artículo Técnico: ¿cómo se diseña un alerón?

Tema en 'Foro General BMW' iniciado por pacix, 28 Feb 2006.

  1. pacix

    pacix Clan Leader

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    Espero que os guste, sin llegar a ser pesado.

    Abstracto:
    Una vez ya hemos visto los métodos utilizables para aumentar la velocidad o reducir la resistencia aerodinámica, es conveniente conocer los métodos existentes para que el paso por curva, sea lo más rápido posible.

    Introducción:
    Todos hemos hecho la prueba de sacar la mano por la ventanilla cuando el coche está en marcha; según la posición en que la ponemos, notaremos cierta fuerza que nos empuja la mano hacia abajo; nuestra mano, entonces, actúa como un alerón; el objetivo de este artículo, no es más que optimizar la forma y posición de la mano.​
    El tiempo de paso por curva, se ha convertido en uno, si no el que más, de los factores más importantes y transcendentales en toda carrera; evidentemente, la velocidad máxima es crucial, pero lo es más el tiempo de paso por curva, y es ahí donde se gana muchas carreras; hoy en día esto es básico, tal y como ha evolucionado el mundo de la competición, sobre todo en Fórmula 1 y todas sus exigencias.​
    La herramienta básica usada para aumentar la Down Force, es el alerón; se trata de una superficie que genera una fuerza hacia abajo, la cual, es la encargada de “pegar” el coche al asfalto, o en resumidas cuentas, hacer que pese más, con la misma masa.​
    Existen más métodos, que veremos y analizaremos en posteriores artículos, como el efecto suelo o la forma general del propio coche de competición.

    Sustentación:
    Ya hemos visto que la fuerza de sustentación se crea a partir de la diferencia de velocidades o presiones entre el extradós y el intradós de una superficie:​
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    A su vez, esta sustentación, provoca un momento (una fuerza rotatoria de la superficie), la cual, hay que considerar a la hora, por ejemplo, de diseñar los amarres de los alerones, y también a la hora de diseñar el coche en conjunto.​
    Veamos algunas definiciones: llamamos envergadura a la longitud (sentido transversal de la marcha) de la superficie o alerón; llamamos cuerda, a su anchura; llamamos espesor, al espesor máximo del perfil.​
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    Por otra parte, ya sabemos cuantificar la fuerza Down Force, que ejerce el alerón, en función del ángulo de incidencia que posea con respecto al sentido del movimiento:​
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    Notemos una cosa muy importante: el hecho de existir sustentación, radica en que el aire que circula a mayor velocidad, está “pegado” a la superficie; si el ángulo de incidencia es demasiado grande, el aire se “despega” de la superficie, cayendo la fuerza de sustentación; esto ya lo vimos; evidentemente, si queremos alcanzar grandes fuerzas de sustentación con un mismo alerón, hemos de colocarlo con un gran ángulo de ataque o de incidencia; para poder alcanzar grandes valores de incidencia, hemos de intentar que el aire no se desprenda de la superficie, pues en caso contrario, no sólo no estaremos aumentando la sustentación, si no que además estaremos aumentando de manera muy considerable y apreciable, la resistencia.​
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    Para impedir el desprendimiento del aire, podemos aumentar la velocidad en la zona conflictiva, a partir de la colocación de otra superficie:​
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    Por la zona que queda entre las 2 placas, el aire alcanza mucha velocidad, haciendo que el aire que circula por debajo de la placa principal o inferior, permanezca adherido a ella. Con ello, conseguimos altos ángulos de incidencia y por tanto, altos valores de fuerza de sustentación (en este caso, de Down Force). En el estudio y análisis del tipo de perfiles, las distancias entre ellos y demás, radica una buena investigación (CFD, Túnel de Viento o Telemetría en ensayo real), estudio y por tanto, eficiencia.

    Tipos de alerones:
    Existen muchos tipos de alerones clasificable básicamente, en función del número de superficies que tengan, si bien es verdad que es posible clasificarlos en función de otros parámetros.
    Alerón de 2 superficies: Se trata de una mejora del anterior modelo, perfilando adecuadamente los perfiles, para optimizar por tanto, su eficiencia (no creando o disminuyendo la resistencia inducida):​
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    La eficiencia de dicho sistema, es evidente:​
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    En este caso, el aire que pasa por debajo el segundo perfil, también tiende a separarse de él, con lo que la sustentación disminuye a altos grados de incidencia; para corregir esto, utilizamos los alerones de 3 elementos:​
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    Extendiendo el razonamiento, obtenemos los de 4 elementos:​
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    Como curiosidad, fijarse que la última superficie, puede incluso llegar a ángulos mayores de 90ª ¡¡¡¡; cosa impensable en un primer momento claro....​
    Para calcular y conocer cuál es el “CL” de cierto sistema de alerones, podemos utilizar, bien un Túnel de Viento, incluso de pequeñas dimensiones, bien la realidad colocándolo en el coche y ensayándolo con la telemetría adecuada claro, o bien incluso, que es la opción más sencilla y rápida, ensayándolo virtualmente mediante un software especial de CFD.

