Sala Stampa F1

Ángulo de Rake en un F1. Obra maestra que nos regalan Enrique Scalabroni y Timoteo Briet Blanes.

1) Concepto de Efecto Suelo en monoplazas de Formula 1: 

El fondo del chassis o suelo, debe ser plano por Normativa técnica; es la parte inferior del chassis que se extiende desde el comienzo de la llamada bandeja, hasta el inicio del difusor. La superficie inferior de los 2 pontones laterales e incluso la del propio suelo, originalmente podía ser curva, como cuando Colin Chapman creó el Lotus 78 y el Lotus 79:

Cuando un automóvil se desplaza a una cierta velocidad sobre una superficie fija (superficie asfáltica del  circuito) en  un  medio  gaseoso  como  es  el  aire, y existiendo una  cierta  distancia de  despeje entre ambas superficies, se produce una reducción importante en la presión estática (por debajo de la presión atmosférica)  entre las  paredes  del  conducto y  la superficie del  circuito, que genera una fuerza vertical (DWF downforce) que empuja al chassis hacia abajo; esta fuerza es proporcional a la presión estática en la superficie del fondo del automóvil y de sus 2 pontones laterales, multiplicada por la sección total de esa placa. Ese  efecto  debido a  la  velocidad  del  automóvil que  genera  en  el  conducto  una  presión  negativa respecto a la presión atmosférica, se conoce con el nombre de Efecto Suelo.

Debemos  tener  en  cuenta  que  la  razón  del Efecto Suelo se  produce  por 3 razones Físicas  o simplificaciones numéricas de la realidad: el Principio de Bernoulli, la Ecuación de continuidad y Efecto Venturi (que deriva de los 2 principios anteriores). El difusor empieza cuando el suelo plano acaba, aumentando la sección o área de paso; el difusor se encarga  de  “difuminar”  la  presión,  aumentándola  progresivamente  hasta  llegar  a  la  presión  atmosférica que rodea al coche.

La ecuación de continuidad nos describe la uniformidad en cuanto a caudal de un flujo dentro de un conducto. Si dentro de ese conducto no existe ninguna  apertura que permita entrar o salir fluido del conducto, el  flujo de la  masa entrante de aire será igual al flujo de la masa  saliente del total conducto. Recordemos que estamos tratando con velocidades del automóvil que son del orden de Mach 0.3, por lo que el fluido se puede considerar como incompresible. Por el Principio de Bernoulli, para un flujo másico constante, la energía total permanece constante a lo largo de una  línea de flujo que atraviesa el conducto, por lo que si la sección disminuye en una parte del conducto, la velocidad aumentará en esa parte del circuito y por ende la presión disminuirá.

La downforce generada por el efecto suelo, es importantísima por cuanto es una fuerza que no tiene  inercia;  además,  esta  fuerza  es  esencial  ya  que  comprime  la  parte  elástica  del sistema  de suspensiones  y  por  consecuencia  comprime  los  neumáticos contra  el  suelo,  aumentando  la  fuerza  de fricción entre la huella de contacto y el asfalto. Conviene recordar  que  antes  del  efecto  suelo,  los automóviles de  F1  generaban aceleraciones laterales de aprox. 2 g laterales y 2,8 g en frenada, mientras que el Lotus 79 fue muy efectivo y generaba aprox. 2,8 a 3 g laterales  y 3,5 en  frenada,  valores que crearon una  gran diferencia en eficiencia  y que desde ese momento, cambió radicalmente el diseño aerodinámico de los automóviles de competición.

Es importante indicar que NO es necesario utilizar un piso curvo, porque el sistema mas efectivo es utilizar un fondo plano, seguido de un difusor, porque permite una mayor estabilidad del flujo que circula debajo del automóvil y mantiene una presión negativa media más baja. Esta  fue  la  razón  porque  los  Williams  FW07  fueron  más  eficientes  que el Lotus 80,  ya  que  Patrick Head fue el primer  Ingeniero que diseñó el piso plano en ambos laterales y un difusor de larga distancia con un ángulo del difusor de  máximo 7 a 10 grados, para mantener la capa límite adherida las paredes del difusor.

