Concepción de la admisión de aire y de los brazos de suspensión

CONCEPCIÓN DEL SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE Y DE LOS BRAZOS
DE SUSPENSIÓN DE UN MONOPLAZA FÓRMULA STUDENT
Autor: Omeñaca Muro, Pablo.
Director: Boutin, Philippe.
Entidad Colaboradora: École Centrale Paris
RESUMEN DEL PROYECTO
Este proyecto fin de grado expone el trabajo realizado en torno a la concepción de una nueva
admisión de aire y unos nuevos brazos de suspensión para un monoplaza participante de la competición
Formula Student. Aunque no guarden relación una concepción con la otra, estas dos partes del
monoplaza tuvieron que diseñarse este año dado que el objetivo era terminarlo cuanto antes y así
poder probarlo en un circuito antes de participar en la carrera. Además ambos sistemas podían ser
mejorados substancialmente con respecto a los diseños del año pasado ya que estos no se adaptaban
adecuadamente a lo exigido en la Formula Student.
Para desarrollar una nueva admisión de aire, el primer paso consiste en informarse sobre el estado
de la técnica. Esto permite hacerse a la idea de los diseños de otros equipos y también del reglamento
de la competición que condiciona de gran manera el diseño. En efecto, la competición impone la
colocación de un estrechamiento para limitar el flujo de aire entrante en la admisión de aire. El diámetro
de este estrechamiento debe de ser como máximo de 20 mm. De esta manera se limita la potencia del
motor, evitando que el monoplaza alcance velocidades superiores a los 100 km/h en la mayoría de los
casos. Uno de los objetivos fundamentales a la hora de sacar el máximo rendimiento del motor es por
lo tanto optimizar el diseño de la admisión de aire para que, aun sabiendo la limitación impuesta por el
estrechamiento, se maximice la entrada de aire al motor y por lo tanto la potencia que se puede obtener.
Para lograrlo, se debe seguir una metodología bien específica que permita simular el fluido dentro
del diseño y poder aproximar la cantidad de aire entrante en los cilindros. El primer paso es realizar una
simulación del comportamiento del motor. Para ello se utilizó el programaLotus Engine Simulation y
se pudo sacar informaciones útiles para las etapas siguientes. Gracias al programa, se pudo determinar
la longitud de los cilindros que unen el depósito de aire de la admisión y la cámara donde se sitúa
el pistón, llamados runners, y el volumen del depósito de aire, también llamado plenum. Estos dos
parámetros son fundamentales ya que permiten aprovechar las ondas de presión que se crean al abrir
y cerrar las válvulas de admisión y que interactúan con el flujo de aire entrante. La elección de los
parámetros se toma según el estudio de las gráficas de potencia, de par y de eficiencia volumétrica
según distintas longitudes de los cilindros y según diferentes volúmenes del depósito de aire. Una vez
determinados estos parámetros (300 mm para la longitud de los runners y 4,5 litros para el volumen
del plenum), empieza la etapa de diseño de la nueva admisión de aire. Inspirándose de los diseños
de otros equipos, el objetivo es diseñar varias admisiones de aire que permitan ser comparadas más
tarde conjuntamente con el diseño del año pasado. En este trabajo fin de grado se eligió el programa
SolidWorks para ello.
Por último, solo queda efectuar el análisis CFD (Computer Fluid Dynamics) para simular el flujo
de aire entrante en la admisión de aire. De esta manera se puede calcular la cantidad de aire que entraría
en los cilindros según los diferentes modelos. Una vez efectuadas las simulaciones con SolidWorks
Flow Simulation según dos regímenes del motor diferentes y recogido los datos, se pueden comparar
los diseños para elegir finalmente el que permita obtener una eficiencia volumétrica más alta de media
en los cuatro cilindros, y por lo tanto par, y que a su vez sea lo más uniforme de un cilindro a otro. Es
importante entender que eficiencia volumétrica y par van estrechamente ligados.
