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Técnica

Suspensión activa, ¿cómo funciona?

Hoy os contamos la historia de uno de los sistemas que revolucionó la Fórmula 1: la suspensión activa

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Qué la Fórmula 1 es un laboratorio de tecnologías que llegan incluso a ser de ciencia ficción, ventiladores que pegaban el coche al suelo, alerones más que extravagantes, monoplazas con 6 ruedas, e incluso algunos con motores de turbinas.

Hoy os contamos uno de esos experimentos que consiguió que el monoplaza que lo emplease arrasase. Os hablamos del Williams y su suspensión activa.

Allá por los primeros años noventa, Williams se presentaba con un monoplaza, que como decían muchos, hacía bailar el coche. En resumidas cuentas, lo que hacía el coche era elevar, más bien balancear la carrocería para evitar derivas en curvas, todo esto gracias a una centralita electrónica y unos amortiguadores electro-hidraúlicos.

Los Orígenes

La suspensión activa fue quizás la gran innovación final del equipo Lotus bajo Colin Chapman. Era un medio de mantener el nivel de altura de manejo del monoplaza pesar de los baches y ondulaciones constantes de los circuitos del Gran Premio, para maximizar el agarre y la eficiencia aerodinámica.

Lotus comenzó a desarrollar la idea antes de su muerte en el invierno de 1982. Diez años más tarde, un auto de suspensión activo dirigido por un equipo diferente finalmente llevó a un piloto al campeonato mundial.

Después de eso, no pasó mucho tiempo antes de que se prohibiera el sistema.

La suspensión activa tiene sus raíces en la disputa sobre los efectos del suelo y las faldas en 1981, y la polémica prohibición del Lotus 88 .

Los equipos estaban buscando medios para correr faldas a los lados de los monoplazas para generar una carga aerodinámica masiva a medida que el aire pasaba por debajo del mismo. Una parte esencial de esto era garantizar una altura de conducción uniforme, aunque eso tenía un valor particular incluso para los automóviles sin efecto suelo.

También tenía aplicaciones en los modelos de calle, y para comenzar, Lotus desarrolló un sistema de suspensión activo temprano en un Esprit Turbo.

Estos primeros intentos de suspensión activa fueron más ‘reactivos’: utilizar el sistema hidráulico para alterar la actitud del automóvil en respuesta a los baches en el camino o las aportaciones particulares del conductor en lugar de preparar el automóvil con anticipación para cada cambio específico en la pista.

A mediados de la década de 1980, resultó extremadamente difícil aprovechar el potencial del sistema porque el equipo no tenía la capacidad de procesar adecuadamente las cantidades de datos que producía. Esto fue durante los días pioneros de la electrónica en el automóvil, gran parte de la cual se concentró en administrar la eficiencia de los motores turbo sedientos.

Sin embargo, Williams estaba desarrollando un sistema propio que era más limitado en la escala de sus ambiciones que el de Lotus. Consumió menos potencia (alrededor de 5 CV) y Piquet le dio a un Williams con suspensión activa su primera victoria en Monza, después de que Senna se hubiera ido.

Al año siguiente, Lotus abandonó el sistema pero Williams perseveró: al haber perdido la potencia de Honda, el equipo necesitaba una ventaja competitiva. Pero la suspensión activa no fue así y Mansell se sintió cada vez más frustrado con la tecnología.

Culminó con el equipo realizando un trabajo urgente para convertir su automóvil de suspensión activa a suspensión convencional en la víspera del Gran Premio de Gran Bretaña, antes de que Mansell saliera a anotar un excelente segundo lugar, igualando el mejor resultado del año del equipo. La suspensión activa fue enterrada, por ahora.

Tal fue el ritmo feroz del desarrollo de la tecnología informática que, en 1991, Williams volvió a coquetear con la tecnología. En el período intermedio, Mansell fue y regresó de Ferrari, y sus dudas sobre el sistema persistieron.

Al final de la temporada, el equipo produjo una versión ‘B’ de su chasis FW14 con suspensión refinada y genuinamente activa, en lugar de reactiva. Ahora la actitud del automóvil podría preprogramarse para anticipar cambios en la elevación y los baches. (Anteriormente, Lotus había evocado la idea imaginativa de usar láseres o radares para ‘leer’ la pista por delante).