El rake o pitch, se define como el ángulo que forma el suelo del coche con el asfalto; cuanto más grande sea este ángulo, más downforce va a generar el coche; pero este ángulo tiene un límite para cada diseño del automóvil; para poder alcanzar grandes rakes, es necesario que tanto el suelo como el difusor, trabajen de forma conjunta óptimamente  y ello, lógicamente, es complicado; hay  muchas  variables que intervienen en esta optimización: dimensiones del suelo y difusor, áreas de entrada y salida del suelo y del difusor, alturas, relación de expansiones del suelo y del difusor, etc….

Un mal diseño en el conjunto suelo-difusor, puede producir el llamado purpoising: se produce cuando se crea un tapón viscoso a alta velocidad, no pudiendo pasar más aire a través del suelo, perdiendo la carga, cosa que hace aumentar la altura de despeje, volviéndose a generar una alta fuerza vertical. Esto crea un movimiento  sinusoidal  con  una  cierta  frecuencia  que  crea  problemas  de  estabilidad  en  el  automóvil, problema que obligó a Colin Chapman a usar muelles muy rígidos para controlar esta oscilación en alta velocidad  y  en  curvas  veloces,  que a  su  vez crearon  el  problema  adicional  de  hacer  trabajar  los neumáticos con alta amplitud de oscilación, no permitiendo resolver el problema.

A modo de resumen: la circulación de aire por debajo del suelo, sigue el siguiente camino: entra por  la  parte  delantera  del  suelo  y  se  acelera  al  reducirse  la  sección de  paso,  sigue  por  debajo  del  suelo produciendo  baja  presión  que  succiona  el  coche  hacia  abajo  (downforce),  llega  al  difusor  y  sale  por  la parte trasera del coche; pero cómo es posible que el difusor extraiga o produzca fuerza para arrastrar el flujo de aire si en el difusor hay “más presión” que en el suelo? La respuesta es que en la transición entre el  suelo  y  el  difusor,  justo  en  esa  especie  de  esquina,  se  produce  el  denominado  “crack  pressure”  que como su nombre indica, genera una bajada muy brusca de presión, y esta baja presión, es la responsable de succionar el flujo de aire y hacer que todo el aire que se introduce por la parte frontal del suelo, recorra todo él. 

A  continuación  se  presentan  algunas  vistas  del  automóvil que  hemos  utilizado  (Fórmula  E), para verificar  la  distribución  de  presiones  en  el  sistema  suelo-difusor,  explicada  anteriormente,  mediante análisis CFD (Velocidad de ensayo: 250 km/h, 1º de rake, llantas y neumáticos rotando):

La zona “A” es la zona del suelo, “B” es justo el citado “Crack pressure” o “braking line” (línea de quiebre) y “C” es la zona del difusor; se ve perfectamente lo explicado: “B” baja presión acentuada, más presión en “C” que en “A”; de hecho, el difusor produce poca carga global, en comparación al suelo:

En la siguiente imagen del suelo del Fórmula E, se aprecia en forma de colores, lo mencionado anteriormente:  en  azul,  se  observan  las  zonas  de  baja presión;  esto  es:  inicio  del  suelo  (aceleración  del flujo de aire) y principalmente zona del Crack pressure:

2) Comparación Global Analítica entre un monoplaza de doble set-up (Alto Rake), respecto a uno de single set-up (Bajo Rake):

 El análisis se realiza en base a los siguientes set-ups impuestos sobre un modelo básico de un F1.

