EFECTO SUELO Y SU APLICACIN EN EL VEHICULO CHEVROLET AVEO, UNA FORMA DE AUMENTAR LA SEGURIDAD ACTIVA

Lima, junio del 2014

Resumen

Este proyecto consta de una investigacin de la historia aerodinmica en el sector automotriz, sus principios, el inters de los competidores, y con los aos los implementos, que cambiaron a la historia de los automotores. Dichos implementos o modificaciones en la carrocera, tomaron uno de los primeros lugares en el desarrollo de las casas comerciales de manera que permitan seguridad y mayor vida til al motor. La falta o inexistencia del estudio de propiedades aerodinmicas en vehculos comrciales nos indago en desarrollarlo tanto fsico como virtualmente. Fsicamente se adaptaron implementos ocupados en los vehculos de competencia que son faldn delantero, laterales, y un alern trasero, que fueron implementados al vehculo estndar. Que tambin fue diseando y analizando en software, que accedi a que el anlisis muestre sus resultados virtualmente. A estas propiedades aerodinmicas se les conoce como (sustentacin y arrastre), teniendo en cuenta que proporcionan ventajas y desventajas, al entenderlas se ampliara los conocimientos, que fueron a partir de la investigacin a automotores de competencia, de manera que se compar el modelo original con la versin del modificado, llevando a cabo una tabulacin de resultados y verificando por porcentajes de los beneficios o prdidas, que nos otorga la aerodinmica en los vehculos.

1. IntroduccinDesde hace mucho tiempo atrs a venido desarrollndose de una manera increble la aerodinmica en vehculos de competencia mas no aplicar estos estudios a vehculos convencionales de una manera consciente con la finalidad de alguna manera brindar seguridad a sus ocupantes.Al tener un avance tecnolgico considerado en estos das, existe un gran porcentaje de demanda, por vehculos que proporcionen altas velocidades y reaccin de aceleracin. Nuestro enfoque son las propiedades aerodinmicas en vehculos convencionales, para otorgar eficazmente seguridad activa en los mismos.Estudiar el aire y los efectos que producen en el cuerpo, que se mueven. Ese es el objetivo de la aerodinmica, una ciencia que, al servicio de los automviles, se utiliza a la hora de disear la carrocera, puesto de que su forma depende la estabilidad y la mayor o la menor facilidad con la que el vehculo se mueve en una corriente de aire. Tambin invierte en el confort de los pasajeros: una buena aerodinmica.

Ilustracin 1: Flujo de aire sobre el automvil F1

1.1. Principios de Aerodinmica

Aerodinmica: Es una rama de la mecnica de fluidos que estudia el comportamiento de los cuerpos slidos cuando se mueven por un fluido que los rodea. En la Aerodinmica el fluido en cuestin es un gas, ms precisamente, el aire.Hay ciertas leyes de la aerodinmica, aplicables a cualquier objeto movindose a travs del aire, que explican el vuelo de objetos ms pesados que el aire. Para el estudio del vuelo, es lo mismo considerar que es el objeto el que se mueve a travs del aire, como que este objeto est inmvil y es el aire el que se mueve (de esta ltima forma se prueban en los tneles de viento prototipos de aviones)

1.1.1 Principio Bernoulli / efecto Venturi

La cantidad total de energa ha de permanecer constante. Este principio nos dice que, si la presin aumenta la velocidad ha de disminuir y si la presin disminuye la velocidad aumenta. En conclusin la presin es inversa a la velocidad.Fue descubierto por el fsico italiano Giovanni Venturi, y no es ms que un caso particular de la famosa ecuacin de Bernoulli. Venturi pudo demostrar que al variar la seccin en un tubo, la presin del fluido disminua proporcionalmente a la variacin de la seccin (esto ya lo hemos demostrado con la ecuacin de Bernoulli y de la continuidad).

