Diseño de la suspensión trasera de un vehículo Formula Student

Abstract

El objeto de este trabajo es el diseño de la suspensión trasera de un vehículo Formula Student, y la labor realizada será aplicada al vehículo del equipo UPM Racing que competirá en la categoría de vehículos de combustión en las carreras que se disputarán en el verano de 2017, esperando que sea de ayuda para los proyectos de años futuros. La Formula Student o Formula SAE es una competición organizada por la Society of Automotive Engineers, cuyo principal objetivo es desarrollar la capacidad de los alumnos para resolver problemas ingenieriles fuera de las aulas, logrando de esta manera que los estudiantes sean capaces de incorporarse al mercado laboral inmediatamente después de finalizar sus estudios. En esta competición, muchas áreas del diseño del monoplaza están limitadas por la normativa, sin embargo se deja un amplio margen a la creatividad e imaginación. De esta manera cada equipo puede recurrir a distintas soluciones o estrategias para solventar un mismo problema. El diseño de la suspensión y la dirección serán junto con la puesta a punto de amortiguadores y neumáticos claves para tener una adherencia mayor y obtener un buen resultado. Diseñar un sistema de suspensión requiere conocimientos de disciplinas muy diversas. Al hablar de sistemas de suspensión nos referimos a cómo la masa suspendida está acoplada a la masa no suspendida. La forma en la que ambos están relacionados determina no solo el movimiento sino también las fuerzas transmitidas. Un sistema de suspensión debe ser diseñado teniendo en cuenta las particularidades del vehículo y el comportamiento deseado. La suspensión independiente es la más adecuada para nuestra aplicación al ser la que ofrece una mayor estabilidad al absorber de forma independiente las vibraciones y oscilaciones de las dos ruedas de un mismo eje. Además, se trata del diseño que ofrece un mejor confort y el que posee un menor peso no suspendido. Debido al extenso trabajo necesario para el diseño de un monoplaza de competición y el coste asociado, en UPM Racing cualquier cambio realizado en el diseño de un año para otro suele ser una evolución en lugar de rediseño total, y se centran los esfuerzos en aquellas áreas que tienen una mayor urgencia o mayores deficiencias. De esta forma nos permite contar con la experiencia de años anteriores, evitando de esta manera cometer los errores que surgen en un diseño que ha partido de cero. Por lo tanto en primer lugar realizaremos un estudio de la suspensión trasera del UPM Racing 13C con el fin identificar sus fortalezas y deficiencias, que serán los puntos de partida para el diseño de la suspensión trasera del monoplaza 14C, así como para validar los modelos y cálculos en los que se basa este trabajo. Para facilitar el análisis y poder contrastar los resultados teóricos con los resultados en pista, planteamos un modelo para predecir el camber dinámico, la convergencia dinámica, la transferencia de carga lateral y longitudinal, el ángulo de balanceo y las deformaciones tanto de los elementos elásticos como de los neumáticos. Esta herramienta, validada por la similitud de los resultados teóricos con los de las mediciones en los ensayos en pista, nos es de gran utilidad para predecir y afinar el funcionamiento de la nueva suspensión, además de para estudiar detalladamente el del actual. De este estudio se concluye que el primer punto débil del sistema actual es el motion ratio de la suspensión. Aunque el valor estático del motion ratio, que es de 0.9, es correcto, no presenta la curva que sería deseable para esta aplicación al no ser lineal. Esto dará lugar a una fuerza amortiguadora que dependerá de en qué punto de su recorrido se encuentre el amortiguador, al depender la fuerza en rueda del motion ratio del sistema. Por otra parte, se observa una variación del ángulo de convergencia de la suspensión en el desplazamiento de la suspensión, fenómeno conocido como bump-steer, y entre los inconvenientes de este efecto hay que señalar un desgaste prematuro e irregular de los neumáticos, inestabilidad, giros indeseados del volante en curva