Para desarrollar los nuevos brazos de suspensión, el primer paso es, al igual que para la admisión,
realizar un estudio bibliográfico del reglamento, de los diseños de los otros equipos y de la mecánica
del sistema. Más tarde se debe seguir una metodología que permita diseñar unos brazos que soporten
las fuerzas de suspensión del monoplaza en todo momento. Lo primero es calcular las fuerzas que
sufrirían los brazos según tres casos distintos de comportamiento del monoplaza: frenada, aceleración
y viraje. Una vez calculadas las fuerzas, se puede pasar al diseño en SolidWorks y a las simulaciones
de estas fuerzas sobre el nuevo diseño. Se elige primero el diámetro de las barras de los brazos y el
ángulo de apertura para que encajen correctamente sobre el chasis. Por último, solo queda verificar que
no se sobrepasa el límite elástico en ninguno de los brazos en ninguna de las situaciones mencionadas
con anterioridad. Se obtienen de esta forma unos brazos capaces de soportar las diferentes situaciones
a las que se verán enfrentados durante la competición.
A continuación se explicarán con detalle los dos procedimientos que permitieron desarrollar la
nueva admisión de aire y los nuevos brazos de suspensión del monoplaza, y que deberán probarse el
próximo año por los nuevos miembros del equipo Formula Student de la Ecole Centrale Paris.
CONCEPTION OF AIR INTAKE AND SUSPENSION ARMS FOR A FORMULA
STUDENT KART
Author: Omenaca Muro, Pablo.
Director: Boutin, Philippe.
Collaborating Entity: Ecole Centrale Paris
ABSTRACT
This thesis exposes the work done during the last ten months in the Ecole Centrale Paris. It consists
on the implementation of a new air intake and new control arms for the suspension of a kart that
will compete in the competition so-called Formula Student. Despite the fact that the two systems are
completely independent, they were developed together since they were crucial for the car. They were
both parts of the car that were not developed properly by last year’s team.
To conceive the new air intake, the first step consists on taking knowledge of what it is done in
the competition Formula Student. Studying the rules of the competition as well as the designs of
other teams is important to understand the limitations and barriers that must be surpassed to develop a
powerful kart. An important fact that must be taken into consideration throughout the development
is that the competition imposes a restrictor to the air intake so that the air flow going to the engine
is limited. The diameter of that restrictor cannot exceed 20 mm and limits the power of the engine,
avoiding the kart to reach speeds beyond 100 km/h. One of the main objectives is to optimize the
design of the air intake to maximize the efficiency of the engine.
To reach that goal, a specific methodology will allow us to simulate the fluid inside the air intake
and calculate the quantity of air that goes inside so that the efficiency can be estimated. The first step
is to run simulations of the engine thanks to a software called Lotus Engine Simulation. Thanks to
that software, we could extract useful information about the behaviour of the engine according to the
values of two important parameters. The first one is the length of the runners and the second one is the
volume of the plenum. Both parameters are essential to take full advantage of the supercharging effect
and to optimize the pressure waves created by the opening and closing of the inlet valves. Once the
engine study is done, those parameters can be determined thanks to the comparison of different graphs
representing the power, torque and volumetric efficiency of the engine for each RPM.
Once the values of the parameters were chosen (300 mm for the runners and 4,5L for the plenum),
it was time to design the new air intake. By taking inspiration from the design of other teams, several
design were implemented. The goal was to compare the different new designs and the design of last
year team to determine which one had the best performance. The software SolidWorks was chosen to
implement the design.
Finally, the last step consists on the implementation of a CFD (Computer Fluid Dynamics) analysis
thanks to the simulation of the air flow through the air intake. That allows to estimate the amount
of air that would reach the cylinders for each design. Once the simulations with SolidWorks Flow
Simulation done, with two different RPM of the engine, the comparison could be done between the
different designs so the best of them could be considered. The criteria to determine the best design
is the average volumetric efficiency in the cylinders and the uniformity of the volumetric efficiency
through the cylinders.
The second system to develop is the suspension arms, also called control arms. To develop the new
control arms for the suspension of the car, the first step was, as before, an implementation of an extended
bibliographic study of the competition rules, the design of other teams and the physical equations
involved. Afterwards, a methodology that will allow to design control arms capable of supporting
the suspension forces had to be followed. The first step was the calculation of the suspension forces
depending on three different situations of the car: braking, acceleration and turning. Once those forces
were calculated, the design in SolidWorks could be implemented as well as the simulation of those
forces. The first parameter to choose was the diameter of the arms that has to be big enough to resist
the braking, acceleration and turning of the car and the angle that will allow the control arms to better
fix to the chassis of the car.
Finally, the last step consisted on verifying that the elastic limit was not reached in any control arms
in any of the situations mentioned before. This thesis will now explain with details the two procedures
that helped us developed the new air intake and the new control arms of the car. Both systems will be
tested next year by the new Formula Student team of the Ecole Centrale Paris.