DINÁMICA DE UN VEHÍCULO DE COMPETICIÓN

Autor: Adrián Lozano, Víctor

Director: Jimenez Otavio, Jesús Ramón

Tutor: Serrafero, Patrick

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

Cuando se habla de un vehículo de competición, se habla de su eficiencia y

rendimiento. Estas prestaciones vienen dadas por el motor y su comportamiento y pista.

La entidad del EPSA tiene como objetivo la participación en el Formula Student,

una competición automovilística de nivel universitario que se celebra cada año en

diferentes países de todo el mundo y en la que compiten universidades de diferentes

rincones del globo.

Más precisamente, el EPSA, es un equipo fundado en 2002, que, a lo largo de su

historia ha creado vehículos de competición para participar en diversas competiciones.

Los dos últimos, Dinamix y Atomix, ya participaron en el Formula Student, en Italia, al

igual que hará el nuestro, Kinetix. El objetivo del EPSA es promover la ingeniería

mecánica y del automóvil.

Kinetix es un vehículo cuyo objetivo es alcanzar una eficiencia tal que pueda

llevar a la escudería a alcanzar las más altas posiciones del ranking. Su peso es de 220kg.

Con una batalla de 1580mm y un tren de aproximadamente 1200mm.

Se trata de un vehículo con un presupuesto de alrededor de cien mil euros, más de

2000 piezas ensambladas y 27 alumnos de diferentes partes del mundo y de diferentes

estudios participando en este proyecto.

Estos 27 alumnos, de promoción entrante 2014/2015 en el École Centrale de Lyon,

se dividen en cinco proyectos de aplicación:

Chasis/Carrocería

Contacto al suelo

Interacción hombre máquina

Motorización

Polo de finanzas y comunicación

Este último ha sido puesto en práctica por primera vez este año con el fin de

gestionar facturas, y buscar acuerdos con socios y patrocinadores para la escudería.

La política del equipo, trata de tener un 20% de mejora respecto al vehículo

predecesor, para poder así evolucionar más rápido que la competencia e ir alcanzando

mejores puestos de pódium. Para ello el proyecto comienza con un análisis exhaustivo

realizado durante los primeros meses para ver en qué puntos se puede avanzar con

soluciones concebibles en función de las capacidades de los alumnos integrantes del

equipo y de la economía y presupuesto de la escudería.

Varias soluciones tecnológicas fueron propuestas desde un inicio. Algunas de

ellas fueron aceptadas mientras que otras fueron inevitablemente desechadas,

normalmente por un comité de antiguos alumnos del EPSA que son los que nos aconsejan

sobre las labores más técnicas.

Es innovador gracias a su chasis mejorado, con líneas más suaves y

aerodinámicas, más resistente al estar mejor triangulado, y menos pesado pues se ha

optado por eliminar la célula trasera del mismo, dejando así la transmisión desprotegida.

La suspensión ha visto reducido su peso, con un nuevo sistema de resortes a aire, en lugar

de helicoidales mecánicos, y además se ha integrado dentro del chasis, lo que favorece la

aerodinámica y la llegada de aire al refrigerador. Posee por primera vez una barra

estabilizadora en Z. La electrónica también ha mejorado con cartas gráficas dibujadas a

mano para un mayor rendimiento.

En resumen, tenemos un vehículo, con el mismo peso que el año pasado, sin

utilizar tal cantidad de fibra de carbono, con un menor centro de gravedad y con un mayor

refinamiento global.

A finales de julio 2016, Kinetix participará en la competición Formula Student

Italia. Un evento que se celebra en el circuito Riccardo Paletti y que consiste en un

conjunto de pruebas muy diversas en las que no solo se evalúa la calidad del propio

vehículo sobre la pista, sino también la eficiencia, el conocimiento de los integrantes de

la escudería y la labor de ingeniería en general.

Para participar, se requieren una serie de documentos adicionales, como son un

estudio de costes, un estudio de diseño y unas especificaciones técnicas del vehículo.

Dentro del equipo, existe una organización interna. El Director es el encargado

de organizar el equipo, distribuir las tareas y gestionar los tiempos. Ha de darnos una

visión cronológica y clarificarnos el estado del proyecto en cada momento.

El Jefe Técnico es el encargado de tener un punto de vista global del vehículo.

