Informe de dinámica vehicular.
SUSTENTACION AERODINAMICA, VARIACION DE CONFIGURACION DEL VEHICULO,
INSTALACION DE ELEMENTOS DE ALA INVERTIDA, Y DISPOSITIVOS DE EFECTO SUELO
AERODYNAMIC SUPPORT, VARIATION OF VEHICLE
CONFIGURATION, INSTALLATION OF INVERTED WING
ELEMENTS, AND FLOOR EFFECT DEVICES
Criollo Alex 11, Guaman Angel 22 Ramones Jose 33
Resumen
Abstract
Hoy en día, seguramente no hay otro aspecto Today, there is surely no other aspect of racing car
de la tecnología del automóvil de competición technology that is as important in performance as the
que tenga tanta importancia en el rendimiento study of aerodynamics. Aerodynamic supports are
como el estudio de la aerodinámica. Los apoyos the most important elements to improve the
aerodinámicos
son
los
elementos
más performance of the car in both rallies, Formula 1,
importantes para mejorar las prestaciones del Formula 3, mountain races and in different
automóvil tanto en rallyes, Fórmula 1, Fórmula automotive categories.
3, carreras de montaña y en diferentes categorías Aerodynamics
automovilísticas.
are
so
important
in
obtaining
improvements in the performance of a vehicle, which
La aerodinámica es tan importante a la hora de can lead to an increase in speed in cornering steps
obtener mejoras en las prestaciones de un and a reduction in braking distances, that the
vehículo, que puede llegar a provocar un different organizers of the automotive categories
aumento de la velocidad en los pasos por curva y have come to the conclusion of changing the
una reducción en las distancias de frenado, que regulation because they were beginning to be
los diferentes organizadores de las categorías dangerous. Its role is so important in a car that
automovilísticas han llegado a la conclusión de different aerodynamic appendages are prohibited in
modificar el reglamento porque comenzaban a various categories since, its use in higher categories,
ser peligrosos. Su papel es tan importante en un is controlled to obtain a progressive learning of its
automóvil
que
diferentes
apéndices use with the consequent of playing a crucial role in
1
Universidad Politécnica Cuenca, ECUADOR, UPS.
Autor para correspondencia: jramoneso@est.ups.edu.ec
3
Autor para correspondencia: josheramones1400@gmail.com
2
1
aerodinámicos están prohibidos en diversas its favor.
categorías ya que, su utilización en categorías It is intended to explain with this that the objective of
superiores, está controlada para obtener un research is a determined work to introduce 3
aprendizaje progresivo de su uso con el automotive aspects in which it will be explained in
consiguiente de jugar un papel crucial a su favor.
this report, and implement them in variable results
Se quiere explicar con esto, que el objetivo de la for study and tuning in reality such as modeling,
investigación es un trabajo determinado a structural study and aerodynamic study of an
introducir 3 aspectos automovilísticos en los que aerodynamic component, in this case, the rear spoiler
se va explicar en el presente informe, e of a racing car.
implementarlos en resultados variables para su
estudio y puesta a punto en la realidad como son
el modelado, el estudio estructural y el estudio
aerodinámico de un componente aerodinámico,
en este caso, el alerón trasero de un automóvil
de competición.
Keywords:
Palabras Clave:
Aerodinámica, tecnologías, rallyes, Formula 1, Aerodynamics, technologies, rallies, Formula 1,
modelado, alerón, CAD.
modeling, e-ball, CAD.
2
Informe de dinámica vehicular.
separación de flujo en la parte superior, las
cuales originan disminución de presión. Los
valores de Cz se reducen con una parte delantera
baja, y si es posible cóncava, superficie lisa en el
techo y parte posterior elevada.
1. INTRODUCCION
La aerodinámica al ser una ciencia experimental
nació en las competencias de 1899 en Estados
Unidos y Europa, al tratar de conseguir mejores
formas aerodinámicas que permitan optimizar el
rendimiento del vehículo, y así ganar las
competencias de records de velocidad.
La aerodinámica es una rama de la mecánica de
fluidos que se ocupan de los fluidos, de las
fuerzas que actúan sobre él. Algunos ejemplos
del ámbito de la aerodinámica son el movimiento
de un avión atravéz del aire, las fuerzas que el
viento ejerce sobre una estructura, o las fuerzas
que intervienen en el desplazamiento de un
vehículo.
Pueden usarse spoiler u otras ayudas
aerodinámicas para lograr efectos análogos. El
ángulo de ataque del vehículo y la distancia al
suelo de sus bajos afectan también a Cz.
PARTES
VEHÍCULO
AERODINÁMICAS
DEL
Splitter.
Se sitúa en la parte delantera del vehículo, en la
parte baja del parachoques delantero. Es una
superficie plana paralela al suelo.
La principal función del splitter delantero es