Williams llevó el FW14B a la ronda final de 1991 en Adelaida, pero el mal tiempo les impidió evaluar sus capacidades.

Pero en la temporada baja descubrieron que el auto era tan asombrosamente rápido que no necesitarían correr el FW15 al comienzo de la temporada. Al final resultó que, el FW15 ni siquiera fue necesario hasta el próximo año.

En la primera ronda de la temporada de 1992, Mansell tomó la pole position de Senna, en un McLaren, por 0.741s. El inglés ganó la carrera, con su compañero de equipo Riccardo Patrese, quien a su vez estaba 10 segundos más adelante que Senna. Estableció el patrón para la temporada.

En el accidentado circuito de Hermanos Rodríguez en México, la ventaja de calificación de Mansell sobre el siguiente coche fue 0.946. En Interlagos, la brecha era de 2.199. En Catalunya, 1.005s – Williams jugaba en otra liga

Frente a su público local en Silverstone Mansell realmente terminó y estaba en la pole en 1.919, ¡de Patrese! Senna tenía 2.741 segundos a la deriva y todos los demás eran al menos tres segundos más lentos.

La temporada fue un paseo para  Williams, y los equipos rivales se quejaron de que el costo de investigar y desarrollar sus propios sistemas de suspensión activa sería enorme.

Para 1993 estaba claro que la suspensión activa era esencial y que casi todos los equipos tenían su propia versión de la tecnología. Williams, que tenía una alineación de pilotos completamente nueva de Alain Prost y Damon Hill, continuó dominando. Solo el inspirado Senna interrumpió seriamente el éxito de Prost.

Giorgio Piola

Pero la FIA estaba preocupada por las crecientes velocidades en las curvas y comenzó a presionar a los equipos para que aceptaran la prohibición de la suspensión activa para 1994. Para subrayar su seriedad en el Gran Premio de Canadá, emitieron lo que se convertiría en una declaración notoria.  

Es por eso que finalmente la FIA sostuvo que todos los monoplazas con suspensión activa infringían las regulaciones actuales, sin importar las futuras. Insistió en que los arietes hidráulicos que formaban parte del sistema eran «dispositivos aerodinámicos móviles», que durante mucho tiempo habían sido prohibidos.

Causó alboroto entre los equipos y los medios de comunicación. Se temía que el Gran Premio de Francia tuviera que ser cancelado mientras los equipos construían nuevos autos pasivos desde cero, y Williams se quejó en voz alta de que podría cuestionar sus títulos de 1992.

Pero la preocupación del presidente de la FIA, Max Mosley, sobre la seguridad de los sistemas se vio dramáticamente ilustrada por varios accidentes.

Pero los problemas de este sistema llegaron, y es que en Spa-Francorchamps para el Gran Premio de Bélgica, Alessandro Zanardi se dirigía a toda velocidad hacia Eau Rouge cuando una fuga en el sistema hidráulico de su Lotus hizo que la parte inferior del automóvil golpeara la pista. El monoplaza se fue directo a las barreras a una velocidad enorme. Esto hizo aun más hincapié en la prohibición de este sistema.

El sistema fue prohibido en 1994. Y unos de los que mas lo celebraron fueron, los propios mecánicos, ya que trabajar con un fluido caliente a 2.500 PSI de presión, en el que si fallaba cualquier componente, podía llegar a ser bastante doloroso.

Williams

Pero, como funcionaba este sistema. Como he dicho el sistema tenía el cerebro electrónico, que era el encargado de gestionar el movimiento de los actuadores hidráulico. Por ejemplo, si el coche frenase, no se inclinaría hacia delante, si aceleraba, no se levantaría el morro, si toma una curva, aplicará más presión en los amortiguadores del exterior de la curva. Así el coche se mantenía estable en todo momento.

Williams

Y como no,  en muchos casos en la que la tecnología que se aplica en competición, llega a los coches de calle. Muchos modelos, en la mayoría de los casos, premium, disponen de este tipo de suspensión, en las que unos radares leen las irregularidades de la carretera, y se adelanta, para autoregular el movimiento de el actuador hidraúlico.