Ilustracin 2: efectos Venturi en un perfil aerodinmico

1.1.2 Efecto Capa Limite

En la evolucin del aire alrededor de un cuerpo cualquiera, pega sobre el cuerpo, creando una capa muy fina de molculas en principio. Al tener esta fina capa, ms molculas del mismo aire, y debido a la viscosidad principalmente, stas ltimas mantienen su velocidad, debido a que fluyen sobre otras molculas, as capa tras capa, se forma una capa de molculas de aire.Lacapa lmiteocapa fronterizade unfluidoes la zona donde el movimiento de ste es perturbado por la presencia de un slido con el que est en contacto. La capa lmite se entiende como aquella en la que lavelocidaddel fluido respecto al slido en movimiento vara desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada

Ilustracin 3: efecto de la capa limite en diferentes perfiles

1.1.3 Flujo laminar y turbulento

El flujo laminar o corriente laminar, es el movimiento de un fluido cuando ste es ordenado. En un flujo laminar el fluido se mueve en lminas paralelas sin mezclarse entre ellas y cada partcula de fluido sigue una trayectoria tranquila y definida, llamada lnea de corriente.El flujo turbulento es el movimiento de un fluido que se da en forma catica, en que las partculas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partculas se encuentran formando pequeos remolinos aperidicos.

Ilustracin 4: prdidas para diferentes ngulos de ataque, flujo laminar y turbulento

2. FUERZAS IMPLICADAS EN LA AERODINAMICA

Estas son 2 fuerzas ejercidas, en el momento que el fluido pasa por el automvil. Una fuerza vertical y otra horizontal. Downforce o carga aerodinmica que empuje al monoplaza contra el suelo y de esa manera lograr un mejor agarre en altas velocidades y minimizar el drag o resistencia al avance causada por las turbulencias que frenan al monoplaza.

2.1. Resistencia al avance

Dentro de las fuerzas que actan en la aerodinmica tenemos la resistencia aerodinmica, o tambin llamada resistencia al avance, la misma que depender del coeficiente de resistencia (Cz), producto del diseo del vehculo, especficamente el rea frontal (vista de frente del vehculo) y la velocidad que afecta esta resistencia de forma exponencial y no proporcional. Es decir que a mayor velocidad mucho mayor ser la fuerza que se opone al avance.

Ilustracin 5: resistencia al avance en un vehculo

2.2. Sustentacin

La mayora de los autos producen sustentacin, a medida que la velocidad aumenta, la fuerza de sustentacin aumenta y esto hace que el auto se vuelva inestable.

Ilustracin 6: sustentacin en un perfil alar

2.3. Efecto suelo

Se aplica en una zona de alta presin por encima del vehculo y una de baja presin por debajo. La diferencia de presiones provoca una succin que "aplasta" al vehculo contra el suelo, mejorando el agarre, lo que se traduce en la posibilidad de trazar curvas a mayor velocidad.

Ilustracin 7: efecto suelo en F1

2.4. Potencia

Es la potencia necesaria para mover el vehculo debe ser mayor a la fuerza que se opone Los combustibles que se generan a partir de fsiles, la electricidad y las energas renovables deben ser tratados de manera integral, estableciendo polticas que determinen su uso eficiente y que al mismo tiempo establezcan los niveles de ahorro de acuerdo a las condiciones de desempeo del pas

3. PROCEDIMIENTO

3.1. Modelado vehculo estndar y modificado

El vehculo se model en un programa de diseo, el cual es Autodesk 3d Max. Gracias a los planos denominados Blueprints, que son planos a escala de esta manera se facilit el diseo del vehculo. Se empez con el modelado del vehculo estndar, con medidas reales en las 3 dimensiones, cogiendo curvas caractersticas del vehculo, as como tambin se model sus lneas aerodinmicas.

Ilustracin 8: modelado en el Autodesk 3D Max en Vehculo estndarPara el modelo del vehculo modificado, se rediseo la carrocera por cuanto al faldn, los estribos laterales y alern se disearon fuera del vehculo.

Ilustracin 9: modelado en el Vehculo modificado

Ilustracin 10: Chevrolet Aveo, vehculo utilizado

3.2. anlisis vehculo estndar y modificado

De manera que se model a estos implementos, posteriormente se los analizo virtualmente, en el programa de anlisis de elementos finitos SolidWorks. Al proporcionar datos favorables para esta investigacin, como: mejorar la sustentacin, creando un efecto suelo en el vehculo, dando mayor estabilidad al vehculo en rectas y en curvas.