producir una Downforce creando una diferencia
de presiones entre la parte superior e inferior de
este.
Ilustración 1. Ejemplo de aerodinámica en movimiento.
La aerodinámica tiene su mayor impacto en el
sector automovilístico atravéz de su
contribución a las cargas del vehículo. En el
diseño de un automóvil moderno interviene de
manera fundamental la forma de su carrocería,
influyendo tanto el aprovechamiento de la
potencia que desarrolla el motor, como la
estabilidad en las altas velocidades y consumo
de combustible.
Ilustración 2. Ejemplo de un Splitter.
El aire viene a una velocidad 𝑉1 y a una presión
𝑃1 acorde a la ecuación de Bernoulli, el cual se
dividirá yendo a la parte superior e inferior del
vehículo en cuestión.
2. Sustentación aerodinámica por
medio
de
tres
aspectos
fundamentales.
2.1.
Cuando mucho aire va hacía la parte inferior del
parachoques delantero produce una acumulación
de presión que hace que aumente y contribuya a
la sustentación, lo cual llevará a la parte
delantera del auto a elevarse reduciendo la
tracción en la parte delantera.
Implementación
aerodinámica
variando la configuración básica del
vehículo.
El valor del coeficiente de sustentación
aerodinámico, Cz, y por tanto de la fuerza de
sustentación, disminuye si se eliminan zonas de
3
Alerón
Difusor
Se localiza en la parte superior trasera y su
función principal es crear una carga
aerodinámica. Básicamente un alerón es un ala
de avión invertida. El avión utiliza sus alas para
que, en la superficie inferior de estas, el aire
fluya con menor velocidad que en su superficie
superior, esto produce una fuerza vertical que
puede elevar estos aparatos.
Situado en la parte trasera inferior del vehículo,
suele tener una forma curva donde la parte final
está situada a más altura que la parte inicial y
termina muy cerca o al final del vehículo.
Ilustración 3. Ejemplo de un difusor.
La función principal del difusor es hacer que el
aire que viene de la parte inferior se expanda,
haciendo que el aire disminuya de velocidad, ya
que viene de la parte delantera a una velocidad
alta y poca presión, evitando así las posibles
turbulencias que se puedan producir en la cola
del vehículo debido a las diferencias de
presiones entre el aire que circula por el debajo
al que circula por encima, las cuales pueden
generar un arrastre no deseado pudiendo hacer
que el vehículo tienda a subir perdiendo agarre.
Ilustración 5. Ejemplo de un alerón.
Fondo plano.
A parte de su uso como un elemento de
protección de los componentes situados cerca del
suelo cuando el vehículo se encuentra en
movimiento, es un importante componente
aerodinámico, ya que se encarga de asegurar que
pase, durante todo el recorrido, un flujo laminar
y así evitar turbulencias en lugares donde no se
desean, ya que podrían afectar la aerodinámica
del vehículo.
Ilustración 4. Ejemplo de un difusor.
Ilustración 6. Ejemplo de un Fondo Plano.
4
Apellido Autor et al / Titulo del Articulo
En resumen, los elementos o partes que ayudan a
la aerodinámica del vehículo son los siguientes:
como mejora el flujo en la parte posterior del
vehículo, gracias a conseguir una mejor
distribución longitudinal de la presión sobre el
techo y la parte trasera.
Sin embargo, al aumentar la inclinación del
parabrisas respecto a la vertical, hasta un valor
próximo a 60º, comienzan a aparecer problemas
de visibilidad, calentamiento excesivo del
habitáculo.
Ilustración 7. Elementos que ayudan a la aerodinámica del
vehículo.
FACTORES DE FORMA QUE INCIDEN EN
LA AERODINÁMICA.
Forma de la parte delantera e Inclinación de
Capot.
Ilustración 9. Inclinación del parabrisas.
Una de las formas importantes que inciden en la
aerodinámica del vehículo es el punto de
estancamiento, mientras más elevado sea este
punto, mayor es el coeficiente de arrastre Cx, es
beneficioso reducir la altura en donde la
velocidad del aire es nula, suavizar las líneas del
capot y aumentar la inclinación hasta lograr la
máxima adherencia de flujo de aire sobre él.
De igual manera, un ángulo de parabrisas
elevado disminuye notoriamente la resistencia
aerodinámica, pero en detrimento de la seguridad
del conductor por la penetración de mayores
rayos solares y una disminución de la altura del
techo hacia el diseño final.
Forma geométrica parte trasera.
Los diseños de la parte trasera de un automóvil
se pueden agrupar en tres grandes categorías:
trasera cuadrada, inclinada y en escalón.
La forma que más influencia tiene sobre la
resistencia al avance es la configuración en
escalón. Especialmente si se sube la altura del
maletero y se consigue que el flujo que se
desprende al final del techo se vuelva a adherir al
final del maletero, se obtiene una reducción del
Cx.
Ilustración 8. Inclinación del capot.
Inclinación parabrisas.
La influencia directa de la inclinación del
