Jesús Ramón
Menthor: Serrafero, Patrick
Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
When we talk about a racecar, we refer to efficiency and performance. The
engine gives the performance, but it also depends in a big way, on how the vehicle
behaves on the track and its overall equilibrium.
The EPSA is a racing team whose main objective is to participate in the Formula
Student. An automobile competition between different universities from all over the
world. It takes place every year in various parts of the world and the objective is to show
the automobile’s engineering of college students.
More precisely, the EPSA is a team founded in 2002, and through its history, it
has supported the creation of 16 vehicles up to date, in order to compete in different events
and winning even more prices. The last two vehicles, Dinamix and Atonix, have already
participated in the Formula Student Italy, where our car, Kinetix, will participate as well
in July 2016. EPSA’s objective is to promote the mechanic and automobile engineering.
Kinetix’s goal is to achieve high efficiencies in order for the team can to get
highest places in the ranking and, eventually, be placed at the podium. Its weight is 220kg,
with a 1580 mm wheelbase and approximately a 1200 mm track.
This vehicle was built with a hundred thousand euros budget. The assembly
integrates more than 2000 parts. Each of them designed and chosen by a group of 27
students from different parts of the world and different study areas , but sharing the love
for the automobiles.
These 27 students, prom 2014/2015 in the École Centrale de Lyon, are divided in
five application projects:
Chassis/Body
Suspension
Human-Machine interaction
Motorisation
Fin’&Com’ Pole
This last one has been presented this year. The goal is to manage bills and to look
for new partners, sponsors and associates.
The team’s politics stands for a 20% gain in improvement every year regarding
the previous cars, so that we can improve faster than our rivals do and achieve better
results, and eventually get to podium scores. For this, we carry a meticulous analysis of
previous cars and from different cars from the competition or any
technological solution from the F1 that could be implemented to our car to
improve the performance. Of course, we always keep the team capacity and budget in
mind.
At the beginning, we proposed quite a lot of new solutions or innovations. Some
of them resulted to be interesting, and obviously, some others not so much. As we were
beginners at this time, it was usually, the veterans the ones helping us to decide whether
if the idea was good or not and whether if it was conceivable or too hard.
This car is innovative, thanks to its improved chassis, with smoother lines and
improved aerodynamics. More resistant because of its better triangulation. Less weighted,
as there is no rear cell leaving the transmission uncovered. The suspension has been
lighted in weight terms, as a new system of air springs has been implemented instead of
classical and mechanical springs. What is more, front suspension has been integrated
inside the chassis to improve aerodynamics and enhance the quantity of air that the
refrigerator receives. It has as well a new anti-roll bar system with a Z bar that works in
flexion and not in torsion as usual. Finally, the overall electronics are much more refined,
with graphic cards made ‘’custom’’ for a better performance.
To sum up, our car may have the same weight as last year’s car, but all this with
much less carbon fibre parts, a lower centre of gravity and a better global performance.
For the end of July 2016, Kinetix will compete in the Formula Student Italy 2016.
This event takes place in Riccardo Paletti’s circuit. It consists on several events of
different types where the car’s quality is evaluated. Not only in terms of performance, but
also in terms of efficiency, knowledge, design and engineering work in general.
In order to participate in this competition, there are some additional documents
required. First, there is a cost report to be presented, as well as a design report and a
technical card present the specifications.
Inside the team, there is also a specific organisation. The Director is the leader
charged to organise the team, distribute tasks and manage the chronology of the project.
He has to give as this sense of time and clarify the situation at every moment.
The technical Manager has to have an overall point of view of the car. He does
not have to be expert in any system in particular but he has to understand the basics of
every one of them. He needs to check that there is no contact between any of the systems
as well. This could rise big problems for the performance or even the assembly stage.
This project lasts two long years. The final stage is the competition. We divided
the process in two years and two main stages, the conception and the development. All
the evolutionary process can be resumed thanks to the V Cycle, which is a managerial
tool scheming the team’s methodology and planning the project. It exists some deadlines
or ‘’TOP’s’’, which are specific dates when some objectives have to be achieved and
presented to the team in front of the directors, mentors and old members of the team.
Illustration 1 Summary: V Cicle
The approval of one of these TOP’s leads to the preparation of the following steps.
Any failure can give raise to a great delay or even the project’s annulation if the failure
happens to be convenient and critical. As we can appreciate in the picture, three TOP’s
are highlighted from the rest, the TOP Projet, the top Copeaux, and the top Musée. They
announce, respectively, the start, the inflexion point and end of the project.
The TOP Projet, points out the start to the project. The conception period starts
and as we go down by the V cycle, we go from a global point of view up to a more
particular point of view, focusing in each one of the parts, bolts and screws.
