Muchas veces cuando se observa un auto con detenimiento, no llegamos a percibir la importancia de los neumáticos, solo llegamos a la conclusión de que unos neumáticos de perfil bajo y unos buenos aros le cambian la cara y lo hace ver más rápido o le da 5 caballos mas.
Pero cuando uno investiga con detenimiento se da como una especie de portazo en la cara, porque lógicamente el neumático es el componente que sufre todas las consecuencias de las acciones del piloto, es el componente más importante del auto y con mayor razón aun cuando se diseña un auto de la nada.
En Formula SAE que es el caso que nos compete el tema de los neumáticos llega a tal extremo de investigación por parte de los equipos de todo el mundo, que pareciera que trabajaran en Formula 1 y es que aquí radica el balance dinámico del auto en aceleración, frenado, en curva, combinados etc. Las marcas más conocidas en este mundo de alta performance son Hoosie, Goodyear, Continental, quienes fabrican un caucho especialmente para esta competencia, obviamente podemos encontrar Bridgestone, Michelin y Avon pero estos neumáticos son diseñados para categorías de autos Formula más potentes pero que por sus dimensiones son perfectas para el cometido.
En nuestro caso por las limitaciones presupuestales y todos los problemas que enfrenta un equipo nuevo, teníamos que buscar de entre las más eficientes, la más barata, que para sorpresa nuestra es el neumático que más victorias tiene en la competencia y es el que abarca el 70% de los primeros puestos en FSAE MICHIGAN Y FSAE CALIFORNIA, los neumáticos Hoosier. Muy aparte de que sea el compuesto más ganador se tiene que valorar la interpretación que tienen los integrantes de los equipos extranjeros con respecto a la data que el fabricante les pueda brindar o la data que se compra, esta data adquirida por la “módica” suma de 500 dólares gracias al TTC (TIRE TEST CONSORTIUM) es el conglomerado de pruebas dinámicas a los neumáticos más populares en la competencia y si que vale la pena adquirirla porque según las estadísticas el tercio superior de todas las competencias FSAE son equipos que han adquirido este beneficio, y es más que lógico compárenlo con salir a pelotear en loza con zapatillas conocidas que nuevecitas.
Pues bien el neumático Hoosier seleccionado de toda la gama FSAE es el 20.5x6.0-13 R25B
el cual se muestra en la foto el cual ya se plasmo en formato CAD en solidworks.
Ahora les explicare un poco de que se trata este tema de entender al neumático y cuál es la importancia de conocer cada uno de sus comportamientos, como ustedes saben cuando un auto acelera o frena ocurre una transferencia de masas hacia atrás o adelante, cuando entramos a una curva a toda velocidad ocurren transferencias de pesos laterales y longitudinales esto quiere decir que la carga vertical en cada rueda no es la misma, esto es importantísimo porque para cada valor de esta fuerza existe un valor distinto para un infinidad de parámetros combinados que se tienen que tener en cuenta. Los cuales explicare de la manera más simple posible.
COEFICIENTE DE ADHERENCIA
Cuando hablamos del coeficiente de adherencia hablamos de la capacidad del neumático para aferrarse al terreno de circulación, esto se puede cuantificar dividiendo la fuerza necesaria para moverlo entre la carga vertical que este posea, por lo general un neumático común y corriente nos ofrece 0.7 o 0.8, pero al hablar de un neumático de competición hablamos de valores de 1.7 para arriba, en nuestro caso el rango está entre 1.6 a 3, lo que uno podría pensar es que a medida que se incrementa la carga el coeficiente aumente porque el área de contacto también lo hace pero no es así, esto se debe a que la naturaleza del caucho juega en nuestra contra, así como factores que inciden en el compuesto en si como la temperatura, la presión, relación de deslizamiento y otras cosas más.
Como también sabemos cuando el auto se mueve en una curva aparecen dos fuerzas la fuerza de resistencia a la rodadura en el eje longitudinal y la fuerza centrípeta que hace que el auto se salga de la curva, el coeficiente de adherencia longitudinal y lateral nos da la c
hance de avanzar y seguir girando en la curva, es decir la fuerza Fx tiene que ser mayor que la fuerza de resistencia a la rodadura lógicamente para avanzar y la fuerza Fy tiene que ser mayor que la fuerza centrípeta para dar la curva.
SLIP ANGLE o ANGULO DE DERIVA
El ángulo de deriva es la variación del ángulo en el cual nosotros colocamos las ruedas con el timón y el ángulo real que tiene el área de contacto con el suelo, esa diferencia influye de sobre manera al momento de entrar a una curva, por lo general este ángulo varia entre 3° y 7° para neumáticos de competencia a máxima carga lateral.