No ha de ser experto en ningún órgano particular del vehículo pero sí ha de entender el

funcionamiento básico de los mismos y verificar que de una manera global que el coche

es funcional y que no existen problemas de interacción entre sub-sistemas que puedan

afectar al rendimiento, al ensamblaje o a la construcción.

Este proyecto se desarrolla durante dos largos años. La meta final es la

participación en esta competición. Para ello el proceso se divide en dos etapas muy

marcadas. La concepción y el desarrollo. Todo el proceso evolutivo se resume gracias al

llamado Ciclo en V, un esquema de la metodología que sigue la escudería y que planifica

el proyecto en sí. Los ‘’deadlines’’ o TOP’s son fechas claves en las cuales se establecen

unos objetivos claros a cumplimentar y presentar delante de directores, tutores

pedagógicos y antiguos miembros de la escudería.

Ilustración 1 del Resumen: Ciclo en V

La validación de uno de estos TOP’s da comienzo a la etapa de preparación del

siguiente, pero su incumplimiento podría producir un grave retraso y la cancelación del

proyecto si es que se cree conveniente. Como podemos ver en la imagen, existen tres

TOP’s que destacan respecto al resto, el TOP Projet, el TOP copeaux y el TOP Musée.

Estos marcan el inicio, el punto de inflexión y el final del mismo.

El TOP Projet da inicio a la etapa de concepción. Descendiendo hacia el top

Copeaux lo que indica que vamos de un punto de vista global hacia un punto de vista más

particular, se pasa de enfocar el sistema a enfocar cada una de las piezas, tornillería

incluida.

Así llegamos al TOP Copeaux, sin duda el punto de inflexión, no solo en el

gráfico sino también en la experiencia real. El vehículo comienza a construirse si el

director considera que dicho TOP ha sido validado. Para ello una maqueta numérica

realizada en Catia es necesaria en la que todo es funcional y construible. En la etapa de

ascensión del Ciclo en V volvemos a tener un punto de vista más global del vehículo hasta

llegar al TOP Musée donde el vehículo es validado por un piloto profesional para

participar en la competición.

Ilustración 2 del resumen: Test de comportamiento de los resortes Cane Creek

DBAir CS

Estos TOP’s permiten caminar a través de las diferentes fases del proyecto. Todo

el primer año se trata de una etapa de concepción. En ella se profundiza en la comprensión

del propio sub-sistema. Con el comienzo del segundo año, la concepción da paso a la

modelización y al diseño 3D o construcción de la maqueta. La aprobación de la maqueta

da inicio a la batalla logística o periodo de aprovisionamiento de materiales. Se trata de

un periodo crítico pues se depende de terceros para que el vehículo llegue a tiempo y por

eso se ha de ser especialmente cuidadoso.

Posteriormente, se procede a la construcción e integración del vehículo. Antes de

ello se da el visto bueno a todas y cada una de las piezas y ensamblajes. Esta es sin duda

alguna la etapa más corta.

Una vez construido el vehículo, está listo para sus primeros rodajes. Cuanto antes

se llegue a este punto mejor, pues la validación por un piloto profesional marca el inicio

del periodo de ensayos.

Y, finalmente, los ensayos dan paso a la competición.

Para cada una de estas fases, se nombra a un director. Existe un director de

logística, de ensamblaje, uno de ensayos y uno de pista, encargados de gestionar la etapa

correspondiente.

En pos de lo académico, el ECLyon organiza unos ‘’rendez-vous’’ o reuniones en

las cuales se presenta el avance del coche, desde un punto de vista muchos menos técnico

que lo que se haría para la propia escudería. Se apuesta por un desarrollo pedagógico

como cabe esperar. Por su parte, la escudería tiene otras expectativas. Esperan resultados,

puesto que detrás del equipo hay por supuesto una serie de socios y sponsors o

patrocinadores que invierten en el coche y que obviamente quieren resultados de nuestra

parte también para seguir conservando dicho patrocinio. Ambos puntos de vista tienen

que resultar compatibles.

Dentro de este equipo, este proyecto hace hincapié en uno de estos cinco

subsistemas, el del contacto al suelo.

