Capítulo 4.2 : Montajes Básicos y Sistemas.

• 4.2  -  Montajes Básicos y Sistemas.

Si recordamos la única fórmula vista hasta el momento:

Cajón + motor + ruedas + freno + dirección + depósito combustible = coche

Partimos de esto, ya colocado:

• Suelo
• Habitáculo
• Ejes con ruedas
• Patín

Y hay que colocar:

• Dirección
• Motor
• Depósito
• Frenos
• Lastres o Balastros
• Estructura de Choque
• Caja de Cambios

Para acabar con algo como lo siguiente:

Veamos algo más a fondo lo que vamos a colocar :

4.2.1 – Motor

Como ya comentamos, es precisamente el motor la única parte en la que no vamos a entrar en profundidades, pues podría ser objeto de varios cursos completos debido a la complejidad del asunto.

No obstante basta con saber que por reglamento ha de estar colocado detrás, y que la tracción también ha de ser trasera. Han de ser motores atmosféricos de 4 tiempos, es decir, que captan el aire necesario para la combustión sin ningún elemento que capte más aire del que el propio viento conlleve, y su ciclo de trabajo ha de ser el estándar de “admisión, compresión, explosión y escape”. Han de ser de 8 cilindros con un diámetro no superior a 98mm., y una capacidad total máxima de 2400cm³ dispuestos en 2 bancadas de 4 cilindros, y con un ángulo de bancada de 90º. Cada cilindro no debe de tener más de cuatro válvulas, dos de entrada de mezcla y dos de salida de gases de combustión…etc.

(ver datos del reglamento técnico).

• 4.2.2 – Dirección

Vital. Es el elemento que nos permitirá girar la orientación de las ruedas delanteras, con objeto de que el coche pueda desplazarse en movimientos que no sean en línea recta, es decir, permite  hacer girar al vehículo siguiendo la trayectoria de las curvas.

Se acciona desde el volante (obviamente, haciéndole girar), lo que a su vez hace girar la columna de la dirección, que es la barra que lleva el movimiento hasta la cremallera, que es la parte que transmite el giro de la barra de dirección a los semiejes empujadores o bieletas de cada rueda. Cada uno de estos semiejes desemboca en un empujador final, que es el que materialmente tira o empuja de la rueda para conseguir moverla.

El sistema básico por el que consigue esto es un simple conjunto de engranaje llamado cremallera, que no es más que la cruceta en la que desemboca la columna de la dirección.

Los empujadores (bieletas o brazos) son las barras que desde la cremallera empujan a los tambores de rueda para que giren hacia los lados.

Un detalle importante a conocer es, que mientras en un coche normal el volante puede dar hasta 3 vueltas completas para hacer girar las ruedas unos 30º, en F1 el volante solo dispone de poco más de ¾ de vuelta para hacer girar las ruedas unos 25º como máximo. Así que la precisión y sensibilidad con el volante es crucial.

• 4.2.3 – Volante

Es un sistema polivalente, y de los más espectaculares de un bólido de F1.

Su principal misión, evidentemente, es la de gobernar la dirección que lleva el vehículo, tal y como hemos visto con la dirección, de la que es un elemento más.

Pero lo que le hace tan llamativo y espectacular es el hecho de que es donde están todos los controles del piloto, excepto obviamente los pedales.

Cada escudería fabrica su volante con su electrónica, que es mucho más actual que la de la ECU, entre otras razones, para disminuir su peso y aumentar su velocidad de operación.

Como se puede ver, está lleno de botones y conmutadores, los cuales sirven para regular funciones tales como …

Régimen de motor (mapa de encendido, revoluciones); Nivel de mezcla (consumo).

Tarado de suspensiones (delantera/trasera); Bomba de líquido para beber.

Balance de frenos (eficacia de frenada delantera/trasera); Tipo de neumático en uso.

Nivel de refrigeración (según indicadores de temperaturas en pantalla). Marcha atrás.

Régimen de cambio de marchas (a que % del régimen se ha de indicar el cambio)

Control de radio, encendida/apagada, hablar/recibir; Activación de extintores.