Otras imágenes del automóvil analizado (los datos técnicos de las simulaciones CFD se exponen al final del Artículo):

a) Monoplaza en condición de Alto Rake (doble set-up):

El sistema de un automóvil de competición de doble set-up aerodinámico o de alto rake consiste en un automóvil que presenta un cambio básico en el Concepto del diseño de automóviles de competición, ya que es un automóvil que funciona con 2 set-up Aerodinámicos en el mismo automóvil, por lo que necesita un sistema de suspensiones posterior que trabaje con una doble rigidez vertical y una suspensión anterior que  permita un  preciso  control  de la  altura  de  despeje,  provisto  de una amortiguación  combinada  para actuar en los 3 estados: 1) Movimiento en heave (movimiento vertical de la masa suspendida sin rotación en  eje  Y) y  en  frenada (controlado por  el 3er  elemento), 2)  Movimiento  en curva  para  amortiguar  el movimiento en roll, y 3) Movimiento para controlar la amortiguación de cada rueda a alta frecuencia  y ante impacto contra los cordones disuasorios. 

El sistema elástico de la suspensión anterior está provisto de 2 barras de torsión instaladas en el eje de cada balancín (rocker), que soportan la carga estática del automóvil y las variaciones de cargas dinámicas provenientes de la carga aerodinámica (DWF = downforce), las perturbaciones del circuito y los estados de frenada, curva, aceleración y sus combinaciones, permitiendo un preciso control de la altura de despeje y el grupo de amortiguadores permiten disipar la energía acumulada por las distintas variaciones de carga que  sufre  el  automóvil  en  su  desplazamiento  en  el  circuito. Además cuenta  con  una  barra  anti-vuelco (anti-roll bar) para minimizar el ángulo de balanceo (roll angle = ángulo de balanceo) del automóvil.

Es  de  notar  que  todos  estos  elementos  son  comúnmente  usados desde  hace  ya  varios años en  los automóviles  de competición,  pero  en  el  caso  de  este  automóvil, su  funcionamiento  deben permitir un correcto  funcionamiento  tanto  en  el  estado  de  bajo  rake  (durante  rectas)  y  en  el  estado  de  alto  rake (durante el  momento de  frenada  y en el  momento de circulación dentro en curva (especialmente en las curvas lentas), por la razón que este automóvil permite grandes variaciones de altura de despeje en el tren posterior. La suspensión posterior, cuenta también con elementos similares para el control de la altura del tren posterior, en primera medida el control de la carga estática, mas la variación del DWF y las variaciones de las cargas dinámicas al desplazarse el vehículo en el circuito, similar al caso del tren delantero, pero con valores distintos debidos a la distribución de carga estática y aerodinámica, más el control de la altura de despeje del tren posterior, debido la considerable variación de altura al circular el automóvil en rectas y  en  frenadas  y  curvas (que  es función  de  la  velocidad  del  automóvil),  debiendo contar  con  una suspensión con 2 distintos valores de rigidez vertical, una blanda para trabajar en una altura de despeje que va desde 165 a 85 mm de la masa suspendida posterior y otra de mayor rigidez vertical para controlar la altura de la masa suspendida posterior cuando se encuentra entre 85 y 45 mm.

El automóvil, al frenar, antes de entrar en curvas lentas, aumenta la altura posterior por la transferencia de carga y por la perdida de velocidad, que reduce el DWF, aumentando en este momento la altura del Centro  de  Gravedad  posterior,  llegando  aproximadamente  a  la altura  posterior de  165 mm y 3  mm de despeje frontal.  Debido  a  la  transferencia  de  peso  en  frenada,  el  labio  del  frente  inferior  del  chassis  se acerca a la superficie del pavimento, al punto de tocar o quedar con una luz de 3 mm, reduciendo la altura de despeje del alerón delantero, aumentando el DWF delantero, por razón de Efecto Suelo, que permite reducir la posibilidad  de subviraje (understeer) en  el  tren  delantero por  medio  del  3er  elemento  de  la suspensión delantera que no permite que la altura de despeje del alerón delantero toque la cinta asfáltica y también controlar que el Momento de balanceo creado por la fuerza centrifuga, actuando sobre la masa suspendida a la altura del Centro de Gravedad, que aumenta debido a la mayor altura de despeje del tren posterior (recordar que al aumentar el ángulo de rake, aumenta la altura del motor y la caja de cambios, respecto a la superficie del asfalto debido al rake de 3 grados aproximadamente que el toma el automóvil de alto rake).