    Pantallas de extremidad:
    Dado un alerón, hemos visto que sobre el extradós, se produce una baja presión; evidentemente, esta baja presión, hace que el aire que circula esta zona, se introduzca en ella, para aumentar la presión:​
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    Podemos observar los vórtices de extremidad dibujados, en los días de alta humedad; son preciosos de observar; no debéis perdéroslo.​
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    Esta circulación de aire, hace que lo que se suponía que generaba sustentación negativa (que era justamente esta depresión) o deja de existir o disminuye drásticamente; para evitar tal efecto, se colocan unas pantallas, denominadas pantallas de extremidad, que impiden esta circulación no deseada de aire desde las zonas de alta presión, hasta las zonas de baja presión. Algunos aviones, suelen tener esta pantallas también sobre todo, si la envergadura es corta, cosa que no pasa si la envergadura es grande.​
    Evidentemente, en la optimización, tanto de forma como de tamaño, de esta pantallas, radica el truco; no es necesario que el diseño de dichas placas sea cuadrado o rectangular, por ejemplo; es posible diseñarlas de tal forma que donde haga más falta su presencia, sean más grandes.

    Flap Gurney:
    Existe un método “extra” para aumentar la sustentación de una superficie; se trata del denominado Flap Gurney; se trata de una placa de pequeñas dimensiones (1 cm más o menos) colocado perpendicularmente al perfil; ello provoca, aproximadamente, un 20% más de sustentación; de todas formas, ello depende de múltiples factores, y es necesario también, diseñarlo correcta y adecuadamente con respecto al conjunto:​
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    Este flap, hace que el aire que pasa por el extradós, no se despegue antes de lo debido, con lo que la sustentación aumenta, además de aumentar por impacto directo del aire.

    Inyección / Succión de aire:
    Supongamos una superficie plana con cierto ángulo de incidencia con respecto al sentido del movimiento; esta superficie, tendrá una determinada fuerza de sustentación; si el ángulo es demasiado grande, la sustentación decrecerá; para ello, ya lo vimos, el aire que circula por el extradós, ha de permanecer adherido a la superficie; una de las formas, que algunos aviones usan, es la de succionar aire, a través de una serie de orificios:​
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    Podemos de igual forma, unir todos los orificios mediante una ranura de succión. De forma análoga, podemos colocar unos orificios o ranura, en el borde de ataque y sobre el intradós, de forma, que se inyecte aire a gran velocidad; ello retrasa la separación de la capa límite laminar a turbulenta, con lo que la resistencia disminuye.

    Otros métodos:
    El tema de los alerones, es un tema muy complicado, en el que existen diversas soluciones, algunas muy curiosas; algunos aviones poseen trozos de papel de lija colocados estratégicamente, sobre el ala, de forma que la capa límite laminar se desprende más tarde de lo debido o normal; algo parecido a los agujeros de una pelota de golf; incluso, en algunos coches de competición, como ya veremos en su momento, poseen recubrimientos (a modo de pintura por ejemplo), rugosos o al menos, más rugosos de lo que se podría pensar; el objetivo puede ser triple: retrasar la separación de la capa límite laminar, mantener adherido el aire a la superficie o desacelerar cierto flujo de aire; podemos colocar pintura “rugosa” sobre el intradós de los alerones, por ejemplo....​
    Otro método que podemos pensar, es inyectar aire a través del borde de fuga, con un ángulo determinado, de forma que ayude a adherirse el aire que circula por el extradós; este aire, puede ser recogido por algún sistema colocado en los soportes del sistema de alerones. Métodos hay muchos, pero es necesario estudiarlos en profundidad; recordar simplemente, que la sustentación provoca también resistencia....