El órgano de contacto al suelo es el que determina la dinámica del vehículo, y

es el que diferencia a unos vehículos de otros. Un contacto al suelo bien concebido puede

ser la diferencia entre la victoria y la derrota. Este sistema lo dividimos, para su estudio

en cinco partes. La dirección, el buje y porta buje, los triángulos, el sistema y el circuito

de freno, los neumáticos y finalmente la suspensión y la barra estabilizadora, de los cuales

me ocupo yo en particular.

El objetivo final es conseguir que el vehículo se adhiera a la carretera

trabajando en las condiciones óptimas en cada una de las diferentes situaciones para

así poder alcanzar las mayores velocidades en pista.

Al ser, de los cinco sistemas del vehículo, el más técnico, la etapa de concepción

es especialmente dura, ya que requiere muchos cálculos matemáticos de cinemática y

dinámica para su posterior modelización y una profunda compresión del comportamiento

de un vehículo. Normalmente, los miembros de cada sistema acostumbran a reunirse, más

allá de las sesiones habituales, para discutir y profundizar sobre el funcionamiento del

mismo. Se exponen problemas y avances, y se ayuda a aquel que lo necesite. Existe un

fuerte componente de trabajo en grupo, y está claro que un buen ‘’espíritu de equipo’’

es esencial.

Durante la etapa de diseño, el cúmulo de trabajo sigue siendo muy alto, ya que en

su mayor parte, las piezas del sistema contacto al suelo, son piezas ‘’custom’’, realizadas

a medida y con muchas superficies funcionales, por lo que requieren unas formas

específicas.

Ilustración 3 del resumen: Maqueta de Kinetix en Catia V5

La integración, por su parte, se lleva a cabo, no sin antes haber realizado un

recuento exhaustivo de piezas, en las diferentes instalaciones de la escudería o escuelas

asociadas. Si bien el vehículo descansa en la plataforma ISYPro, situada en las

instalaciones del liceo Emile Béjuit de Bron, los órganos del contacto al suelo se

ensamblan en otro entorno para verificar nuestra conformidad antes de ser integrado

definitivamente.

Todo se prepara para que esta etapa sea lo más rápida posible. Manuales de

montaje, control de validación y de conformidad y control de utillaje. Sin embargo, se

trata sin duda de la etapa más emocionante, pues por primera vez el trabajo realizado tras

la pantalla de ordenadores durante tanto tiempo toma forma por primera vez.

Para alcanzar y cumplimentar nuestros objetivos, hemos hecho uso de varios

instrumentos, no solo puramente técnicos, como pueden ser Catia o Ansys, sino que

también, algunos programas ofimáticos más habituales, muy útiles en las tareas de

gestión.

Para lograr una mayor coordinación, tenemos también a nuestra disposición

muchas páginas web asociativas propias de la escudería que tenemos que poner al día

para que las generaciones futuras tengan el ‘’feedback’’ de nuestro trabajo que tanto

anhelamos. Normalmente están realizadas en código wiki y son instrumentos asociativos.

A día de hoy los resultados son satisfactorios. Kinetix es un vehículo funcional

y las piezas concebidas han sido hechas realidad con éxito, respondiendo a nuestras

expectativas.

El vehículo gira bien, es ágil, frena mejor que cualquier otro concebido hasta la

fecha, los resortes de aire no parecen dar problemas y todas las piezas soportan todos los

esfuerzos a las que se han visto sometidas. Se trata también de un vehículo mucho menos

costoso que sus antecesores.

Ilustración 4 del resumen: Kinetix finalizado con su carrocería

RACE CAR VEHCILE DINAMICS

Author: Adrián Lozano, Víctor

Directors: Jimenez Otavio, Jesús Ramón

Menthor: Serrafero, Patrick

Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

When we talk about a racecar, we refer to efficiency and performance. The

engine gives the performance, but it also depends in a big way, on how the vehicle

behaves on the track and its overall equilibrium.

The EPSA is a racing team whose main objective is to participate in the Formula

Student. An automobile competition between different universities from all over the

world. It takes place every year in various parts of the world and the objective is to show

the automobile’s engineering of college students.

More precisely, the EPSA is a team founded in 2002, and through its history, it

has supported the creation of 16 vehicles up to date, in order to compete in different events

and winning even more prices. The last two vehicles, Dinamix and Atonix, have already

participated in the Formula Student Italy, where our car, Kinetix, will participate as well

in July 2016. EPSA’s objective is to promote the mechanic and automobile engineering.