Ilustracin 11: anlisis del vehculo modificado

3.3. fabrica: aditamento aerodinmico

La fabricacin de estos aditamentos aerodinmicos, se realizaron en la ciudad de Quito en la escuela Tuning Konzept. La base de estos componentes es la fibra de vidrio por resistencia y costo. Uno de los componentes primordiales en la fabricacin de una moldura es la resina de polister, esta resina es un lquido viscoso, que lo mezclemos con su catalizador. Esto es para la resistencia de la fibra, al no tener una buena mezcla produce daos como grietas o poca dureza.

El siguiente material es la manta de fibra de vidrio, se encuentran en varios grosores, hay de hilo de vidrio trenzado, ocupamos fibra de vidrio fina para moldear las curvas aerodinmicas, que tambin se har en base a la rigidez y la facilidad de trabajarlo.

Ilustracin 12: fabrica del faldn delanteroMientras se vaya a trabajar con las resinas, se recomienda utilizar algn filtro tapabocas, ya que los olores son altamente txicos, as como utilizar guantes o gel especial para las manos, ya que la fibra provoca picazn en la piel. Una vez que ya tenemos los materiales, cortamos pequeos trozos de fibra, y los vamos colocando en el lugar o molde donde vayamos a trabajar, y sobre ellos aplicamos la mezcla de la resina con el catalizador. Se repite este procedimiento en varias capas, hasta lograr el grosor requerido. Es importante mencionar, que al aplicar cada capa, hay que esperar a que seque bien la anterior. Una vez que ya se aplican todas las capas necesarias, se procede a quitar todas las imperfecciones de la fibra y a darle una leve lijada para dejar algo parejo. Ya una vez que tenemos esto listo, podemos forrar en vinil, ela, o algn otro material, o podemos dejar el acabado listo para pintarse.

Ilustracin 13: fibra de vidrio estribo izquierdoUna vez que tengamos lista la pasta (Pasta para resanar + endurecedor), procedemos a untarla en toda el rea de la fibra de vidrio con una esptula, hasta cubrirla por completo, y dejar una capa de unos 2 o 3 mm. Una vez que est aplicada y seca toda la pasta, se procede a lijarla para lograr una textura lisa y plana, y pareja de acuerdo a nuestro diseo. Ya una vez que tenemos la forma deseada, procedemos a aplicar el plaste, el cual nos servir para lograr una textura muy fina y pareja, y poder aplicar la pintura. Ya una vez que se seque la capa de plaste, procedemos alijar toda el rea, y dejarla lo ms fina posible, esto se logra con lijas de agua de la # 200 en delante. Ya una vez que tenemos nuestro trabajo terminado, procedemos a pintarlo.

Ilustracin 14: modelo alern N 1

3.4. instalacin implemento aerodinmico

La instalacin se realiz en la ciudad de Latacunga, conservando las lneas del faldn original, se utiliz los mismos espacios de sujecin para el montaje del faldn.

Ilustracin 15: Instalacin faldn delanteroLos estribos laterales fueron con la medida exacta con el piso del automvil, con las medidas reales del vehculo, conservando la misma altura del faldn delantero modificado.

Ilustracin 16: instalacin estribos lateralesLa instalacin del alern se bas en un manual facilitado en GM en La posicin o ubicacin fue guiada por el manual, de acuerdo a la disposicin de orificios, en los transversales de la cajuela.

Ilustracin 17: instalacin del alern

Ilustracin 18: vehculo modificado

4. anlisis de Resultados

Para lograr un mejor anlisis, se compar los resultados de los 2 vehculos. Considerando las ventajas y desventajas, que son proporcionadas por las fuerzas aerodinmicas.

4.1. anlisis de presiones

Se genera un mayor campo de presin en la parte frontal del vehculo modificado, por tener una mayor rea perpendicular al avance del fluido. Tambin se observa en la parte superior del alern, y del techo del vehculo, mayor presin a comparacin del modelo estndar, la velocidad por ende sera menor haciendo q el vehculo se adhiera ms a la superficie horizontal.