Pero sin duda, el caso más llamativo de todos, era el de la suspensión BOSE, que podía hacer que saltase el coche, si, que saltase.

 

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Técnica | ¿Cómo se diseña la cámara de combustión de un Fórmula 1?

En una parte tan importante del monoplaza, son muchos los aspectos a considerar.

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Desde luego, es bien sabido que la Fórmula 1 ha sido durante mucho tiempo la cuna del desarrollo tecnológico en el ámbito automovilístico, en todos los aspectos del monoplaza: Aerodinámica, chasis, seguridad… Pero si hubiera que elegir el componente que más inversión en desarrollo ha requerido, este sería el motor de combustión, donde se produce la energía necesaria para impulsar el monoplaza. El núcleo de dicho motor está formado por 6 cilindros en V donde se aprovecha la energía química del combustible mediante su explosión para transformarla en energía mecánica: Movimiento de giro. ¿Cómo se diseña la cámara de combustión?

Esta cámara, como ya hemos dicho, tiene forma de cilindro, y en su interior aloja un pistón móvil que realiza un movimiento alternativo de subida/bajada. La cámara de combustión se caracteriza por dos parámetros geométricos: Bore y Stroke. El primero de ellos, el Bore, indica sencillamente el diámetro del cilindro, mientras que el Stroke especifica la longitud de la carrera del pistón, desde el punto muerto inferior, hasta el punto muerto superior. Cada vez que el pistón realiza una carrera de subida + bajada, el eje al que está unido (denominado cigüeñal, ‘crank’) realiza un giro completo de 360º.

Definición de BORE y STROKE. Fuente: howmechanismworks.com

Un Fórmula 1 cuenta con un cubicaje total de 1,6 litros, que corresponde con 0,27 litros por cilindro, aproximadamente (un volumen menor al de una lata de refresco estándar). En este momento, surge la pregunta: ¿Cuánto mide el Bore, y cuánto el Stroke? Para deducirlo debemos tener en cuenta varias cuestiones técnicas con respecto al rendimiento de un motor de combustión interna.

El principio básico de generación de potencia en este tipo de motor es que Potencia = Par x Velocidad de giro, y suponiendo una curva de par relativamente constante en el rango de revoluciones de uso, tenemos que la potencia es directamente proporcional a la velocidad de giro que puede tener el motor. Dispondremos de más potencia cuanto mayor sea la velocidad de giro, algo que equivale a tener una menor carrera del pistón (Stroke). Tenemos por tanto una de la condiciones para el diseño del cilindro, ¿pero hasta qué punto podemos reducir este parámetro geométrico?

Una de las limitaciones es la velocidad a la que puede llegar a moverse el pistón, cuyo valor máximo para un vehículo estándar ronda los 25 metros/segundo. Con esta restricción, y sabiendo que los Fórmula 1 en la actualidad giran a un máximo de 15.000rpm, extraemos un valor de Stroke de 5 centímetros, y con él, un valor de Bore de unos 8 centímetros (conociendo el volumen del cilindro de 0,27 litros). Nota: El reglamento actual establece en su Artículo 5.3.1 que la dimensión del Bore ha de ser de 80 +-1 mm.

Imagen del Ferrari SF1000 sin la cubierta motor. Fuente: motosportmagazine.com

Es importante considerar las consecuencias de tener un diámetro de cilindro de este tamaño. En primer lugar, hay que recordar que el intercambio de gases en la cámara de combustión se realiza a través de las válvulas de admisión, para la entrada de aire, y de escape, para la salida de los gases producto de la combustión. Contar con una mayor superficie de cabeza de cilindro, que es el lugar donde se encuentran situadas éstas (ver última imagen), permite instalar válvulas de más diámetro, aumentando con ello la cantidad de gases intercambiables en un mismo intervalo de tiempo, útil sobre todo cuando nos encontramos en un régimen alto de giro del motor.