Kinetix’s goal is to achieve high efficiencies in order for the team can to get

highest places in the ranking and, eventually, be placed at the podium. Its weight is 220kg,

with a 1580 mm wheelbase and approximately a 1200 mm track.

This vehicle was built with a hundred thousand euros budget. The assembly

integrates more than 2000 parts. Each of them designed and chosen by a group of 27

students from different parts of the world and different study areas , but sharing the love

for the automobiles.

These 27 students, prom 2014/2015 in the École Centrale de Lyon, are divided in

five application projects:

Chassis/Body

Suspension

Human-Machine interaction

Motorisation

Fin’&Com’ Pole

This last one has been presented this year. The goal is to manage bills and to look

for new partners, sponsors and associates.

The team’s politics stands for a 20% gain in improvement every year regarding

the previous cars, so that we can improve faster than our rivals do and achieve better

results, and eventually get to podium scores. For this, we carry a meticulous analysis of

previous cars and from different cars from the competition or any

technological solution from the F1 that could be implemented to our car to

improve the performance. Of course, we always keep the team capacity and budget in

mind.

At the beginning, we proposed quite a lot of new solutions or innovations. Some

of them resulted to be interesting, and obviously, some others not so much. As we were

beginners at this time, it was usually, the veterans the ones helping us to decide whether

if the idea was good or not and whether if it was conceivable or too hard.

This car is innovative, thanks to its improved chassis, with smoother lines and

improved aerodynamics. More resistant because of its better triangulation. Less weighted,

as there is no rear cell leaving the transmission uncovered. The suspension has been

lighted in weight terms, as a new system of air springs has been implemented instead of

classical and mechanical springs. What is more, front suspension has been integrated

inside the chassis to improve aerodynamics and enhance the quantity of air that the

refrigerator receives. It has as well a new anti-roll bar system with a Z bar that works in

flexion and not in torsion as usual. Finally, the overall electronics are much more refined,

with graphic cards made ‘’custom’’ for a better performance.

To sum up, our car may have the same weight as last year’s car, but all this with

much less carbon fibre parts, a lower centre of gravity and a better global performance.

For the end of July 2016, Kinetix will compete in the Formula Student Italy 2016.

This event takes place in Riccardo Paletti’s circuit. It consists on several events of

different types where the car’s quality is evaluated. Not only in terms of performance, but

also in terms of efficiency, knowledge, design and engineering work in general.

In order to participate in this competition, there are some additional documents

required. First, there is a cost report to be presented, as well as a design report and a

technical card present the specifications.

Inside the team, there is also a specific organisation. The Director is the leader

charged to organise the team, distribute tasks and manage the chronology of the project.

He has to give as this sense of time and clarify the situation at every moment.

The technical Manager has to have an overall point of view of the car. He does

not have to be expert in any system in particular but he has to understand the basics of

every one of them. He needs to check that there is no contact between any of the systems

as well. This could rise big problems for the performance or even the assembly stage.

This project lasts two long years. The final stage is the competition. We divided

the process in two years and two main stages, the conception and the development. All

the evolutionary process can be resumed thanks to the V Cycle, which is a managerial

tool scheming the team’s methodology and planning the project. It exists some deadlines

or ‘’TOP’s’’, which are specific dates when some objectives have to be achieved and

presented to the team in front of the directors, mentors and old members of the team.

Illustration 1 Summary: V Cicle

The approval of one of these TOP’s leads to the preparation of the following steps.

Any failure can give raise to a great delay or even the project’s annulation if the failure

happens to be convenient and critical. As we can appreciate in the picture, three TOP’s

are highlighted from the rest, the TOP Projet, the top Copeaux, and the top Musée. They

announce, respectively, the start, the inflexion point and end of the project.

The TOP Projet, points out the start to the project. The conception period starts

and as we go down by the V cycle, we go from a global point of view up to a more

particular point of view, focusing in each one of the parts, bolts and screws.

That is how we reach the TOP Copeaux. This is the turning point, in both the

graphic and real life. This is when the director gives his approval to start building the car.

At this important TOP, we present the numerical mock-up conceived in CATIA, where

we demonstrate everything is practicable and there are no interactions between the

systems. Then we start the rise, in direction to the TOP Musée and having back a global

point of view as the vehicle is already built by that time.