Ilustracin 19: Anlisis del vehculo modificado

4.2. anlisis de velocidades

Se analiza la velocidad en que el aire se mueve a travs del vehculo, en la parte superior del vehculo (techo y alern), se identifica que la velocidad es menor que la del estndar, esto quiere decir que existe mayor presin hacia abajo. En el sector inferior la velocidad es similar en los dos vehculos modelados, de manera que se crea efecto suelo al tener mayor presin negativa.

Ilustracin 20: Anlisis de la velocidad en el vehculo

4.3. anlisis de turbulencia

El fluido se mueve caticamente en la parte final, al comparar con el modelo original se observa puntos fundamentales, el primer sector se encuentra en la parte delantera, al tener las superficies huecas, entra el fluido y produce remolinos o flujo turbulento el mismo que produce resistencia al avance. El segundo punto es el alern, el espacio entre l y la cajuela, por tener espacios temporales genera gradientes de presin-velocidad produciendo mayor turbulencia.

Ilustracin 21: Turbulencia en el auto

4.4. anlisis de la fuerza de sustentacin

De acuerdo a las modificaciones dadas al vehculo, se ha mejorado la fuerza de sustentacin es decir hemos obtenido un valor ms bajo a la que nos proporcionaba la estndar, de esta manera tendr ms adherencia hacia el piso. Los cambios realizados permiti obtener una optimizacin del 49.06% en la sustentacin.FUERZA DE SUSTENTACION [N]

estndar modificado

148.7275.75

Reduciendo de tal forma el coeficiente de sustentacin en el vehculo modificado.

4.5. anlisis de la fuerza de arrastreEl arrastre se ve afectado por la ganancia de sustentacin esto se debe al alern que se implement al vehculo. Se pierde un 20 % de eficacia, est perdida o aumento de arrastre que tiene el automotor no afecta en ninguna manera al piloto ni a los pasajeros. Solo incrementa el trabajo del tren motriz en un porcentaje mnimo.

FUERZA DE ARRASTRE

estndar modificado

212.26253.36

Aumentando de tal forma su coeficiente

COEFICIENTE DE ARRASTRE

estndar modificado

0.350.4

4.6. anlisis de potencia

La diferencia es de 1.53 caballos de fuerza adicionales [Hp], que necesita el vehculo modificado para moverse a esa velocidad de 27.77 m/s (100km/h) a travs del fluido.POTENCIA [HP]

estndar modificado

7.919.44

4.7. Anlisis del efecto sueloEl vehculo modificado increment su ganancia de la bondad del efecto suelo, al aumentar la velocidad del fluido en la parte baja del vehculo modificado, consiguiendo con esto la disminucin de presin en la parte baja. Al tener mayor presin en la parte superior del vehculo modificado se genera el efecto suelo en el estudio virtual.

4.8. Distancia de frenado4.9. Tiempo de frenado4.10. Temperatura de frenado5. CONCLUSIONES

El anlisis de las fuerzas aerodinmicas cumpli con la investigacin fsica y virtual, de manera que la sustentacin y el arrastre conllevan una eficiencia aerodinmica en el vehculo estndar y modificado. El alern es de gran importancia para la sustentacin, gracias a su perfil y ngulo 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 alern en la parte trasera del vehculo sobre la cajuela existe una distancia libre esto genera gradientes de presin y velocidad, lo cual genera turbulencia. la cual aumenta la resistencia al avance. Se obtuvo un gran porcentaje de optimizacin en la fuerza de sustentacin en el vehculo modificado del 49.06%, de manera que se sacrifico el avance, cumpliendo con las leyes aerodinmicas. La resistencia al avance fue afectado por la ganancia de sustentacin, el aumento de trabajo o esfuerzo incremento en un 20%, de manera que el motor debe generar mayor potencia, que la del vehculo estndar para vencer esta resistencia.

6. REFERENCIASProyecto de diseo F1 in SchoolsTM con el software SolidWorks 2011