    Sujeción de un alerón:
    Hemos visto que dada la peculiar forma de un alerón, la fuerza total de sustentación (el punto resultante de su aplicación, se denomina centro de presión) y de resistencia (inseparables), provoca una fuerza de rotación del alerón; es necesario tener en cuenta esta fuerza y dónde tiene lugar su resultante, para diseñar un buen sistema de anclaje de los alerones; de esta forma, nos evitamos problemas de rotura por una mala fijación, y esfuerzos extras en los mismos alerones, que también pueden desembocar en una rotura del mismo.​
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    Existen muchos tipos de fijación de los alerones, tanto traseros como delanteros:​
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    Diseño de un alerón:
    Para diseñar un alerón, exclusivamente desde el punto de vista de la fuerza a ejercer, hemos de tener en cuenta: “B” que es la distancia entre el centro de presión del alerón trasero y el “CG” centro de gravedad del coche, “a” la distancia entre el mismo “CG” y el centro de presión del alerón delantero. Vamos a suponer que ninguno otro componente del coche, cosa que no es así nunca, no posee fuerza alguna de sustentación; supondremos además que la fuerza de resistencia no afecta al diseño, cosa que tampoco es real.​
    Conocer el centro de presión, implica tener catalogado perfectamente el sistema de alerones y conocer en profundidad, cómo actúa en función de la velocidad, ángulo de incidencia, densidad del aire, etc. Sea “FT” la down force ejercida por el alerón trasero y “FD” la ejercida por el alerón delantero.​
    En un primer lugar, para que la estabilidad en recta se mantenga, FT*B = FD*a . Ambos productos han de ser iguales para conseguir el objetivo de estabilidad.​
    Si por ejemplo observamos que el coche tiene tendencia al sobreviraje (gira más de lo debido) hemos de quitar peso a la popa o poner peso a la proa (reducir la down force del alerón trasero o aumentar la misma en el alerón delantero). Hacemos el caso contrario si el coche posee una tendencia al subviraje. Notar que si hacemos esto, la relación matemática anterior no se cumple....​
    En función de los neumáticos elegidos, necesitaremos cierta down force para hacer que los neumáticos traseros y delanteros tengan la suficiente fuerza de agarre; esta down force vendrá generada por los alerones. De esta forma, podemos variar “al máximo” y apurar los pasos por curva, haciendo que el agarre sea máximo en curva para reducir el tiempo de paso; lógicamente también, hay que tener en cuenta el desgaste de los neumáticos, cosa que complica más si cabe, el asunto.
    Como podemos imaginar, en curva las actuaciones del coche cambian, y hemos de tener en cuenta todos los aspectos, no las simplificaciones o suposiciones que hemos hecho, para diseñar unos alerones adecuadamente; otro factor muy importante es la relación entre el sistema de alerones de proa y el de popa; es necesario saber si variamos o modificamos el alerón de proa, por ejemplo, “cuánto” debemos modificar el de popa.

    Conclusiones:
    Hemos visto un poco de teoría sobre alerones, pero sin ver de momento, sus aplicaciones; en posteriores artículos, analizaremos pormenorizadamente, los alerones traseros, los delanteros, sus aplicaciones, objetivos, diseños y sus cálculos.​
    Tener en cuenta también, que existen muchas otras partes del coche que poseen down force y resistencia: pontones, refrigeración, el propio cuerpo del coche, etc....​

  2. aarone

    aarone Clan Leader

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    muy chulo pacix! Este articulo seria muy util para los atuneros estos que campan por España....
  3. pacix

    pacix Clan Leader

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    Bueno, para ellos, se lo puedo resumir en un axioma: Mas grande, no significa mejor. ;-)
  4. Josep_BP

    Josep_BP Forista

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    Esta muy bien este reportage. Muy util para los que son nuevos en eso de la F1.
  5. deltona

    deltona

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    Buena información. Resumiendo. ¿Donde se pone eso?¿Se sujeta con loctite?¿Hace falta la radial para colocarlo?
    No en serio, está entretenido. Gracias
  6. Factoni

    Factoni Clan Leader

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    :descojon: :descojon: :descojon:
    Muy buen artículo Pacix!
  7. Gus

    Gus Tali-bahn Staff BMW FAQ Coordinador Miembro del Club

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    Uy qué interesante...ahor ame explico lo de los "tabiquillos palomeros" esos de los Airbis A 320 :D


    Por cierto, eso de la rugosidad....elconcept C sportlounge de Citroen lleva una láminas planas sobre la luneta , sin superar el perfil d el achapa, a modo de sustituto de alerón, que consiguen el efecto deseado simplemente vibrando. ;-)
  8. pacix

    pacix Clan Leader

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    efectivamente... ahora entiendes porqué en el z ando más que tú.. no es por motor... es por mi corte de pelo, integrado con el perfil del coche ;-) deberías hacer lo mismo :):):):):)
  9. Gus

    Gus Tali-bahn Staff BMW FAQ Coordinador Miembro del Club

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    ...y la vibración, oiga, y la vibración!... :D :D

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