Proceso de arrancada (salida); Indicación numérica de pantalla en x1 o  x10.

Punto muerto en caja de cambios… y algunas otras más.

En el frontal también hay una pantalla LCD, indicadores numéricos, a sus costados las luces de estado de carrera (banderas) y encima una fila de luces a modo de tacómetro de r.p.m. para el cambio de marchas, que se controlan desde las levas de la parte trasera, las inferiores son el embrague usado solo en arrancada, y las superiores, la de un lado sube las marchas y la del otro lado las baja (a gusto del piloto que lado sube y cual baja).

Se ha de poder desconectar completamente según reglamento, entre otras cosas, para que el piloto pueda entrar y salir.

• 4.2.4 – Caja de cambios

Es el bloque que se encarga de transmitir las vueltas del eje del motor (cigüeñal) al eje de las ruedas traseras (palier).

Para entender la necesidad de este artilugio, basta solo con pensar que las ruedas traseras tienen 0,66m de diámetro (norma FIA), lo que supone 2,07m de avance por vuelta. Con una relación 1:1 (1 vuelta de cigüeñal se transmite a 1 vuelta del palier), si van a 10000 rpm (de las 18000 permitidas) serían 20700 metros por minuto!, o lo que es lo mismo 1244 Km/h.

Queda clara la necesidad de reducir la relación de transmisión entre ejes. De ahí su nombre, “transmisión”, y puesto que hay que modificar esas relaciones de transmisión de giros, de paso, que sea con varias relaciones distintas, para así poder adaptarse mejor a todas las posibles circunstancias de carrera, incluida la reversa o marcha atrás.

Su funcionamiento en esencia es enlazar los ejes con una serie de engranajes con distinta cantidad de piñones (o dientes), así se consigue que una vuelta del cigüeñal pueda ser menos de una vuelta del palier, y según la marcha engranada, tendrá una relación de giro más cercana al 1:1 cuanto mayor sea la marcha (obvio, sabido es que el coche corre más con la 6ª marcha que con la 1ª).

Debido a que la diferencia de régimen de giro de los distintos ejes (cigüeñal y palier) es elevada , y la potencia transmitida es también considerable, parece evidente que deberían de llevar algo para sincronizar los árboles, pero puesto que sus piñones no son helicoidales, sino rectos, y también a que el punto de cambio está finamente calculado (siempre se cambia de marcha a una superior en el margen superior de giro, o siempre se reduce a lo que en estas máquinas son pocas rpm.), al contrario que en los coches de calle, estas cajas no necesitan de sistemas de sincronización. Además, tampoco están pensadas para hacer 100000Km. como en nuestros coches…

Hay que mencionar la tremenda cantidad de fuerzas que se transmiten por este sistema hasta las ruedas traseras, que son las que empujan todo el coche. Por ello la tenacidad de sus elementos ha de ser muy alta, pero sin olvidarnos de que ha de pesar lo menos posible, de ahí su delicadeza.

Además los sistemas por los que se engrana una marcha u otra son sistemas hidráulicos, por lo que los sistemas de gobierno han de ser estancos, mientras que el conjunto de ejes y engranajes han de estar sumergidos en lubricante para minimizar los roces, desgastes e inercias indeseadas.

Como se aprecia en la foto de la izquierda, hasta las cajas de cambios de juguete para maquetas, presentan una cierta complejidad (la de la foto solo tiene 2 velocidades), así que las demás …

Actualmente se montan unas cajas de cambios cuyo tiempo de conmutación de marchas es prácticamente cero, lo que permite no dejar de aplicar tracción a las ruedas en ningún momento, y en consecuencia, su complejidad técnica es muy elevada.

Sobre la estructura de choque… pues es eso, una pieza pensada para poder hacer de parachoques trasero, que aunque no evitará los daños mayores al alerón trasero de uno y el frontal del otro (obligando a abandonar generalmente) puede evitar el efecto lanzamiento hacia arriba del coche que impacte en la trasera de otro, y de no menor importancia, evitar daños severos a  los pilotos. Y ya de paso…, resulta un sitio ideal para colocar una luz trasera de indicación de posición para los pilotos que vienen por detrás ,además de otras funciones,  como casi todo en F1!.