y una dirección imprecisa sobre firmes irregulares. Por otro lado, el coeficiente de ganancia de la caída con el recorrido de la suspensión, o camber gain, resulta insuficiente para garantizar que la rueda exterior en una curva mantiene una caída negativa para aceleraciones laterales elevadas, y en las simulaciones podemos observar cómo la caída de la rueda exterior pasa a tener un valor positivo, lo cual es indeseable. Para remediar este fenómeno se podría partir de una caída estática más negativa, lo cual tampoco es la solución óptima al tener que sacrificar capacidad de aceleración y frenada. Tras este estudio del punto de partida, podemos comenzar con el diseño de la suspensión del monoplaza UPM Racing 14C, pero lo primero que hay que señalar es que en el diseño de la suspensión de un vehículo, no existe una solución única que pueda ser considerada como la ideal. Un diseño óptimo será aquel que permita al piloto hacer trabajar a todos los elementos de la forma adecuada, por lo que tenemos que ir más allá del estudio meramente cinemático y entender como una geometría dada interactúa con los neumáticos. Para hay que hacer uso de toda la información disponible sobre las características del vehículo, el comportamiento de los neumáticos y otros componentes directa o indirectamente relacionados con la suspensión. Como dijo Carroll Smith, el proceso de diseño de una suspensión puede ser resumido como el intento de alcanzar unas prestaciones objetivo a través de la modificación del tamaño de los componentes y su posición. Por lo tanto, primero hay que identificar los parámetros relevantes en el diseño, y después se estudiarán los aspectos limitantes tanto de la normativa de la competición como de otros aspectos técnicos del vehículo, se determinará el valor óptimo de cada parámetro para lograr un buen desempeño en cada una de las pruebas de la competición y finalmente se plantearán los reglajes base de la suspensión y la amortiguación. El primer aspecto a tener en cuenta es que se ha decidido reducir el tamaño de los neumáticos para llantas de 13” que se montan en la actualidad, a neumáticos de 18x10”. El objetivo de esto es reducir la masa suspendida en cada esquina del vehículo 3.5Kg, conseguir una importante reducción del momento de guiñada, y aumentar la temperatura de los neumáticos, que actualmente no supera los 55ºC cuando el compuesto escogido necesita estar a 65ºC para ofrecer las mejores prestaciones, al hacerlos girar más rápidamente a igual velocidad lineal. Otra limitación muy importante con la que nos hemos encontrado al diseñar la suspensión trasera, es la propia configuración del vehículo. El monoplaza dispone de tracción trasera con el motor situado entre el piloto y el eje trasero en posición transversal, decisión tomada con el fin de reducir el momento de guiñada y aumentar la agilidad frente a una configuración de motor delantero o detrás del eje trasero. Sin embargo, el motor de 4 cilindros de Yamaha R6 colocado en posición transversal implica un ancho mínimo del chasis en la zona trasera de 520mm, lo cual unido al ancho de vía trasero estrecho, nos deja con muy poco espacio para los trapecios. La primera decisión que se toma es la fijar la batalla en 1535mm, ya que en las simulaciones del tiempo de vuelta podemos observar como el tiempo de aumenta a medida que se alarga la batalla de vehículo, por lo que nos beneficiaremos de una batalla corta que favorezca la maniobrabilidad y agilidad al ser los circuitos de las competiciones cerrados y revirados. Teniendo en cuenta que la batalla mínima es de 1525mm se ha optado por fijar la batalla en 1535mm para tener margen para posibles defectos de fabricación. Por contra, el ancho de vía trasero se establece en 1120mm para superar holgadamente la prueba de vuelco sin sacrificar agilidad en curvas cerradas. Para determinar la altura adecuada del centro de balanceo, emplearemos el programa Matlab con el modelo de la suspensión del vehículo modificado teniendo en cuenta el nuevo ancho de vía y la reducción de la masa no suspendida. A la vista de los resultados, se decide situar el centro de balanceo a una altura en torno a 