Al circular  el automóvil en  curvas  lentas, genera una  alta  transferencia  lateral  de peso  de la  rueda interna  a  la  externa  en  el  tren  posterior, debido al alto  momento  de balanceo (como  se  ha  explicado), descargando la rueda interna y haciendo que el automóvil doble prácticamente con 3 ruedas en las curvas lentas, que son las 2 ruedas delanteras y la rueda posterior externa, facilitando el giro del automóvil, por la  reducción  del  potencial  del grip mecánico del  tren  posterior, por  trabajar prácticamente con  la  rueda externa (que tiene un potencial de grip del orden del 60 % a 70 %, de acuerdo al radio de la curva), y para evitar el patinamiento de la rueda interna (wheelspin), se necesita utilizar un alto porcentaje de bloqueo en el diferencial autoblocante (aprox. 60 % a 65 %).

Como el balanceo del automóvil está controlado por el tren delantero a través del 3er elemento y por la barra anti-roll bastante dura (para reducir el ángulo de roll del automóvil, no permitiendo que el alerón anterior que está muy cerca de tierra toque la superficie del circuito) y para no perder DWF (en la parte del alerón que está en el lado interno de la curva por el ángulo de roll del automóvil). En definitiva, el concepto del alto rake, permite reducir la subviraje (understeer) en curvas lentas. Con esto  el automóvil tiene  un  grip lateral controlado (al  limite  de deslizamiento  lateral  del  tren  posterior), controlado  por  el  piloto de  acuerdo a los  g(s)  de  frenada  y  el ángulo de volante dado  por  el  piloto, manteniendo así controlado  el  porcentaje de sobreviraje (controled  oversteer) del  tren  posterior y reduciendo al mínimo la subviraje (min understeer) del tren delantero. Hasta este momento, no todos los pilotos pueden conducir correctamente este tipo automóvil como puede hacerlo Max Verstappen, debido a que Adrian Newey permitió a Verstappen (quien desde su inicio en F1 utilizó este automóvil) aprender y desarrollar la técnica de conducción de un automóvil de alto rake.


Por esta razón, el automóvil con alto rake puede ser muy veloz en curvas lentas, por permitir un veloz cambio  de  dirección,  sin  sufrir  prácticamente subviraje,  pero existe  el  problema  que al trabajar prácticamente  con una  sola rueda en  el  tren posterior en curvas  lentas, el neumático externo  sufre  un sobre-esfuerzo, que aumenta el consumo del neumático posterior externo, produciendo una posible mayor degradación que  en  un automóvil tradicional  de  bajo  rake, que  tienen  una  menor diferencia de  carga vertical sobre ambos neumáticos posteriores en curvas lentas, donde el automóvil de bajo rake no sobre-esfuerza los  neumáticos  posteriores  en  curva, permitiendo  un  mayor numero  de  vueltas con  un  mismo tren de neumáticos respecto a los automóviles de alto rake. Los automóviles de bajo rake esfuerzan más los  neumáticos  del  tren  anterior,  por  la  razón  de tener  mayor altura  de  despeje  el  alerón  delantero  en curvas lentas y esto hace que genera menos efecto suelo que los automóviles de alto rake, por lo que están más cerca del subviraje crítico.