parabrisas sobre Cx es moderada. Sin embargo,
5
generación de resistencia aerodinámica. El
alerón se compone de varias secciones
reflejadas en la Ilustración 12.
Ilustración 10. Forma geométrica parte trasera.
Angulo de ataque.
Es el ángulo que forma el suelo con una línea
que va desde el borde inferior de la carrocería a
las ruedas, Este ángulo puede tener un valor
mínimo de 5 grados. En esta medida afectan
tanto la altura de la suspensión como las
dimensiones del paragolpes de la carrocería.
Ilustración 12. Alerón trasero.
Angulo de ataque: es el ángulo entre el flujo de
aire y la línea de cuerda del ala. El flujo de aire
en la zona trasera del automóvil raramente llega
horizontal, lo que desencadenó en la prohibición
en carrera de dichos alerones pudiéndose variar
solamente en boxes. El ángulo de ataque se
regulaba en Chaparral 2E y 2F de Jim Hall
mediante un tercer pedal.
Ilustración 11. Angulo de ataque.
2.2.
Interpretar la aerodinámica mediante
la instalación de elementos con efecto de
ala invertida.
ALERÓN TRASERO.
Ilustración 13. Angulo de ataque.
Entre la diversa variedad de alerones
existentes, en este apartado se desarrolla el
alerón trasero cuyo estudio del apéndice es
parte fundamental de este proyecto. Los
fundamentos teóricos basados para la
existencia del alerón son procedentes del
mundo de la aeronáutica donde el alerón se
definiría como un ala invertida.
El alerón, o “ala” en la ciencia aeronáutica, es
un cuerpo con tal forma que el aire pasa a
través de ella cree sustentación o, en nuestro
caso, carga aerodinámica sin provocar la
Borde de ataque: hace referencia a la parte
delantera de un ala con forma poco refinada
semejante a una forma radial.
Borde de fuga: ocupa el otro extremo del alerón
con forma, normalmente, estrecha.
La línea de cuerda: es la línea recta que une el
borde de ataque con el borde de fuga cuy
longitud se define como dimensión de la cuerda.
El grosor máximo (t): se define como la
fracción de la dimensión de la cuerda.
6
Apellido Autor et al / Titulo del Articulo
El perfil de un alerón puede ser simétrico, carga
aerodinámica nula para un ángulo cero, o
asimétrico, tiene carga aerodinámica para ángulo
cero. Para un perfil asimétrico, el perfil tendrá
curvatura (c) que se define como la distancia
máxima entre la línea de cuerda, línea que pasa a
través de los puntos medios de un ala desde el
borde de ataque hasta el borde de fuga, y la línea
de cuerda.
Si se utiliza una relación de aspecto alta para un
alerón, el coeficiente de sustentación CZ, para un
mismo ángulo de ataque, crece.
En los alerones multielementos se crea mayor
carga aerodinámica que en alerones simples
provocando que se utilicen habitualmente en
automóviles de competición, siempre y cuando
el reglamento lo permita. En la Formula 1 se
permiten un número máximo de elementos que
componen el alerón de tres.
El alerón de dos elementos crea el doble de carga
aerodinámica que el alerón simple, y el alerón de
tres elementos el triple de carga. Cabe destacar
que cuantos más elementos tenga un alerón,
antes entra en pérdida debido a la mayor
curvatura del perfil.
Ilustración 14. Relación de aspecto.
Existen dos tipos de alerones: alerón simple y
alerones multielementos. En el primer caso, se
componen de un solo perfil capaz de generar
toda la carga aerodinámica. La utilización de
este tipo de alerones se encuentra en los
automóviles GP y rallyes.
Ilustración 16. Cz vs Angulo de ataque.
Además, hay que destacar la existencia tanto de
alerones de doble plano, capaces de crear mayor
carga aerodinámica que los alerones simples o de
multielementos en un solo plano principal, o las
derivas, situados en los extremos del spoiler para
evitar la creación de vórtices en las puntas
similares a los “winglets” de un avión.
En el segundo caso, se define como un perfil
completo del spoiler que se compone de varios
perfiles para poder aumentar la superficie del
alerón y, con ello, la carga aerodinámica.
Ilustración 15. Automóviles GP.
7
el flujo de aire que pueden aprovecharse en
diversos campos.
Sin embargo, una de las consecuencias de
este efecto es cuando no hay una presión
suficientemente pequeña por debajo del
vehículo, como, por ejemplo: un vehículo que
conlleva una gran velocidad al momento de
pasar por un bache este se vuelve inestable,
incluso podría salir volando. Por lo cual, tras
varios accidentes de este tipo en la Formula
1, se limitó la utilización de efecto suelo por
motivos de seguridad.
Ilustración 17. Alerones de doble plano.
Ilustración 19. Efecto Suelo
3. FUERZAS AERODINAMICAS.
Ilustración 18. Derivas en los extremos de los alerones.
2.3.
Origen.
Aerodinámica por dispositivos de
efecto suelo, y su fuerza de downforce.
Las fuerzas se aplican y transmiten en el punto