Esto es todo lo que debíamos colocar, y en su aspecto global ya  parece algo que recuerda a un coche, pero para que se pueda mover por sí mismo aún faltan elementos, a saber:

• 4.2.5 – Sistema Hidráulico

Es otro sistema polivalente, es decir, tiene múltiples y variadas funciones.  Las más importantes son :

1.      Encargado de que se puedan cambiar las marchas de la caja de cambios según la orden dada desde el volante, la orden es eléctrica o electrónica y los actuadores en el interior de la caja de cambios son hidráulicos.

2.      También es el encargado de que los frenos bloqueen los discos con firmeza para hacerlos parar, aunque los frenos delanteros son un circuito completamente independiente, y los traseros solo comparten el líquido o liga con el circuito hidráulico general.

3.      Ejecuta el famoso balance de frenos, es decir, según una circunstancia concreta, los frenos delanteros frenen más que los traseros, frenen por igual o frenen menos que los traseros, este control como casi todos también está en el volante.

4.      Encargado también de la transmisión de la fuerza de giro necesaria para empujar o tirar de las manetas de la dirección, ya que “a mano” resultaría imposible aguantar una carrera completa, debido a lo pesado o duro que se vuelve el agarre de la rueda con el suelo, sobretodo en las frenadas.

5.      Resulta vital en el funcionamiento de algunos actuadores de presión en los circuitos de admisión de combustible y aire del motor, directamente relacionados con el uso del acelerador.

Está constituido por:

• Una bomba eléctrica de control de flujo y presión, gestionada por la centralita electrónica y los mandos del volante.
• Un depósito de líquido para asegurar el suministro al circuito (que aunque debe de ser estanco, si por un problema se perdiera líquido, poder mantener la operatividad del circuito para intentar llegar a boxes).
• Un montón de mangueras que serán las encargadas de transmitir la presión a cada uno de los actuadores, que están repartidos por múltiples lugares del vehículo, caja cambios, frenos traseros, motor…
• Válvulas de paso, sensores de presión, sensores de caudal, bombines…

En la práctica son varios sistemas hidráulicos separados, pero puesto que todos funcionan

bajo el mismo principio de imcompresibilidad de los líquidos, se puede decir que todos son muy parecidos… salvando los sensores particulares de cada caso, aceite, liga frenos, agua, temperaturas, caudales…

Esta es una imagen de todo el sistema hidráulico de un monoplaza, junto con una bomba de presión y flujo de otro fabricante. Nótese como son de distintas unas y otras (comparada con la caja blanca de la imagen del sistema completo),  aunque año tras año se van miniaturizando y reduciendo de peso.

• 4.2.6 - Refrigeración

Los famosos Radiadores, encargados de mantener las temperaturas de los fluidos, tanto el del agua que refrigera el bloque de motor, como el del aceite que lubrica las partes móviles. Son versiones sofisticadas de los típicos radiadores de un vehículo “normal”, constituyendo uno de los “secretos” de cada escudería, sobre todo en lo referente a la geometría general, ya que obviamente son un elemento poco aerodinámico..

Su constitución básica está formada por:

- Un serpentín a través del cual circula el fluido a enfriar. Este serpentín dispone de una o varias aletas metálicas a lo largo de dicho conducto para ayudar a la disipación del calor mediante el aumento de superficie radiante.

- Una gran entrada de aire para que entre limpiamente la cantidad necesaria para ventilar y refrigerar el serpentín y sus aletas adecuadamente.

- Una bomba hidráulica que mueve el fluido a refrigerar, de tal manera que se extrae del lugar de actuación para hacerle pasar por el serpentín, para después retornarle ya enfriado, de vuelta al lugar de origen.