Illustration 2 Summary: Cane Creek DBAir CS Springs test

These TOP’s help to walk along different stages of the project. During the first

year, as we said, it consists on a conception period where we deep ourselves into our own

system or sub-system comprehension. The second year, the conception leads to the

modelling and 3D design or the mock-up construction. The approval of this mock-up

gives start to the logistic battle, when we have to make the supply of all the materials that

we will need for the car’s construction. It is a very critical period as it depends of other

people and we have to take care of this if we do not want to have serious delays.

Afterwards, the construction and integration of the car starts once everything has

been checked and every part responds to our expectations. Undoubtedly, this is the

shortest period.

Once the car has been built, the first tests take place. It is important to get to this

point as soon as possible so that we can make as many tests as possible and so have a

more prepared car before the competition.

Finally, the tests lead to the Formula Student.

For each one of these different stages, a new stage director is named. There is a

logistic manager, an assembly manager, another one for the tests and another one for the

track, and they have to manage each stage.

From the pedagogical point of view, the ECLyon organises some appointments in

which we present the car’s evolution, in a less technical point of view. At the same time,

the team’s director has a different approach, so sometimes the requests become confusing

and they mix ones with others. These last, are of course interested on getting good results,

to keep sponsors and partners happy, and to justify their investment, so as we can preserve

the partnership.

In this work-study, I am going to talk in depth about one of the five systems, the

vehicle dynamics.

The vehicle dynamics study is essential for a well-tuned vehicle. The element

that distinguish the best cars from those, which are not that good, as the engine does not

make much of a difference in this competition. We have divided this system into five sub-

systems in order to make its study easier: steering, hubs, A-arms or wishbones, the

breaking system, the pneumatics, and finally the suspension and anti-roll bar system,

which I was in charge to conceive.

The final objective is to have a vehicle that can stick to the road at every time,

working always in the optimal conditions in every of the different situations so that it

can achieve the highest speeds on track.

Out of the five systems of the vehicle, the most technical of them, the conception

stage is specially hard, as it requires a deep comprehension and a lot of mathematical

models for the cinematics and dynamics before doing a mock-up or a three dimensional

model. The members of all the sub-systems tend to gather, not only on the usual meetings

organised by the team but in personal meetings, in order to discuss and debate about their

study and the way the system works. All the problems are exposed, as well as the

advances, and then a hand is lead to whoever needs it. There is a strong work component

and the ‘’work belonging sensation’’ is essential.

During the design period, the amount of work is still very high, because, most of

the parts of this system require 3D design, as they have to be customized parts. These

parts need specific forms and have many functional surfaces so they have to be carefully

conceived.

Illustration 3 Summary: 3D mock-up in Catia V5

The integration takes place, after a very exhaustive part recount, in the different

headquarters of the associate schools of production. However, the car always stays in the

ISYPro platform, in the Emile Béjuit installations. The vehicle’s dynamic organ is

assembled out of this place in order to control the conformity of all of us before being

integrated in the car.

We prepare everything so as this stage can be as fast as possible. To do so, we

make some assemble, validation control, conformity and tool manuals. However, this is,

with no doubt, one of the most, or the most exciting stages of all as we can see for the

first time how the work we have been doing at our computers for so long starts taking

form.

In order to achieve our objectives, we have made use of several instruments, not

only and purely technical, as Catia or Ansys, but also, some office programs, more

common but at the same time very useful for managing work.

In order to achieve a better coordination, we have at our disposition many web

sites that the team owns and help us in every stage of the project. We work daily on them

in order to capitalise the knowledge and making out of them a sort of encyclopaedia where

future generations could go and check if they have any doubt. It is a very good way to

give feedback and register it. They are usually presented with wiki code and they are

associative tools.

Now, we find out that the results are very satisfying. Kinetix is a functional car,

it rolls and there are no major problems. All the parts respond to our expectations, and

they represent firmly the 3D design of the mock-up.

The car steers very well, it is agile, and it breaks better than any other vehicle up

to date, the air springs do not seem to generate any kind of problem and the whole

structure seems to resist all the efforts, and no breakdowns have appeared so far. What is

more, it is a success costing much less than the previous car.

Illustration 4 Summary: Kinetix with the body