That is how we reach the TOP Copeaux. This is the turning point, in both the
graphic and real life. This is when the director gives his approval to start building the car.
At this important TOP, we present the numerical mock-up conceived in CATIA, where
we demonstrate everything is practicable and there are no interactions between the
systems. Then we start the rise, in direction to the TOP Musée and having back a global
point of view as the vehicle is already built by that time.
Illustration 2 Summary: Cane Creek DBAir CS Springs test
These TOP’s help to walk along different stages of the project. During the first
year, as we said, it consists on a conception period where we deep ourselves into our own
system or sub-system comprehension. The second year, the conception leads to the
modelling and 3D design or the mock-up construction. The approval of this mock-up
gives start to the logistic battle, when we have to make the supply of all the materials that
we will need for the car’s construction. It is a very critical period as it depends of other
people and we have to take care of this if we do not want to have serious delays.
Afterwards, the construction and integration of the car starts once everything has
been checked and every part responds to our expectations. Undoubtedly, this is the
shortest period.
Once the car has been built, the first tests take place. It is important to get to this
point as soon as possible so that we can make as many tests as possible and so have a
more prepared car before the competition.
Finally, the tests lead to the Formula Student.
For each one of these different stages, a new stage director is named. There is a
logistic manager, an assembly manager, another one for the tests and another one for the
track, and they have to manage each stage.
From the pedagogical point of view, the ECLyon organises some appointments in
which we present the car’s evolution, in a less technical point of view. At the same time,
the team’s director has a different approach, so sometimes the requests become confusing
and they mix ones with others. These last, are of course interested on getting good results,
to keep sponsors and partners happy, and to justify their investment, so as we can preserve
the partnership.
In this work-study, I am going to talk in depth about one of the five systems, the
vehicle dynamics.
The vehicle dynamics study is essential for a well-tuned vehicle. The element
that distinguish the best cars from those, which are not that good, as the engine does not
make much of a difference in this competition. We have divided this system into five sub-
systems in order to make its study easier: steering, hubs, A-arms or wishbones, the
breaking system, the pneumatics, and finally the suspension and anti-roll bar system,
which I was in charge to conceive.
The final objective is to have a vehicle that can stick to the road at every time,
working always in the optimal conditions in every of the different situations so that it
can achieve the highest speeds on track.
Out of the five systems of the vehicle, the most technical of them, the conception
stage is specially hard, as it requires a deep comprehension and a lot of mathematical
models for the cinematics and dynamics before doing a mock-up or a three dimensional
model. The members of all the sub-systems tend to gather, not only on the usual meetings
organised by the team but in personal meetings, in order to discuss and debate about their
study and the way the system works. All the problems are exposed, as well as the
advances, and then a hand is lead to whoever needs it. There is a strong work component
and the ‘’work belonging sensation’’ is essential.
During the design period, the amount of work is still very high, because, most of
the parts of this system require 3D design, as they have to be customized parts. These
parts need specific forms and have many functional surfaces so they have to be carefully
conceived.
Illustration 3 Summary: 3D mock-up in Catia V5
The integration takes place, after a very exhaustive part recount, in the different
headquarters of the associate schools of production. However, the car always stays in the
ISYPro platform, in the Emile Béjuit installations. The vehicle’s dynamic organ is
assembled out of this place in order to control the conformity of all of us before being
integrated in the car.
We prepare everything so as this stage can be as fast as possible. To do so, we
make some assemble, validation control, conformity and tool manuals. However, this is,
with no doubt, one of the most, or the most exciting stages of all as we can see for the
first time how the work we have been doing at our computers for so long starts taking
form.
In order to achieve our objectives, we have made use of several instruments, not
only and purely technical, as Catia or Ansys, but also, some office programs, more
common but at the same time very useful for managing work.
In order to achieve a better coordination, we have at our disposition many web
sites that the team owns and help us in every stage of the project. We work daily on them
in order to capitalise the knowledge and making out of them a sort of encyclopaedia where
future generations could go and check if they have any doubt. It is a very good way to
give feedback and register it. They are usually presented with wiki code and they are
associative tools.
Now, we find out that the results are very satisfying. Kinetix is a functional car,
it rolls and there are no major problems. All the parts respond to our expectations, and
they represent firmly the 3D design of the mock-up.
The car steers very well, it is agile, and it breaks better than any other vehicle up
to date, the air springs do not seem to generate any kind of problem and the whole
structure seems to resist all the efforts, and no breakdowns have appeared so far. What is
more, it is a success costing much less than the previous car.
Illustration 4 Summary: Kinetix with the body