Al contrario de un coche de calle, no tienen ningún sistema para mover el aire a través del serpentín cuando el coche esté parado o circule a baja velocidad, pues resulta que estos vehículos están optimizados para correr, y se llega a prescindir hasta del peso de estos ventiladores.

Esto les cuesta más de un dolor de cabeza a los pilotos, pues en las salidas del coche de seguridad, al rodar a baja velocidad en circuitos con altas temperaturas ambientales, el coche pasa serios apuros para refrigerar el mínimo necesario, lo que puede producir el reventón de cualquier junta del bloque de motor o incluso llegar a gripar por ausencia de lubricación efectiva.

• 4.2.7 – Centralita electrónica de control (ECU)

Este año 2008 se incorpora un tipo de centralita ECU estándar e idéntica para todos los coches (cada equipo puede programar los mapas de gestión como quieran), igualando así los rendimientos por la electrónica en todos los equipos. La ECU es la encargada de sincronizar el funcionamiento de multitud de elementos y sistemas, p.ej.:

• La inyección de combustible en el motor y sus cilindros.
• Controlar la cantidad exacta de aire para la mezcla con la gasolina a inyectar en los cilindros.
• Encargada de recoger los datos del ejército de sensores y captadores electrónicos repartidos por las diferentes partes de coche, para según los datos que haya, corregir el régimen de trabajo del motor en lo permitido por el reglamento FIA.
• Sincronización del sistema hidráulico con los demás sistemas.
• Proporcionar los datos al volante del piloto para su gestión y transmitir las acciones marcadas por el piloto en los controles del volante para corregir el funcionamiento del coche en cada momento.
• Contiene el sistema de radio para voz y canales de comunicación de datos de los sensores del coche hacia el box del equipo. También aporta 2 canales (protegidos y codificados) de transmisión de datos hacia el control de carrera para evitar “trampas”.
• También contiene el ADR “Accident Data Recorder”, la caja “negra” del vehículo (para analizar los datos de estado del vehículo en cualquier condición).

La ECU y el volante son los únicos elementos con electrónica activa en todo el vehículo. Aunque todos los equipos (excepto el fabricante : McLaren) han manifestado su descontento por la escasa potencia del modelo impuesto, lo que les rebaja enormemente las posibilidades de control con respecto a pasadas temporadas.

Pedales: freno y acelerador

¿Necesitan comentarios?. Pues sí. Por reglamento no pueden ser elementos electrónicos, es decir, no pueden ser potenciómetros. Lo que no supone un gran problema, pues evidentemente el freno es hidráulico y el acelerador puede ser mecánico (cable) o hidráulico de circuito independiente o común con el circuito hidráulico habitual, aunque después el resultado de este sistema se traduzca a una señal eléctrica o electrónica para ser tratada por la ECU y actuar correspondientemente en el motor..

• 4.2.8 – Suspensiones delantera y trasera

Es el elemento responsable de mantener las ruedas en permanente contacto con el suelo, sea cual sea el estado del asfalto. También y no menos importante, aislar las vibraciones de las ruedas y que no lleguen al chasis ni al piloto.

De lo que se ve desde el exterior, podemos observar claramente que tanto las suspensiones delanteras como las traseras están formadas por 2 soportes en triángulo conectados a los cubos de las ruedas. Este tipo de suspensión tiene las ventajas de un peso ligero, importante resistencia y un buen control de carrera o recorrido. Además sirve de aislante de vibraciones entre ruedas y chasis. (Amarillo en la foto).

Hay otro sistema de suspensión del que solo se ve un elemento (el empujador se suspensión, en verde en la foto superior).

Dicho sistema es la suspensión que se ve desde dentro del habitáculo, ¿lo recuerdan?. Es un sistema más activo, que lleva la famosa barra antitorsión o “anti-roll bar” (en azul en el esquema y en rojo los amortiguadores), compuesto por un doble sistema de amortiguación y equilibrado, que además evita la transmisión de las fuerzas laterales de torsión que se trasladarían al chasis cuando el vehículo toma las curvas.

