Artículo
Científico / Scientific Paper |
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pISSN: 1390-650X / eISSN: 1390-860X |
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Yasmany Aguilar1,*, Ismael Caldas2, Andrés
Rivera1, Erik Tapia2 |
Resumen |
Abstract |
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En este artículo se presenta el estudio aerodinámico de
un vehículo de turismo, tomando como muestra el Chevrolet Forsa 1.3, en el que
se realizan pruebas de carretera para obtener valores de los coeficientes
aerodinámicos (Cx) y de fricción (Fr) en diferentes
posiciones de apertura de las ventanas y diversas velocidades del vehículo.
Para corroborar la información obtenida en las pruebas en las cuales se basa
para el cálculo del Cx, se realiza un modelado del vehículo a
utilizar en SolidWorks®, con la intención de efectuar una simulación que
permita obtener los valores del Cx cuando las ventanas se
encuentran en diversas posiciones y a una velocidad específica. Además, se
realiza un diseño experimental en Minitab®, el cual permite conocer la incidencia que tiene cierta variable sea de
apertura de las ventanas o velocidad del vehículo sobre el Cx y Fr.
Los resultados obtenidos demuestran que el valor de Cx aumenta
conforme se abren las ventanas del vehículo cuando se viaja a velocidades
superiores a los 90 km/h, lo que significa mayor resistencia al avance y por
ende un incremento en el consumo de combustible y emisiones contaminantes. |
This article presents the aerodynamic study of a
tourism vehicle, taking as a case study the Chevrolet Forsa 1.3, in which
road tests are performed to obtain values of the aerodynamic coefficient (Cx)
and the coefficient of friction (Fr) in different opening
positions of the windows and various Vehicle speeds. In order to corroborate the information obtained in
the tests on which it is based to calculate the Cx, a modeling of
the vehicle to be used in SolidWorks® is carried out, with the intention of
carrying out a simulation that allows to obtain the values of the Cx
when the windows are in different positions and at a specific speed. In
addition an experimental design is realized in Minitab®, which allows to know
the incidence that has a variable either of opening of the windows or speed
of the vehicle on the Cx and Fr. The results show that
the value of Cx increases as the windows of the vehicle are opened
when traveling at speeds in excess of 90 km/h, which means more resistance to
progress and therefore an increase in fuel consumption and pollutant
emissions. |
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Palabras
clave: Coeficiente
aerodinámico, consumo de combustible, emisiones contaminantes, diseño
experimental. |
Keywords: Aerodynamic coefficient, fuel consumption, pollutant
emissions, experimental design. |
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1,*Grupo de Investigación de Ingeniería del
Transporte (GIIT), Carrera de Ingeniería Mecánica Automotríz, Universidad
Politécnica Salesiana, Cuenca - Ecuador. Autor para correspondencia :
aaguilar@ups.edu.ec. http://orcid.org/0000-0001-8572-7580, http://orcid.org/0000-0002-9249-7805.
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2Carrera de Ingeniería Mecánica
Automotriz, Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca - Ecuador. http://orcid.org/0000-0001-8766-1773,
http://orcid.org/0000-0001-7838-2502
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Tabla 1. Características del vehículo de
pruebas [10]
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Tabla 2. Dimensiones del vehículo [10]
Figura 2. Esfuerzos resistentes en un vehículo. [11] |
Tabla 3. Tiempo obtenido en los diferentes
ensayos
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Figura 3. Modelado del vehículo de estudio. El modelado del vehículo se realiza sobre la base
de las dimensiones reales del mismo (escala 1:1), y para la simulación se
consideran las condiciones geográficas de la ciudad de Cuenca, que se muestra
en la Tabla 4.
Tabla 5. Obtención de valores de Cx
y Fr
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Figura 4. Análisis aerodinámico con las ventanas cerradas. Cuando las ventanas se abren un 50 %, el aire
ingresa en cierta parte al habitáculo del vehículo, como se observa en la
Figura 5, influyendo en un porcentaje de variación del Cx. Figura 5. Análisis aerodinámico con 50 % de apertura de
las ventanas. Con un 100 % de
apertura de las ventanas se puede observar en la Figura 6 como ingresa el
aire al vehículo, afectando considerablemente al Cx. Figura 6. Análisis aerodinámico con 100 % de apertura de
las ventanas. En la Tabla 6
se muestra el resumen de los resultados obtenidos en la simulación realizada
en Solid-Works®, con las diferentes posiciones de apertura de las ventanas
del vehículo y a la velocidad de 120 km/h. |
Tabla 6. Resultados de la simulación en
SolidWorks®
Como se puede observar, los
valores de Cx que se obtienen en la simulación realizada tienen buena
concordancia con los resultados obtenidos en función de la solución de
ecuaciones basadas en los datos adquiridos en las pruebas de carretera. Se realiza un
análisis experimental mediante un diseño experimental factorial de dos
niveles para determinar la influencia de la apertura de las ventanas y la
velocidad del vehículo como variables de entrada sobre el Cx y Fr como variables
de salida. Luego de ello se realiza un diseño experimental de superficie de
respuesta para optimizar los valores de Cx y Fr. Según el diagrama de Pareto mostrado en la Figura 7, existen dos
efectos significativos, de los cuales se puede observar que el efecto más
grande es la apertura de las ventanas del vehículo (A), con lo cual varía el
valor de Cx, influyendo así en el consumo de combustible y por consiguiente
la reducción de emisiones contaminantes. El efecto de interacción entre las
variables (AB) es muy pequeño y no influye en la variación del Cx. Figura 7. Diagrama de Pareto con el efecto Cx. Como se observa en el diagrama de Pareto ilustrado en
la Figura 8, el efecto más grande es la velocidad del vehículo (B), con lo
cual varía el Fr, que influye en la adherencia de los neumáticos a la
calzada. |
Figura 8. Diagrama de Pareto con el efecto Fr. Figura 9. Cx en función de la apertura de las ventanas y la velocidad del
vehículo. Figura 10. Fr en función de la apertura de las ventanas y la velocidad
del vehículo. El Cx aumenta
su valor conforme se abren las ventanas y se va aumentando la velocidad del
vehículo, |
Figura 11. Variación del Cx a diferentes
velocidades y apertura de las ventanas. Cuanta más alta
sea la velocidad del vehículo, el Fr va a tener un mayor valor, tal como se
muestra en la Figura 12; además, se observa que la apertura de las ventanas
no influye en el valor de Fr, y se determina que su valor óptimo es de 0,22.
Esto indica que el vehículo tendrá buena adherencia a la calzada. Figura 12. Variación de Fr a
diferentes velocidades y apertura de las ventanas. Para obtener
valores bajos de Cx, conviene viajar en las condiciones que muestra la franja
blanca de la Figura 13, donde se puede identificar que cuando se desee ir a
velocidades superiores a los 90 km/h, conviene ir con las ventanas parcial o
completamente cerradas y para velocidades inferiores a los 90 km/h, no
interesa si se viaja con las ventanas abiertas o cerradas ya que la
influencia en el Cx es mínimo. |
Figura 13. Zona de optimización del Cx. Tabla 7. Velocidades a las que se debería abrir las
ventanas del vehículo o encender el A/A
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