Este ángulo se calcula en pruebas dinámicas y matemáticamente seria el arco tangente de la división de la velocidad longitudinal a donde apunta el neumático entre la velocidad con la que se desliza hacia el lado exterior de la curva.
Uno de los efectos de este fenómeno es que la relación entre el slip angle total del eje delantero y del eje posterior determina un factor que nos indicara que a determinada velocidad de curva, vale decir a determinada carga sobre el eje posterior el auto se comportara de manera subviradora o de manera sobreviradora, hay que tener en cuenta que el slip angle se ve afectado por la presión de los neumáticos, la dureza del amortiguador, la temperatura de las llantas, el camber de las ruedas y una infinidad de variables que el piloto tiene que tener en cuenta al momento de setear el auto.
Otro fenómeno importante es que al variar el ángulo en medio de esa deformación el centro de contacto de la rueda se desplaza, esa distancia longitudinal multiplicada por la fuerza lateral generada por el coeficiente de adherencia y la carga vertical genera un torque de alineamiento, que es lo que sentimos cuando manejamos un auto de calle y el timón regresa por obra de magia y endereza las ruedas, cuando la carga lateral supera los límites del coeficiente de fricción el timón ya no regresa y es casi imposible recuperar el control.
SLIP RATIO o RELACION DE DESLIZAMIENTO LONGITUDINAL
A diferencia del ángulo de deriva el slip ratio, es el deslizamiento del punto de contacto de la rueda con el asfalto este retrocede o avanza longitudinalmente en el frenado o aceleración respectivamente en el grafico se explica mejor y se aprecia que la fuerza de avance Fx que calculamos antes y la fuerza de frenado alteran la posición del punto de contacto.
Esta alteración afecta la aceleración y el frenado del vehículo ya que al existir una diferencia entre la velocidad teórica del vehículo y una velocidad real que es la que se genera con el contacto con la rueda, altera los tiempos estimados para ambos procesos, este porcentaje se ve alterado por factores ya antes mencionados.
CAMBER ANGLE
El camber es el ángulo que se le aplica a la rueda con respecto al plano longitudinal de la rueda, como se aprecia en la figura.
Su función básicamente se concentra en el paso por curva, explicándolo el objetivo es lograr que la mayor cantidad de área de contacto este precisamente cumpliendo su función, esto repercute drásticamente en la fuerza de avance Fx (cuando vamos acelerando o frenando en línea recta) que al verse afectado por la inclinación ósea la descomposición de fuerzas merma el producto, pero todo neumático tiende a variar distinto este ángulo con respecto a la carga vertical ya que el caucho es flexible, esa variación del ángulo con respecto a la carga se denomina CAMBER STIFFNESS o la RIGIDEZ CON LA QUE VARIA EL CAMBER y es precisamente el dato con el que se tiene que jugar para lograr un adecuado paso por curva. Ya que si conseguimos la mayor área en contacto con el asfalto tendremos más control del vehículo.
En esta foto se aprecia el camber en plena recta y en la siguiente figura se observa el buen diseño realizando su función.
Esta de más decir que el diseño del camber está orientado a que la rueda externa a la curva tenga el máximo contacto con el trazado.
SPRING RATE
El spring rate es la razón de la carga vertical entre la deformación vertical del neumático, para cada carga vertical existe una razón de deformación, es verdad que este es el único parámetro que la empresa Hoosier ofrece por estos neumáticos, razón por la cual los publico, pero cuál es el propósito de analizar estos parámetros del spring rate, es simple, el neumático muy aparte de todas las deformaciones que presente y se comporte como plastilina por decirlo así, también se comporta como un resorte, y es aquí donde entra a tallar el sistema de suspensión el cual debe de conseguir que la rueda no oscile demasiado y/o permanezca mas tiempo donde debe de estar que es el contacto con el asfalto.
Así se analiza el conjunto suspensión neumático, donde k1 es el spring rate.
Al analizar la frecuencia de todo el sistema el objetivo siempre es evitar las frecuencias naturales de cada parte del cuerpo humano por razones de que se puede desestabilizar la salud del piloto en plena conducción, cabe recalcar que estos datos son básicos para desarrollos aerodinámicos muy finos y que influye en el comportamiento de la altura del auto con respecto al suelo, así como también el traslado del centro de masa longitudinalmente y lateralmente.
Existen otros factores a tomar en cuenta para analizar el neumático que son igual de importantes como los que describí en este articulo, pero serán motivo de mas análisis y estudio para poder explicarlos sin engañara nadie.
La conclusión más sana que se puede obtener luego de investigar formulas y buscar datos como un empecinado, es que sería un gran error empezar a diseñar un auto de competición sin antes entender cómo se comporta el componente más importante, por suerte para nosotros logre encontrar los datos justos y necesarios para diseñar algo que funcione por lo menos bien.