Analizando ahora el automóvil de alto rake durante el momento de aceleración, a la salida de curvas lentas y en la partida de una carrera y su comportamiento en línea recta a alta velocidad, se observa los siguientes puntos: Para el caso de partida de carrera (en piso seco o húmedo), como también a la salida de curvas lentas, el automóvil de alto rake tiene la altura de despegue en el tren posterior alrededor de 165 mm en partida de la carrera y entre 145 a 150 mm a la salida de curvas lentas, por lo que se entiende que el tren posterior está todavía apoyado en el sistema elástico de menor rigidez vertical (recordar que el automóvil de alto rake  tiene 2 valores de  rigidez  vertical como fue explicado  anteriormente).  Esto  permite  generar  una mayor aceleración lineal, porque al estar apoyado en ese momento el tren posterior sobre una rigidez baja, en ningún momento el automóvil se encontrará en un punto de alta rigidez vertical en el tren posterior, cosa que haría patinar el tren posterior, perdiendo aceleración longitudinal, ya que la suspensión con baja rigidez vertical permite una más alta aceleración longitudinal, con mayor progresividad de aplicación de la  potencia en  aceleración.  Esto  permite una más eficiente aceleración en  piso  húmedo  y  en  pisos con poco grip mecánico.

En el momento de aceleración (al aplicar marchas ascendentes), permite también una mayor eficiencia de aceleración entre marchas, pero recordando que el DWF crece en proporción cuadrática al aumento de la  velocidad  del  automóvil,  el  aumento  de  DWF hará comprimir  rápidamente  el  sistema  elástico  de  la suspensión posterior de menor rigidez vertical, quedando el automóvil después de la 5ta. marcha apoyado sobre el sistema elástico de mayor rigidez, por lo que el gradiente del ángulo de rake comenzará a tender a  un ángulo constante  de  aprox. 1,0  a  1,3  grados,  aunque  si  sigue  aumentando  el DWF,  llevando  al automóvil a una altura de despeje de la masa suspendida posterior por debajo de los 70 mm, reduciéndose el  producto  (Cd  x  A)  y  el ángulo de  incidencia  del  alerón  posterior,  con  lo  que se reduce  el  Drag del automóvil,  por  la  reducción  de la sección  maestra  del  automóvil y  de  su  coeficiente  Cd,  a  la  vez  de aumentar  el  DWF  en  el  tren  posterior  por el  aumento  de  efecto  suelo  debido  a la  cercanía  a  la  cinta asfáltica del difusor posterior por la reducción de la altura de despeje del tren posterior.

Esta reducción del producto = (Cd x A), hace que aumente la velocidad del automóvil y el automóvil entra en un campo similar de set-up Aerodinámico de un automóvil tradicional de bajo rake, con lo que el automóvil no recupera potencia consumida respecto a automóviles de bajo rake, donde la velocidad final depende del valor de la potencia del motor/PU, por esto, si un automóvil tradicional tiene mas potencia de motor/PU, este automóvil será mas veloz en rectas, porque al tener ambos automóviles similar producto = (Cd  x  A),  la  velocidad más alta  la realizará el  automóvil  con  mayor potencia  de  motor/PU,  aunque  si puede el automóvil con alto rake es más veloz en la zona curvas lentas.

En  curvas  veloces,  no  existe  una  gran  diferencia  de  eficiencia  entre ambos automóviles (los tradicionales  y  los  de  alto  rake),  porque  ambos  automóviles tendrán una  altura  de  despeje  del  tren posterior  muy  similar,  porque en el  automóvil  de  alto  rake  su  masa  suspendida  posterior estará ya apoyada sobre la rigidez vertical mas alta, que es similar a la del automóvil tradicional y el DWF es alto y muy  similar, por  tanto  el  difusor  posterior generará un valor  de  efecto  suelo muy similar,  como así también  el  alerón  posterior, por  tener  en  esa  posición  del  circuito  un ángulo de  incidencia  bastante parecido (teniendo  en  cuenta  que consideramos, a  efecto de simplificar  el  estudio, que  trabajamos con alerones similares que generan similar DWF, drag y eficiencia aerodinámica).      

b) Monoplaza en condición de Bajo Rake:    