de contacto, Pero cuando un sólido interactúa
con el aire, en las moléculas del aire próximas al
mismo se produce una distorsión, comenzando a
moverse alrededor del sólido.
Fuerza downforce.
El «downforce» es una fuerza vertical
descendente que tiene la capacidad de cargar
peso sobre el monoplaza, pero de un modo
virtual y sin los inconvenientes derivados de
ello: la necesidad de un notable incremento
de potencia y el empeoramiento del manejo
del monoplaza.
La magnitud de dichas fuerzas va a depender
tanto del aire como del sólido, en nuestro caso el
automóvil.
Dos
son
las
propiedades
fundamentales del aire a tener presentes: su
viscosidad y su densidad o lo que es lo mismo,
su compresibilidad.
Efecto suelo.
Se denomina efecto suelo al fenómeno
aerodinámico que se da cuando un cuerpo,
con una diferencia de presiones entre la zona
que hay por encima de él, y la que hay por
debajo, está muy cerca de la superficie
terrestre, lo que provoca unas alteraciones en
8
Apellido Autor et al / Titulo del Articulo
Ilustración 21. Coeficiente de arrastre Cx.
Para la obtención de un buen valor de coeficiente
de penetración aerodinámica es muy importante
que el flujo de aire que roza el contorno del
vehículo sea homogéneo y con un grado de
rozamiento bajo.
Ilustración 20. Fuerza aerodinámica.
COEFICIENTE AERODINÁMICO.
Los coeficientes aerodinámicos son números
adimensionales que se utilizan para el estudio
aeronáutico o aerodinámico de las fuerzas y
momentos que sufre un cuerpo cualquiera en
movimiento a través del aire.
Coeficiente de empuje lateral Cy.
Se refiere al coeficiente de deriva que mide el
efecto de aire aplicado al vehículo en forma
lateral, misma que incide en su estabilidad,
comprometiendo así la conducción y trayectoria
del vehículo, ocasionado por la deriva producida
en los neumáticos.
Coeficiente de arrastre Cx.
El Cx es el coeficiente más influyente en el
comportamiento de un vehículo en cuanto a lo
que se refiriere a su aerodinámica y el
desplazamiento de éste a través del aire. La
resistencia aerodinámica es el componente de la
fuerza experimentada por un cuerpo al atravesar
un fluido en este caso el aire, esta depende de la
velocidad y siempre va en sentido contrario al
desplazamiento del cuerpo.
El coeficiente de arrastre o coeficiente
aerodinámico denominado Cx, depende de varios
factores, como el área y la forma del cuerpo, la
velocidad, la densidad del medio (aire). Es
evidente que cuanto menor sea el Cx de un
coche, menos tiende a sufrir los efectos del aire.
Ilustración 22. Coeficiente de empuje lateral Cy.
Coeficiente de sustentación CL.
En ciertos casos también nombrado como Cz por
el eje en el actúa la fuerza, es el coeficiente que
indica la capacidad de crear una fuerza en
dirección perpendicular a la de la velocidad de
movimiento o dicho de otra manera se refiere a
las fuerzas aerodinámicas que incide de forma
vertical sobre la carrocería del vehículo.
9
En el caso de la automoción se enfoca en que
esta fuerza tenga una dirección vertical hacia
abajo, para que empuje al vehículo hacia el
asfalto haciendo así que tenga un mayor agarre e
incrementado la estabilidad en el mismo.
dedican al diseño y modelado de piezas como
SolidWorks, Catia, etc.
El software que se eligió es el ANSYS.
PROCEDIMIENTO Y ANÁLSIS.
Geometria del aleron invertida.
Ilustración 23. Coeficiente de sustentación CL.
4. DISEÑO DEL ALERON O ALA
INVERTIDA MEDIANTE SOFWARE
CAD.
Para la realización del modelado del alerón en 3D
se va a utilizar el software Inventor a través de la
licencia aportada por la Universidad, para el
diseño inicial se utilizó el Software Inventor.
Se puede observar directamente en el progrma la
simetria implementada en e ANSYS del alerón
invertido.
5. ESTUDIO
AERODINAMICO
MEDIANTE SOFTWARE CDF ANSYS.
El estudio aerodinámico del alerón se ha llevado
a cabo a través de software CFD (Computer
Fluid Dynamics). Existen muchos tipos de
software como Flow 3D, Helyx de engys, Ansys
y diferentes extensiones de los programas que se
10
Apellido Autor et al / Titulo del Articulo
Presión del aire sobre nuestra ala invertida.
Se puede observar una presión máxima del fluido
del aire en el alerón, que excede en el valor de
3,805xE13 en una de las partes centrales del
modelado, como también se puede ver los valores
mínimos de presiones en diversas aéreas del
prototipo, con un valor de -7,157xE12.
Velocidad de el aire sobre el alerón.
En la siguiente imagen del sofware se puede
demostrar la fuerza de velocidad con la que el
fluido aire llega hacia el alerón, por otra parte
tambien se observa las lineas de flujo del aire
dentro de la camara de simulacion tomando en
cuenta un tunel de viento.
La velocidad maxima de esta situacion es
1,218xE7.
11
7. Conclusiones.
6. Resultados y Discusión.