50mm, para evitar los efectos adversos de un centro de balanceo demasiado elevado, y con la posibilidad de que en un futuro se instale una barra estabilizadora que mitigue las oscilaciones de la carrocería. La ventaja principal de usar una barra estabilizadora frente a diseñar la suspensión entorno a un centro de balanceo elevado es la mayor facilidad para ajustar la barra estabilizadora frente a modificar la altura del centro de balanceo. En cuanto al camber gain, este parámetro juega un papel fundamental a la hora de conseguir el contacto óptimo entre ruedas y asfalto en las distintas situaciones a las cuales se puede enfrentar un monoplaza de competición. Este parámetro debe asegurar que la caída de cada rueda exterior ante la aceleración lateral máxima alcanzada por el vehículo sea tal que el agarre del neumático sea lo mayor posible, que a la vista del estudio realizado de los neumáticos se produce alrededor de -1º de caída. Para no sacrificar en exceso la capacidad de aceleración y frenado con una caída estática o un camber gain excesivos, se opta por emplear una caída estática de 0.8º y tener un camber gain de en torno a -3º para 40mm de compresión. Por otro lado, uno de los objetivos fundamentales del rediseño de la suspensión trasera del monoplaza el equipo UPM Racing es corregir el bump-steer de la suspensión trasera actual y conseguir una geometría cuyo bump-steer, o coeficiente de ganancia del ángulo de convergencia con el recorrido de la suspensión, sea igual o próximo a 0. El motion ratio buscado será lineal y de valor 1.1 para poder configurar la altura estática de la suspensión y tener margen para poder efectuar modificaciones para adecuar el vehículo a circuitos de firme irregular. A la vista de todos estos requerimientos, nuestro diseño se basará en una configuración de paralelogramo deformable de brazos desiguales puesto que este sistema presenta como ventaja principal una gran libertad en el proceso de diseño para alcanzar las distintas metas debido a las múltiples posiciones relativas entre los puntos. De este sistema también hay que elogiar la alta rigidez, ya que los trapecios apenas sufren deformaciones ante los esfuerzos en paso por curva, lo cual asegura una correcta alineación y una trayectoria bien definida en todo el recorrido. Esto se debe a que las fibras neutras de las barras coinciden en un único punto, evitando la aparición de momentos significativos. Por otro lado, tanto los dos trapecios como la barra de la convergencia tendrán rótulas roscadas en sus extremos para poder variar unos milímetros las cotas del coche y corregir desviaciones producidas durante el proceso de fabricación. Finalmente, puesto que en el diseño del monoplaza siempre se busca reducir la altura del centro de gravedad, hemos tratado de situar los amortiguadores en una posición inferior a la actual, en el espacio desaprovechado entre los trapecios, y adelantada respecto a los actuales. Dado que cada amortiguador con muelle ronda los 800g, esta decisión puede tener un impacto notable ya que su peso representa el 0.5% del total del vehículo y actualmente se sitúan a una altura de 45mm. Como ventajas añadidas a esta decisión, hay que destacar la reducción del momento de guiñada y la mejora de la aerodinámica respecto a la configuración actual, al quedar los amortiguadores recogidos en una posición más escondida y adelantada. Tras haber definido los objetivos, la primera etapa del proceso de diseño es el diseño de la mangueta, puesto que las llantas de las que dispone el equipo son un factor limitante. De esta manera se definen los puntos exteriores de los trapecios superior e inferior y del anclaje en la mangueta de la barra de la convergencia. Posteriormente, se realizan dibujos geométricos en Catia para conseguir una primera aproximación a las coordenadas de los puntos que nos permiten cumplir con los requerimientos de los parámetros objetivo. Finalmente, se hace uso de Suspension Analysis, una herramienta muy poderosa puesto que nos permite observar en el momento el efecto de variar cada uno de los puntos de nuestra suspensión, para corregir cualquier pequeña desviación respecto