La suspensión trasera, además de añadirse el palier, está constituida igual, pero sus elementos son más fuertes, ya que han de soportar el mayor peso e inercias de toda la parte trasera. En el dibujo  se ve el funcionamiento del sistema antitorsión basado en el amortiguador trasero (en la foto).

Es de reseñar que mientras la suspensión delantera está anclada al chasis del cono frontal y la quilla, las suspensiones traseras están ancladas al chasis, al paquete de la caja de cambios y a la estructura de choque en algunas variantes.

Pero… ¿no notan nada raro?…

Premio para quien vea o se haya dado cuenta de que “aparentemente” en la suspensión / dirección delantera algo no cuadra. Veamos:

2 tirantes por triángulo de suspensión, están claros.

1 empujador de suspensión, está claro.

¿Y el empujador de dirección? , ¿Dónde está?.

Pues está dentro de la sección frontal del triangulo superior. ¿Se observa en la foto?

En esta otra, se ve como el empujador hace también de tirante y sale de la funda del propio tirante.

Además se ve la toma de aire de refrigeración de los frenos, debajo del empujador y sobresaliendo de la vista de la rueda..

• 4.2.9 – Sistema Hidráulico , Frenos.

Anteriormente comentamos que el sistema hidráulico es el encargado de efectuar los cambios de marcha en la caja de cambios, cuya orden se da desde el volante. También es el responsable de los frenos, si bien el circuito hidráulico de los frenos delanteros es totalmente independiente, y el circuito trasero sólo comparte el líquido con el circuito hidráulico, líquido llamado liga o comúnmente líquido de frenos. Es decir, la liga de los frenos delanteros es distinta de la de los frenos traseros o del sistema hidráulico.

Al presionar el pedal, el empujador aplica presión al reforzador, que aumenta y transmite la presión a la bomba, lo que la hace funcionar y aplicar una presión proporcional en el circuito, que a través de los bombines, hacen salir a los pistones, que a su vez empujan las pastillas contra el disco, frenando el giro del disco que está unido a la rueda.

Hay que mencionar un hecho vital para el funcionamiento correcto de los frenos, su temperatura.

Los discos de freno, son discos de carbono, y su temperatura de trabajo operativa, comienza sobre los 750º  y llega a alcanzar los 1200º en su uso extremo. A la vista de esto, resulta vital una buena refrigeración del conjunto, que por normativa se ha de realizar con el aire ambiental.

Pero hay un detalle más que también es fundamental, cuando un disco sobrepasa los 800º se comporta de manera óptima, pero si después se enfría demasiado (por debajo de 250º) la superficie sufre una especie de cristalización, lo que los convierte en prácticamente inefectivos hasta que no vuelvan a alcanzar los 800º; Pero tras “cristalizar” la fricción es menor y su aumento de temperatura es mucho más lento de lo normal, con lo que las frenadas han de ser mucho más largas para que vuelvan a coger su temperatura óptima.

Es por esta razón, por la que la zona de los frenos es una de las más modificadas carrera tras carrera, y es fuente de controvertidos elementos, como las actuales tapas de ruedas que innovó Ferrari en el año 2006 y que casi todos los equipos han adoptado más recientemente, cuya función primordial es mejorar la extracción del flujo de aire que refrigera los frenos.

• 4.2.10 - Depósito de combustible.

Tal y como vimos en los despieces, está ubicado detrás del piloto y delante del motor, dentro del monocasco, pero fuera de la célula de supervivencia, y por normativa ha de permanecer íntegro tras los impactos, aunque se pueda deformar.

No existe una normativa que específicamente limite su capacidad, aunque los requisitos del propio diseño imponen unas tendencias por las que su capacidad ronda los 100 litros, o más concretamente, los 100 Kg de peso en lleno, pues aunque el litro de gasolina no pesa un kilo, el depósito vacío también pesa.

Tal y como se aprecia en la foto, la bomba de la gasolina se encuentra ubicada en la parte central inferior del depósito.

Con todo esto ya conocemos lo que montamos, así que vamos a poner más cosas.

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