Sin embargo, no todo son ventajas, en el proceso de transformación de energía en un motor existen pérdidas por muy diversas razones, y una de las más relevantes es la transferencia de calor a través de las paredes. Un mayor diámetro de Bore implica un incremento de esta superficie de transferencia, considerada cuando el pistón se encuentra en el punto más alto de su carrera, cuando se inicia la combustión. En conclusión, mayor Bore implica mayores pérdidas por transferencia de calor, por lo que es importante encontrar un equilibrio para maximizar la eficiencia del sistema. 

Además, y ya para finalizar, hay que considerar la dinámica de la combustión de la mezcla en el interior de la cámara. El encendido tiene lugar mediante bujía (‘Spark plug‘), posicionada normalmente en el centro de la cabeza del cilindro, donde comienza la propagación de la llama. Si tenemos un gran diámetro de Bore, la combustión será más lenta, ya que la llama ha de recorrer una mayor distancia hasta los laterales de la cámara, y por tanto, tardará más en qumar la mezcla. En este aspecto, también podemos destacar el concepto de turbulencia, que facilita la mezcla de aire con combustible, y con ello su combustión. Sin embargo, la existencia de este fenómeno no depende tanto del diseño del cilindro, sino de la forma de los colectores, principalmente en admisión.

Propagación de la llama en un motor de encendido provocado. Se puede observar como el frente de llama tardará más tiempo en alcanzar las paredes laterales del cilindro si este tiene un Bore grande. Fuente: General Chemistry: Principles, Patterns, and Applications, 2011

La complejidad en el diseño de partes del motor como esta es considerable, aunque actualmente su desarrollo esté bastante limitado por el reglamento. Como hemos podido observar, la eficacia del componente reside en encontrar el equilibrio adecuado entre todas las condiciones/restricciones existentes, algo que no es nada fácil en absoluto.

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Técnica

Motores de F1 ¿De qué están hechos?

Entramado de materiales de una unidad de pontencia en la F1 moderna

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Muchos al pensar en un coche de F1 y sus materiales se enfocan en la fibra de carbono y el kevlar de los cuales están construidos muchos de los componentes estructurales. Sin embargo, muy poco se habla de los materiales que componen una unidad de potencia de F1.

Unidad de potencia moderna – Renault Sport

Las actuales regulaciones técnicas de F1 limitan considerablemente la selección de materiales con los cuales los diseñadores pueden trabajar en el desarrollo de las unidades de potencia. Sin embargo, las zonas grises en ediciones anteriores del reglamento han permitido a lo largo de los años que algunos equipos saquen ventaja con materiales novedosos. A continuación explicamos cada uno de los materiales permitidos y su aplicación dentro de la unidad de potencia.

Pistón de F1 de la era atmosférica – Pankl/Ferrari

El reglamento técnico permite el uso de los siguientes materiales:

Aleaciones de aluminio: Éstas pueden usarse en componentes fabricados a partir de procesos de fundición o forja, como el caso de pistones, bloques de motor, culatas y cárter del motor. En pistones muchos fabricantes emplean Aleaciones de aluminio con berilio como aleante hasta un 0.25% del mismo, o también aleaciones menos exóticas como las empleadas en aviación (ej: 2618A). En bloques de motor y otros componentes estacionarios son comunes las aleaciones de la serie 300 (Al-Si-Cu or Al-Si-Mg).

Bloque de cilindros Ferrari F2001 – Catawiki

Aleaciones de Titanio: Estas pueden usarse en Bielas y elementos del turbo. Algunos fabricantes de motores o elementos de motores utilizan aleaciones similares al Titanio grado 6AL-4V (o TC4, como se le conoce en algunos lugares)

Conjunto pistón/biela de un F1 moderno – italiazakka.co.jp

 

Montaje de válvula de motor de F1 – Brian Garvey/ www.F1technical.net

Aleaciones basadas en hierro: La normativa exige que los pasadores de pistón, cigüeñal, engranes de las bombas, ejes de levas y otros elementos rotativos deben fabricarse en aceros (aleación de hierro y carbono inferior al 2% con otros elementos como aluminio, cobalto, zinc, etc.).

Cigüeñal Ferrari F2003GA – Ferrari

Fuera de estos materiales principales, hay otra serie de aleaciones metálicas y materiales no metálicos que pueden usarse bajo serias restricciones.

