Introducción a la dinámica en Fórmula Student: segunda parte

1. Sistema de dirección:

Como en los vehículos convencionales, el sistema de dirección de un Fórmula Student es el sistema principal para mover el coche en pista. Fundamentalmente está compuesto por un sistema de piñón cremallera que transforma el movimiento giratorio proveniente del volante en un movimiento lineal, que acciona las ruedas tirando de una y empujando de la otra, según la dirección en la que se esté girando. Este giro está directamente relacionado con el giro de las ruedas en el momento de la curva, es decir, cuanto más gire el volante, más girarán las ruedas, pudiendo aumentar o disminuir esta relación –habitualmente 1:1– mediante cajas de engranajes, en las que la relación de transmisión sea mayor o menor que 1. Por ejemplo, si la relación es 2:1, lo que giren las ruedas será el doble de lo que el piloto gire el volante.

• Condición de Ackermann

La condición de Ackermann es una herramienta para construir la geometría de la dirección de un vehículo, que depende de las dimensiones del mismo, fundamentalmente de la distancia entre ejes y del ancho de vía delantero, que es donde se monta el sistema. Esta condición calcula un ángulo que es el denominado ángulo de Ackermann, que indica la posición del punto de unión de la dirección con el conjunto de rueda en la mangueta. Al unir los dos los brazos de la mangueta, el punto en el que se crucen debe quedar siempre en el eje trasero, y al girar el coche mantenerse en esa línea si fuera prolongada. Es decir, debe cumplir que para cualquier curva los centros instantáneos de rotación de todas las ruedas caigan en el eje trasero o en una prolongación del mismo.

Fundamentalmente esta geometría ayuda a que la rueda interior del vehículo gire más –con respecto al plano perpendicular al suelo– que la exterior, ayudando a entrar en curva y reduciendo el radio de giro del vehículo, por lo tanto favoreciendo el trazar curvas más cerradas.

Habitualmente esta condición se utiliza para vehículos que compiten en circuitos con curvas cerradas y pistas no muy rápidas, como son los Fórmula Student, ya que es en estos casos cuando la geometría 'pro-Ackermann' es realmente útil debido a que las transferencias laterales de carga no son muy altas y se necesita que sea la rueda interior la que gire más para inscribir al coche en la curva; si bien es cierto que no todos los equipos la utilizan o la tienen en cuenta, eso ya corre a cargo del diseño de cada uno. En vehículos con transferencias de carga mayores, véase los Formula 1, es la rueda exterior la que debe girar más, porque en una curva la rueda interior se aligera y la exterior se sobrecarga, por lo que la interior no ayudaría al giro sino que haría el efecto contrario.

Geometrías de Ackermann

Construcción del sistema de dirección

• Bump-steer

La suspensión y la dirección de un vehículo están intrínsecamente relacionadas entre sí, es decir, una tiene influencia sobre la otra, tanto en estático como en dinámico y viceversa, y a la hora de diseñar es importante trabajar en los dos subsistemas a la vez, para evitar errores en las geometrías que provoquen comportamientos indeseados en la conducción del vehículo.

En el caso de la suspensión sobre la dirección, se puede producir lo que se conoce como bump-steer, que afecta al manejo del coche. Es un efecto que se da cuando los puntos de anclaje de la suspensión en el chasis y de la varilla de activación de la dirección con la cremallera  y los puntos de anclaje de los dos sistemas en la mangueta no se encuentran en la misma línea; y eso hace que las ruedas se direccionen solas al comprimirse o extenderse la suspensión, es decir, que se produzca un giro inducido cuando la suspensión trabaja. La característica de diseño se basa en el arco de trabajo de los brazos de suspensión, que al subir o al bajar quedará a una distancia del arco de trabajo de la varilla de la dirección por estar unidos en puntos diferentes, la que se deberá minimizar al máximo. Este efecto no es deseable porque hace que el vehículo tienda a ser nervioso y lleva a correcciones continuas, hace por lo tanto que el vehículo sea difícil de controlar.

Otro efecto que se puede encontrar en el comportamiento dinámico, debido a la característica de diseño anterior y similar al bump steer, es el roll steer, que se produce cuando el vehículo balancea en una curva. El efecto es fundamentalmente el mismo e igual de indeseable, con la diferencia de que en este caso no se produce por la extensión o compresión de la suspensión, sino por balanceo de la masa suspendida y provocando, además, excesos en la convergencia o divergencia con respecto al valor estático de diseño.

• Convergencia y divergencia

Es el ángulo sobre el que actúa la dirección. Se regula mediante las varillas de la dirección y hace que las ruedas estén metidas hacia dentro del coche –en dirección al chasis– o miren hacia fuera. Normalmente no es muy grande –no suele superar los dos grados– y se calibra según el tipo de vehículo que se tenga y el tipo de prueba al que vaya a someterse. En caso de rectas o curvas rápidas, se utiliza la convergencia en el eje delantero, ya que en el proceso de aceleración las ruedas tienden a abrirse, por lo que hacer que en estático estén un poco metidas hacia dentro ayuda a que en el proceso de aceleración las ruedas permanezcan lo más paralelas posibles para que la trayectoria del vehículo no se tuerza. De la misma manera, se utiliza la divergencia para el caso contrario. Esta configuración debe evaluarse en función del circuito y de la prueba entre otros parámetros.

Convergencia y divergencia

2. Frenos:

• Conceptos generales

La función del sistema de frenos es la de disminuir la velocidad del vehículo progresivamente mediante el rozamiento de las pastillas contra el disco de freno. Las pastillas se accionarían mediante el pedal de freno, que hace presión en el circuito y los pistones en las pinzas presionan las pinzas contra el disco. El sistema de frenado de un Fórmula Student, en cuestión a los conceptos básicos, es muy similar al de cualquier vehículo, tanto de competición como de calle. Está compuesto por un circuito hidráulico para cada eje, es decir, independientes pero conectados para distribuir el líquido de frenos desde los depósitos que se encuentran en el pedal hasta ambos ejes, y accionados por el pedal de freno, que va en el interior del monocasco. En conjunto, el sistema está compuesto por el pedal de freno, los depósitos y las bombas del líquido, los latiguillos y por último las pinzas, las pastillas y los discos de freno. Estos tres últimos elementos van incluidos en el conjunto de rueda.

Latiguillos de frenos

• Diseño y funcionamiento

El conjunto de los frenos debe cumplir, además de con los requerimientos de potencia de frenado necesarios para el vehículo, con la ergonomía del chasis y de las medidas de los pilotos. En nuestro caso tenemos varios rangos de alturas por lo que el pedal de freno es regulable según el piloto que realice cada prueba. Como se ha explicado antes, es mediante la presión del pedal como se accionan las pastillas de freno. Cada pinza cuenta con un pistón por lado –en el caso de nuestra pinza delantera son dos pistones por lado–, que al recibir la presión del circuito que proviene de la fuerza que se aplique en el pedal, aprietan las pinzas contra el disco. En este proceso de fricción se produce una evacuación de energía en forma de calor que puede provocar sobrecalentamientos en los discos, por lo que se le hacen una serie de perforaciones para asegurar la refrigeración, y están fabricados de un material que no sea fácilmente susceptible a la temperatura. En cuanto al tacto del pedal, es decir, a la inmediatez del proceso, debe ser lo más preciso posible. Además, debe evitar que en la frenada se produzcan vibraciones.

Conjuntos de rueda en los que se ven el disco de freno y las pinzas.