Como es sabido cualquier sistema de cargas
se puede reducir a una fuerza y a un
momento aplicados en un punto cuyas
componentes dependen del sistema de ejes
que se adopte como referencia.
El coeficiente de presión, cp, se define como
la diferencia entre la presión en el punto
considerado, pv y la presión de referencia.

Se puede observar una presión máxima del
fluido del aire en el alerón, que excede en el
valor de 3,805xE13 en una de las partes
centrales del modelado, haciendo mantener
en estabilidad al vehículo sobre el suelo y
reduciendo el coeficiente Cx.

En la siguiente imagen de velocidad del
sofware se puede demostrar la fuerza de
rapidéz con la que el fluido aire llega hacia el
alerón, por otra parte tambien se observa las
lineas de flujo del aire dentro de la camara de
simulacion tomando en cuenta un tunel de
viento.
La velocidad maxima de esta situacion es
1,218xE7.

12

El alerón es de gran importancia para la
sustentación, gracias a su perfil y ángulo en
que se lo posicione, aumenta la estabilidad y
control del automotor, hacia el conductor,
siendo de mayor maniobrabilidad al estar con
mayor contacto a la calzada.

Al colocar el alerón en la parte trasera del
vehículo sobre la cajuela existe una distancia
libre esto genera gradientes de presión y
velocidad, lo cual genera turbulencia. la cual
aumenta la resistencia al avance.

Tras establecer conocimientos sobre la
aerodinámica se procedió a calcular las
fuerzas de resistencia y sustentación y los
cambios de presión, líneas de flujo y
velocidades en diferentes zonas del alerón.

En general, se puede destacar el proceso de
estudio y modelización de un alerón de
competición que permita circular con mayor
rapidez en paso por curva debido a un
incremento de la fuerza de antisustentación
con reducido crecimiento de la fuerza de
resistencia, en comparación con la anterior,
capaz de reducir levemente la velocidad en
las rectas.
Apellido Autor et al / Titulo del Articulo
8. REFERENCIAS.

[1] Tratado sobre automóviles tomo IV “LA
DINÁMICA DEL AUTOMÓVIL”; Jose
Font Mesquita; Juan francisco Dols Ruiz.

[2] C. Blanco, «Determinación del
comportamiento aerodinámico de un
vehículo en movimiento,» Universidad
Carlos III de Madrid, MAdrid, 2015.

[3] McBeath, S. (2005). Aerodinámica del
automóvil de competición. Barcelona:
CEAC.

[4] García Martín, D. (15 de septiembre de
2010). Estudio de la capacidad aerodinámica
de carrocerías de vehículos categoría CM.
Pamplona, Pamplona, España.

[5] G. G. J. MANUEL y R. A. ISMAEL,
«DISEÑO CONCEPTUAL Y ANÁLISIS
CFD DEL ALERON TRASERO DE UN
AUTOMOVIL TIPO SEDAN,» Instituto
Politécnico, CHILE, 2013.
13