Las aleaciones basadas en tungsteno sólo pueden emplearse en los contrapesos del cigüenal siempre y cuando su densidad no supere los 18400kg/m3.

Contrapesos de tungsteno en cigüeñal de F1 – Ferrari

Para el caso del magnesio, sólo componentes menores que no estén sujetos a movimiento (carcasas de bombas, tapas y similares) y sólo podrán usarse aleaciones cubiertas por las normas ISO16220 e ISO3116.

Otros materiales, como cerámicas pueden emplearse en rodamientos únicamente, mientras que los materiales compuestos como la fibra de carbono sólo podrán usarse en elementos menores como tapas, y los compuestos de matriz metálica (metales reforzados con fibras) están terminantemente prohibidos bajo la normativa actual.

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Técnica

Los motores con turbo eléctrico de Audi

El Audi SQ7 lleva un motor diesel V8 de 4 litros “biturbo”, y los alemanes se han sacado un truco de la manga para eliminar el lag de este motor con un tercer turbo que funciona gracias a un motor eléctrico.

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Los motores llevan años usando turbos, que aprovechan los gases del escape del motor para hacer funcionar una turbina, que comprime el aire que entra en el motor y da un empujón a la combustión, aumentando la potencia. El problema de esto es que, debido a que a bajas velocidades el volumen de gases es demasiado bajo, al pisar el acelerador el turbo tarda un tiempo en ponerse en su régimen de rendimiento óptimo y entonces se experimenta lo que llamamos “lag” y no recibimos este aumento de potencia hasta pasado un tiempo.

Los fabricantes han desarrollado varias técnicas para intentar mitigar este efecto y ahora Audi ha inventado un sistema que lo elimina por completo. El primer turbo del motor del SQ7 no funcionará mediante los gases del escape, sino que el motor hará funcionar un generador de 3Kw, conectado a una batería de 48V, que a su vez opera un motor eléctrico de 7Kw encargado de hacer que gire la turbina del turbo.

Detalle del turbo eléctrico de Audi (Imagen: Audi)

 

Gracias a esto, cuando el conductor demande una entrega de potencia inmediata, en vez de tener que esperar a que el turbo se ponga a funcionar con los gases de la combustión, el motor eléctrico empujará el turbo a 70000rpm en menos de un cuarto de segundo para poder disfrutar de toda la potencia del sistema desde el primer momento.

Una vez el motor esté a pleno rendimiento y con los gases haciendo funcionar un segundo turbo convencional, un sistema de válvulas redirige el flujo de aire a este segundo turbo, desconectando el primero.

Pero además, han programado el sistema de válvulas de escape para que a bajas rpm, los escapes sólo salgan por una de las dos válvulas en cada cilindro y a altas rpm se active una segunda válvula que envía los gases a un segundo turbo.

Esquema del sistema de turbo eléctrico (Imagen: Audi)

Es decir, al arrancar el coche el turbo eléctrico da potencia extra instantáneamente al motor, cuando subimos un poco de revoluciones y el primer turbo convencional ya está funcionando, el eléctrico se desconecta y si a altas revoluciones seguimos demandando la máxima potencia, las válvulas redirigen los gases a un tercer turbo.

Ahora podríamos pensar que, en teoría, deberíamos ser capaces de instalar este tipo de turbo a cualquier coche. Se compra un turbo con motor eléctrico, se conecta a la batería de 12V del coche y ya tendríamos un extra de potencia sin sufrir lag en la aceleración ¿No?

El complejo sistema eléctrico que hace funcionar el turbo de Audi (Imagen: Audi)

Bueno, no es tan fácil, en internet podemos encontrar estos kits pero la verdad es que no hacen absolutamente nada ya que estos turbos no tienen la fuerza suficiente. Por eso Audi se ha tomado la molestia de implementar el generador y la batería que comentaba anteriormente. Es un sistema tremendamente complejo por lo que no es algo que se pueda instalar en cualquier motor como sí que se podría hacer con un turbo convencional, sin entrar en lo tremendamente caro que resultaría.

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