Para simplificar el estudio del automóvil de doble set-up en su comparación con uno de single set-up (aquellos con aerodinámica de bajo rake), realizamos un estudio aerodinámico en CFD, considerando un mismo  automóvil y variando  solo  el ángulo de rake  de  1.0  a  3.0 grados  para  determinar  la  respuesta Aerodinámica al cambio de ángulo de rake, como sucede en los automóviles de alto rake en momentos de frenada y en curvas lentas y consideramos un ángulo de rake de 1.0 a 3.0 para el automóvil cuando circula en  rectas  de  alta  velocidad (donde  funciona  con  bajo rake), y  solo  realizamos simulaciones  en  CFD  en ambos valores de alturas de despeje, o sea que considerando estados fijos y constantes.

Es importante hacer notar que al variar el ángulo de rake de 1.0 a 3.0 grados, el primer punto que se observa es el desplazamiento del  Centro  de Presión Aerodinámico de  43.4  %  en  el  eje  delantero en  el automóvil con 1.0 grado de rake y 53.1% para el automóvil de 3.0 grados de rake. Esto nos hace ver que al variar el valor de efecto suelo en el alerón delantero (y en la parte delantera del suelo) por reducirse la altura  de  despeje  y  la  consecuente  perdida  del  DWF  en  tren  posterior  por  el  aumento  de  la  altura  de despeje  en  el  tren  posterior,  hace  que  el  difusor posterior pierda  efecto  suelo,  con  lo  que  el  balance Aerodinámico varía,  por  el  aumento  proporcional  del  DWF  en  el  tren  delantero  y  la  perdida  en  el  tren posterior.

La primera imagen corresponde a 1.0 grado de rake y la segunda a 3.0 grados; el color azul indica baja presión y el rojo alta presión; es evidente que a 3.0 grados, el color azul aumenta considerablemente:

Además, no sólo aumenta la carga del alerón frontal, sino como hemos dicho, también lo hace la parte inferior del nosebox (nose = morro = trompa) que trabaja como un difusor delantero y con esto podemos  calcular la  posición  respecto  al  eje  X,  del Centro  de Presión  del automóvil  con  1.0  grados  de  rake  y compararlo  con  el  automóvil  con  3.0  grados  de  rake,  donde  se  observa  que el centro  de presión del automóvil con 3.0 grados de rake se desplaza hacia adelante, respecto a la posición del automóvil con 1.0 grado de rake. 

Esta  diferencia  de  carga  o  mejor  dicho  de  distribución  de  carga,  se  aprecia  calculando  las  líneas  de corriente por debajo del conjunto suelo-difusor (primera imagen corresponde a 1º y la segunda a 3º):

Podemos observar que el automóvil de doble-set up al circular en rectas, al salir de las curvas lentas y al aumentar la velocidad, se reduce el rake (también en curvas veloces), pero en estas curvas el automóvil con doble set-up tiene un rake levemente mayor al del automóvil con single set-up. Analizando de esta manera, podemos clarificar el hecho Físico del comportamiento Aerodinámico del automóvil al variar el rake, por el incremento del DWF debido al aumento de velocidad. Si  analizamos  las  presiones en  la  parte  inferior  del  fondo  del automóvil,  en  particular el difusor,  se observan grandes diferencias; vamos a calcular los perfiles de presiones en 3 secciones longitudinales A,B y C:

Veamos ahora los perfiles de presión (la primera imagen corresponde al rake de 1.0º y la segunda a 3.0°.  El inicio  de  las  gráficas corresponde,  como  se  ve  en  las  secciones  calculadas,  al  inicio  del  suelo plano, mientras que el final corresponde al final del difusor en su caso:

Una  de  las  cosas  más  interesantes  que  podemos  apreciar  en  estas  2  gráficas, es  la  gran  baja presión (pico  verde  hacia  abajo en  la  parte  derecha)  que  se  produce  a  1.0º  de  rake;  este  pico  corresponde  al llamado crack pressure justo en el inicio del difusor (o sea en la línea de quiebre o “braking line”).  A 3.0º de rake, el pico descendente es mucho menor; la razón ya la hemos explicado que el difusor no funciona por la mayor altura de despeje en el tren posterior de 165 mm por el rake de este set-up. En realidad el conjunto suelo-difusor genera menor DWF que en el caso del automóvil de 1° de rake. Esta diferencia de distribución de presión, tiene su reflejo en un diferente reparto o evolución de las líneas  de  corriente  o  de  flujo;  representemos  las  líneas  de  corriente  por  debajo  del  suelo  del  coche  (la primera imagen corresponde al rake de 1º y la segunda a 3º):

                              

También se observan estas diferencias en el caso de una vista frontal; una gran diferencia:

 Rake = 1°

                                

Rake = 3º 

Por esto  utilizamos  un  modelo  único  de automóvil como  modelo  de referencia, sin  realizar modificaciones ni correcciones Aerodinámicas en partes de la carrocería, alerones y/o flaps, ni realizamos desarrollos especiales para mejorar la eficiencia de cada set-up (ya sea de alto o bajo rake). De esta forma evaluamos  solo  la  respuesta  del  comportamiento aerodinámico del  automóvil  en  sus  valores  de Total DWF,  drag,  eficiencia aerodinámica,  balance  porcentual  del  DWF  anterior y posterior (respecto  a  los valores de las alturas de despeje del tren anterior y posterior), los diagramas de presión sobre la carrocería del  automóvil  y  los  campos  de presión alrededor  del automóvil,  diagramas  de  velocidad,  vorticidad, posición del  centro  de presión (para las  condiciones  de  alto  y  bajo  rake), líneas de  flujo  en  la  parte superior e inferior del automóvil y también en la superficie del circuito, generaciones de vórtices y otras verificaciones adicionales, para determinar la eficiencia máxima de cada set-up.

Se observa que este tipo de automóviles de “doble set-up” se comporte como un DRS total, distinto al DRS FIA que actúa en el alerón posterior para reducir el ángulo de incidencia del flap y reducir el drag del  alerón  posterior, aumentando la  velocidad  del  automóvil  para  permitir  superar  al  automóvil  que  le precede. El ángulo de incidencia  del  automóvil  de  doble  set-up, varía mayormente  con  el  aumento  de  la velocidad  del  automóvil,  respecto  a  los automóviles con  single  set-up que tienen  una  variación  mucho menor del ángulo de rake.

Recordando que el automóvil con alto rake (cuando está en momento de frenada o cuando circula en curvas lentas), al reducirse la altura de despeje del alerón delantero respecto a la superficie del circuito, se genera un mayor valor de DWF en el tren delantero por el incremento de efecto suelo en la parte inferior del  alerón, de  sus  flaps  y de  la  parte  inferior  del  nose  box,  que  debido  a  su  inclinación trabaja  todo el conjunto como un difusor anterior, mas que como un alerón, permitiendo frenar mas dentro de la curva y reducir  el grado  de subviraje, reduciéndose el  tiempo  de  frenada  y  el  tiempo en curvas  lentas,  por  el aumento de la velocidad de circulación con el automóvil controlado y poder anticipar la aplicación de la potencia a la salida de la curva, ya que al tener mayor DWF en el alerón anterior no sufre de subviraje critico ni  entrada  ni  en  salida de las  curvas  lentas, permitiendo acelerar antes de salir  totalmente de la curva, porque el automóvil tiene en ese momento en el tren posterior una rigidez vertical de valor inferior a la rigidez para recta (y de valor inferior que en los automóviles de bajo rake), pudiendo desarrollar la potencia de una forma mas progresiva, sin llegar al límite de deslizamiento de los neumáticos posteriores (como se ha explicado en la primera parte de este informe).

