How Design Formula One

Formula 1

Como Diseñar un Formula 1

Como Diseñar un Formula 1

F1 2012

F1 2012

Diseño de un Formula 1,    Cómo se diseña un F1 ?    How Design a Formula One

Para diseñar un Fórmula 1, seguiremos los siguientes pasos:

     * Diseño Geométrico,  está regulado por las normas de la FIA, lo generamos con un programa de CAD.

Principales parámetros:

hm,    altura del Centro de Masas respecto al suelo

hp,     altura del Centro de Presiones respecto al suelo

Tr,      Track  (distancia entre centros de ruedas del mismo eje medidos al centro de las ruedas)

Wb,    Wheelbase  (distancia entre ejes)

Wb = Wmr + Wmf          siendo          Wmr y Wmf    las distancias horizontales del Centro de Masas a los ejes de las ruedas trasero (Rear, r) y delantero (Front, f)

Wb = Wpr + Wpf          siendo          Wpr y Wpf    las distancias horizontales del Centro de Presiones a los ejes de las ruedas trasero (Rear, r) y delantero (Front, f)

     * Cálculo del Motor   y resto de componentes mecánicos, también regulado por la FIApara obtener la potencia, consumo de combustible, y resto de parámetros. Lo realizamos con una hoja de datos tipo Excel, para automatizarlo y que recalcule todas las variables en función de los datos de entrada.

Principales parámetros:

η,      rendimiento del motor

Ẇ,     potencia del motor

Con,     Consumo del motor

     * Cálculo Aerodinámico, con el diseño geométrico del CAD hacemos el mallado de la geometría del monoplaza y realizamos la simulación en un programa de CFD (Computational Fluids Dynamics), introduciendo en las Condiciones de Contorno (Boundary Conditions) algunos parámetros obtenidos en el diseño del motor, como el consumo de aire en la toma de aspiración del motor y escapes y el consumo de aire de los refrigeradores de los pontones.

Principales parámetros:

FL,     Lift Force (Downforce) o Fuerza de sustentación

FD,     Drag Force o Fuerza de arrastre

Cp,     Centro de presiones

hp,     altura del Centro de Presiones respecto al suelo

Wb = Wpr + Wpf          siendo          Wpr y Wpf    las distancias horizontales del Centro de Presiones a los ejes de las ruedas trasero (Rear, r) y delantero (Front, f)

     * Neumáticos: Adherencia, Gripla fuerza del motor se transmite a través de las ruedas traseras. Las frenadas, aceleraciones y paso por curva dependen del límite de la adherencia de neumáticos y asfalto. La aerodinámica con sus fuerzas y la termodinámica  con sus energías contribuyen a la efectividad del Grip. El coeficiente de rozamiento determina el agarre, parámetro fundamental, ya que las fuerzas que actúan sobre el monoplaza se transmiten al suelo a través de los neumáticos.

Principales parámetros:

μroz,      Coeficiente de rozamiento, adherencia o Grip

     * Dinámica, para plantear todas las fuerzas que intervienen en cada instante y sus consecuencias.

Principales parámetros: todos los  parámetros anteriores más las fuerzas:

mg,     peso total (varía con la masa de combustible, que es función del consumo de combustible)

FL,     Lift Force (Downforce) o Fuerza de sustentación

FD,     Drag Force o Fuerza de arrastre

Fcen,     Fuerza centrífuga

Fmotrue,     Fuerza del motor que las ruedas ejercen contra el suelo

Ffre,     Fuerza de los frenos que las ruedas ejercen contra el suelo

N,     Fuerzas Normales que el suelo ejerce contra las ruedas (reacción)

Froz,     Fuerzas de rozamiento que el suelo ejerce contra las ruedas (reacción)

 

Este es un proceso reiterativo: como los parámetros son interdependientes, con los resultados obtenidos calculamos las prestaciones del monoplaza.

Hacemos modificaciones geométricas en el monoplaza para mejorarlo y recalculamos.

 Con los resultados calculamos tiempos por vuelta (Lap Time) en un circuito simulado, que también hacemos en CAD, sobreponiéndolo a una imagen de Google / Earth para saber la longitud de las rectas y los radios de las curvas y sus longitudes. Como la masa mínima del monoplaza tiene que ser 640 Kg en el 2012 (incluido piloto, por eso pesan al piloto y al F1), el consumo también influye en la masa total del monoplaza en el momento de la simulación (para una vuelta, la masa m se puede considerar constante pero para la simulación de toda la carrera habría que simular con la masa m variable). En las rectas se acelera y se frena, y en las curvas consideramos velocidad constante (para hacerlo más real con curvas de radios variables necesitaríamos un dibujo vectorizado que no tenemos, y en este caso también aceleraría o frenaría en función de que el radio aumentara o disminuyera). Para resolver una recta tenemos que hacer iteraciones, ya que todas las variables del cálculo dependen de la velocidad instantánea. Si bien Excel, para otros cálculos (motor), viene bien puesto que visualizamos todos los parámetros (datos y variables) cada vez que hacemos un cambio en un dato, no es práctico para resolver iteraciones, Empleamos para ello un lenguaje de programación (se ha realizado con una versión de BASIC). Mediante bucles FOR … NEXT y condiciones IF … THEN … ELSE se resuelven las iteraciones: hay que calcular la velocidad en cada instante y en función de ella la potencia del motor, Fuerzas Drag y Lift, el μroz, la masa m, la fuerza centrífuga Fc = m v^2 / r  para las curvas, etc. Con estos valores calculamos la aceleración instantánea y calculamos la velocidad para el instante siguiente, que puede hacerse para intervalos de 0,1 segundos (ó 0,001 s, total el ordenador lo resuelve inmediatamente). Con la nueva velocidad instantánea recalculamos el resto de variables FD, FL, Fmot, Fcent, etc y volvemos a recalcular la aceleración instantánea. Debemos hacer notar que no es un movimiento uniformemente acelerado: cuando el piloto acelera en una recta la aceleración no es constante, depende de la velocidad en ese instante, pero para pequeños intervalos de tiempo si se puede considerar constante en cada intervalo, sin que afecte a los resultados.