de los parámetros objetivo, variando la posición de anclajes concretos sin alterar el resto. Llegados a este punto, finalmente podremos unificar todo el trabajo realizado hasta el momento y proceder a dibujar todos los elementos de la suspensión trasera en Catia, para lo cual partiremos de los puntos, que nos permitirán construir un skeleton, y ensamblar cada componente sobre el skeleton en su posición definitiva. Por otro lado, aunque este trabajo se centra principalmente en la cinemática de la suspensión trasera de un monoplaza, tras haber concluido con la etapa de diseño es conveniente comprobar la validez mecánica de la suspensión. Para ello trataremos de verificar que las fuerzas presentes en cada uno de los elementos son coherentes y los componentes pueden ser fabricados de tal manera que sean capaces de soportar los esfuerzos a los que será sometida la suspensión. En todas las simulaciones se alcanzaron fuerzas inferiores a las máximas admisibles por las rótulas que el equipo recibe del acuerdo de patrocinio con Elesa Ganter, trabajando con un coeficiente de seguridad dinámico superior a 4. Después de este estudio, también hay que recalcar las ventajas del diseño por pull-rod frente a las clásicas de push-rod, ya que al trabajar a tracción no habrá riesgo de pandeo. En último lugar, se realiza la puesta punto de la amortiguación para las características de la suspensión y los muelles de 200lbs/in (39.4N/mm) escogidos para alcanzar el gradiente de balanceo de 0.8º/G. El objetivo principal de la suspensión de un vehículo es asegurar el contacto continuo entre las ruedas y la superficie de rodadura, así como aislar a los ocupantes de las vibraciones producidas por las irregularidades en el firme. Usando MATLAB, hemos desarrollado un programa que puede simular el comportamiento del eje delantero y el trasero al superar un obstáculo a una determinada velocidad o bajo las cargas producidas en el periodo transitorio durante el proceso de aceleración, frenado o paso por curva, algo de gran interés al ser los amortiguadores los principales encargados de controlar las oscilaciones de las masas suspendidas en estos procesos. A la hora de buscar el coeficiente de amortiguación correcto para nuestra aplicación, hay que tener presente que no existe una solución única. Es posible llevar la configuración que sea la más rápida en circuito en manos experimentadas, y que al mismo tiempo resulte en un comportamiento impredecible para pilotos con menos experiencia. Tras la lectura de literatura específica del mundo del motorsport y a la vista del comportamiento de la suspensión en las simulaciones realizadas para distintos reglajes, se decide configurar el amortiguador con un coeficiente de amortiguación en compresión a baja velocidad de 0.8, en compresión a alta velocidad de 0.6, rebote a baja velocidad de 1.6, y en compresión a alta velocidad de 1.2. Hay que destacar que aplicando estos conocimientos a la suspensión actual se ha conseguido no solo mitigar las oscilaciones de la masa suspendida, si no también aumentar el confort del piloto al poder reducir el coeficiente de amortiguación de rebote a baja velocidad. De este modo se llega a la consecución del proyecto tras un trabajo de unas 600 horas, con un coste reducido y una planificación, detallada en la memoria, que se ha cumplido paso por paso, permitirá obtener una mejor puntuación en la prueba de diseño de la competición gracias al conocimiento de gran valor obtenido y a disponer de un modelo de simulación del comportamiento del amortiguador que supone un elemento diferenciador con el resto de equipos. También se espera que sea de ayuda en la puesta a punto del vehículo, y entender mejor el funcionamiento y las exigencias de un sistema de suspensión de competición, de manera que se puedan ahorrar los costes de fabricación de diseños fabricados sin haber probado su eficacia, algo vital en equipos con recursos limitados. En conclusión se espera que este trabajo pueda ayudar al equipo no sólo en el presente, sino también en el futuro, aportando futuras líneas de trabajo y sirviendo como plataforma para el progreso del equipo en el futuro.