O sea que la ventaja potencial está en  momento  de  frenar,  donde  el  automóvil  de  alto  rake,  en  el primer instante de frenada aumenta casi instantáneamente el ángulo de rake, con lo que aumenta el drag por  aumentar  la  altura  del  despeje  posterior  del  automóvil,  incrementando  la  incidencia  del  chassis  y especialmente  la  del  alerón  posterior,  siendo  el  automóvil  muy  efectivo  en  frenada  y  por  reducir  la posibilidad de bloqueo de los neumáticos posteriores por estar en ese momento el automóvil apoyado en la rigidez menor de las 2 rigideces verticales del tren posterior.

c) Consideraciones finales:   

Este es solo un estudio básico realizado para comprender el efecto dinámico de un automóvil de doble set-up (alto rake) respecto al de single set-up (tradicional de bajo rake). Queda todavía mucho de estudiar, analizar y desarrollar para lograr un automóvil de alta eficiencia de doble set-up (alto rake), pensando que Adrian Newey comenzó a desarrollar esta idea en 2009 y ya lleva 12 años de  trabajo  constante  en  este concepto de automóvil, por lo  que  es  muy difícil para  los otros diseñadores lograr una eficiencia similar en sus proyectos, ya que se necesita un alto trabajo de estudio y desarrollo para definir  una  excelente dinámica del vehículo: en la aerodinámica, en el estudio de transferencia  lateral  de  carga  en  curvas lentas  y en el momento  de  frenado  y  aceleración, para  hacer trabajar correctamente este sistema de automóviles de doble set-up.

También como consideración final se exponen los resultados numéricos de ambas simulaciones, y sus variaciones con respecto al cambio de setup (rake):

Se pueden extraer muchas conclusiones de este primer y rápido análisis, especialmente se ve que al variar el ángulo de rake de 1.0° a 3.0° aumenta el DWF anterior, pero el DWF total sufre una pequeña variación (del orden del 1.7 % menor), por lo que la eficiencia en el automóvil con 1.0° de rake (ya que la drag es bastante mayor a 3º) es del 2.5, mientras que la eficiencia del automóvil con 3.0° de rake es 2.1 También se observa que al aumentar del DWF anterior se desplaza hacia adelante el centro de presión.

Nota: El automóvil sobre el que hemos realizado el análisis no está optimizado para trabajar con 3.0º de  rake; con  lo  que realizando un  trabajo de desarrollo y optimación el DWF total y la eficiencia aerodinámica aumenten considerablemente. Con respecto a la eficiencia del automóvil de Red Bull, se observa que necesita para ser tan eficiente en velocidad en recta (como el Mercedes F1) un incremento de la potencia actual de sus motores/PU por un valor estimado del 4 a 4.5 %.  Queda ver si esto será posible de lograr por el proveedor de motores/PU de R/Bull durante el presente campeonato.

Es  interesante  notar que los  equipos  que han  desarrollado automóviles con alto  rake,  han  perdido menos tiempo a la vuelta con respecto la pasada temporada. Los equipos que continúan con bajo rake, al variar la normativa FIA 2021 (básicamente al recortar el tamaño del suelo; Red Bull ha empeorado sus tiempos en torno a 1 segundo, mientras que Mercedes lo ha hecho en 2 segundos aproximadamente). Poder aumentar el rake del automóvil, permite aumentar el DWF, ya que si la Normativa FIA reduce la carga del DWF en el orden del 10 %, aquellos equipos que diseñaron automóviles “capaces” de alto rake, pueden compensar la pérdida de carga incrementando el rake; simple, verdad ¿???

d) Datos de cada simulación CFD:

Velocidad de ensayo: 250 km/h.

65 millones de celdas.

Capa límite compuesta por 20 capas.

Neumáticos y llantas rotando.

Suelo móvil.

Radiadores en pontones.

Admisión del motor.

Mezcla de gases y temperatura en los escapes; 120 m/s.

Disco de freno y caliper ruedas frontales.

Transferencia de calor en bloque motor, escapes, radiador y frenos.

72 horas de cálculo.

Pc de 256 Gb de Ram y 56 núcleos.

©Enrique Scalabroni – ©Timoteo Briet Blanes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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