To design a Formula 1 car, follow the following steps:
Geometric Design, is regulated by the rules of the FIA, which generate a CAD program.

Calculation Engine and other mechanical components, also regulated by the FIA, to obtain power, fuel consumption and other parameters. To operate a data sheet such as Excel, to automate and to recalculate all variables depending on the input data.

Aerodynamic Calculation with CAD geometric design make the meshing of the geometry of the car and perform the simulation in a CFD program (Computer Fluids Dynamics), introduced in the Boundary Conditions (Boundary Conditions) some parameters obtained in engine design such as air intake in the engine intake manifold and exhaust and intake air coolers pontoons.

Tires: grip, grip, engine power is transmitted through the rear wheels. The braking, acceleration and cornering limit dependent adhesion of tires and asphalt. The aerodynamic forces and thermodynamics with energies contribute to the effectiveness of the Grip. The coefficient of friction determines the grip critical parameter, since the forces acting on the car are transmitted to ground through the tires.

Dynamics, to raise all the forces involved in every moment and its consequences.
This is an iterative process: calculate the performance data of the car. We geometric modifications on the car to improve it and recalculate:

– Power, fuel consumption and air, and other variables are dependent on the engine performance, which is an estimated data

– Speeds:

– In straight, depends crucially on the power of the engine and the drag force (Drag Force).

– In turn, the key parameters are the lift force (Lift Force), which must be negative to push down to the car and is known as Down Force and the coefficient of friction between tire and asphalt, which is also an estimated data .

With these data we calculate lap times (Lap Time) on a simulated circuit, we also do CAD, superimposing an image of Google / Earth to find the length of the lines and the radii of the curves and their lengths. As the minimum mass of the car has to be 640 kg in 2012 (including pilot, so weigh the pilot and F1), consumption also influences the total mass of the car at the time of the simulation (for a spin, the mass m can be considered constant but for the simulation of the whole race would have to simulate the mass m variable). In the lines are accelerating and braking, and cornering consider constant speed (to make it more real with variable radius curves need a vector drawing that we have, and in this case also accelerate or slow down depending on the radius increased or decreased). To resolve a line have to do iterations, since all calculation variables dependent instantaneous velocity. While Excel, for further calculations (engine), comes well as visualize all parameters (data and variables) every time we make a change to a data, it is not practical to solve iterations, We used to do a programming language (it made with a version of BASIC). By FOR … NEXT loops and conditions IF … THEN … ELSE iterations are solved: we must calculate the velocity at each moment and depending on engine power it, Drag and Lift Forces, the μroz, the mass m, the centrifugal force Fc = mv ^ 2 / r for curves, etc.. With these values ​​we calculate the instantaneous acceleration and calculate the speed for the next moment can be done to intervals of 0.1 seconds (or 0.001 s, all the computer solves it immediately). With the new instant speed recalculate the other variables FD, FL, FMOT, Fcent, etc. and return to recalculate the instantaneous acceleration. We should note that there is a uniformly accelerated motion: when the driver accelerates in a straight line acceleration is not constant, depends on the speed at that moment, but for small intervals of time if it can be considered constant in each interval, without affecting the results.
Calculation errors:

η, Engine Performance, estimated data

Errors of the mesh, the CFD consume much computer memory and processing speed

CFD errors are mathematical models that approximate reality

μroz, Coefficient of Friction of Tires, estimated data

Errors remaining calculations are also mathematical models that approximate reality

In any case, it serves to simulate prototypes, holding constant the parameters of the engine and tires, and see which is more aerodynamically efficient, regardless of the effects of small aerodynamic car parts.

F1 3

F1 3

F1 4

F1 4

F1 5

F1 5

F1 6

F1 6

Una respuesta

  1. Daniel

    Hola, tu blog esta muy bien, lo que mas interesante me ha parecido es lo de las simulaciones, ¿podrias pasarme esa hoja Excel que usas para aprender a calcular las cosas? yo quiero hacer Ingenieria de la Automoción para poder aprenderlo todo, seguramente en el extranjero, en Inglaterra, que es donde más universidades hay, por ahora voy alimentando mi curiosidad con grado medio y grado superior de mecánica del automóvil, ya solo me queda un año y podré entrar en la uni.

    He encontrado una pagina donde vienen muchas cosas, a ver si me hago con varios libros de dinámica vehicular para ir aprendiendo cosillas.

    http://www.zonagravedad.com/modules.php?name=News&file=article&sid=741&mode=thread&order=1&thold=0

    Buen blog! Chao!

    25 julio, 2014 en 17:25

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