Prueba de ruido de escape de autos de carrera de Formula Student

Rimac FS Alpe Adria es un evento anual de carreras de Formula Student que se celebra en el norte de Croacia. Las competiciones de Formula Student se llevan a cabo cada año en más países y en algunas de las pistas de carreras más emblemáticas del mundo como Silverstone, Hockenheimring, Red Bull Ring y Circuit de Barcelona - Catalunya. Del 26 al 29 de agosto, todo tuvo lugar en la pista de carreras de karts St. Rauš en Novi Marof, cerca de la ciudad de Varaždin.

Era jueves por la mañana temprano cuando nosotros, el equipo de Dewesoft, empacamos nuestro auto de exhibición, un Ford Ranger, con equipo técnico y algo de material promocional. Después de unos 140 km en coche desde Trbovlje en Eslovenia, llegamos al evento de FS Alpe Adria. E inmediatamente, quedamos impresionados por la atmósfera: los estudiantes estaban cargados de pura energía de ingeniería y carreras.

Este año en Novi Marof participaron 37 equipos de 14 países. Cientos de jóvenes y muchas carpas. Cada equipo tenía una carpa, un lugar para preparar sus autos para las disciplinas de carreras. En estos boxes, los equipos se presentaron con carteles y pancartas. Otras carpas estaban reservadas para oficiales y espectadores; inspecciones, servicios mecánicos o eléctricos, puestos de comida, etc.

El patrocinador principal del evento es la empresa croata RIMAC Automobili que fabrica hipercoches eléctricos y tecnologías asociadas como baterías o trenes motrices. Además, Dewesoft es patrocinador del evento, y en Novi Marof no solo hicimos las comprobaciones de ruido de escape en todos los coches de carreras, sino que incluso fuimos seleccionados para hacer las revisiones y pruebas finales de todos los coches antes de la carrera.

La competencia Formula Student

Formula Student (FS) es la competencia de ingeniería más grande del mundo. Hay más de 500 equipos y más de 40 competiciones en todo el mundo. El organizador de las competiciones suele ser una asociación nacional de ingenieros con la ayuda de algunos de los nombres más importantes de la industria automotriz, como Porsche, Daimler, Audi, Škoda, etc.

FS es un concurso de diseño de ingeniería que promueve la resolución inteligente de problemas. Equipos de estudiantes de todo el mundo diseñan, construyen y prueban un prototipo de automóvil de carreras basado en una serie de reglas creadas para garantizar la seguridad en la pista. En los eventos, los propios estudiantes conducen los vehículos de motor.

Al participar en el concurso, los estudiantes adquieren valiosos conocimientos sobre el trabajo práctico, convierten la teoría en práctica, desarrollan sus habilidades de ingeniería y resolución de problemas y aprenden a trabajar en equipo. Sin embargo, la competencia también se trata de redes. Cada evento es una oportunidad para compartir experiencias, conocer personas de ideas afines y posibles futuros empleadores.

Participar en la competencia

Todo equipo que quiera competir en los eventos estudiantiles de fórmula deseada debe calificar para participar. Primero, hay un cuestionario. Todos los eventos se llevan a cabo durante el verano, mientras que el cuestionario se realiza en febrero. Las preguntas del cuestionario se derivan del libro de reglas del Formula Student; algunos se refieren a problemas del campo de la ingeniería y otros son de naturaleza empresarial. Los equipos con mejor puntuación son elegibles para el siguiente paso.

Porque eso no es todo. El siguiente obstáculo para ingresar a la competencia es el video de estado del vehículo (VSV). Cada equipo tiene que producir un video de su vehículo viajando 30 m con curvas de 180 ° mientras conduce al menos 10 km / h. El video de VSV debe enviarse al menos 6-8 semanas antes de cualquier competencia de FS.

Luego, cuando comienza el evento, cada equipo tiene que pasar por una variedad de inspecciones mecánicas y pruebas antes de ir al campo de entrenamiento y antes de unirse a los eventos dinámicos. Cada parte de la inspección técnica es "premiada" con una etiqueta adhesiva que se coloca en el morro del vehículo. Al final, cuando tu coche de carreras vaya a la pista, todas las pegatinas deben estar allí.

Hay 3 categorías principales de coches FS: vehículos de combustión (CV), vehículos eléctricos (EV) y vehículos sin conductor (DV). La competencia consta de varias disciplinas estáticas y dinámicas y está gobernada por varios jueces que a menudo son expertos de renombre en sus respectivas áreas de la industria automotriz.

Los equipos competirán en más disciplinas. Cada uno de estos conlleva una cierta cantidad de puntos, por un total de 1000 puntos disponibles en cada categoría de coches. ¡Naturalmente, el equipo que obtenga la mayor cantidad de puntos es el ganador!

La serie de disciplinas se divide en dos partes diferenciadas: eventos estáticos y eventos dinámicos.

Eventos estáticos

Diseñar un automóvil FS requiere un enfoque interdisciplinario y trabajo en equipo. Además de la comprensión técnica, los estudiantes también deben poseer habilidades económicas y sociales:

• Presentación del plan de negocios (PPN)
  En PPN, la tarea es evaluar la capacidad del equipo para desarrollar un modelo de negocio integral que demuestre su producto: un prototipo de automóvil de carreras.

• Costo y fabricación
  El objetivo de este evento es evaluar el proceso de fabricación y el costo asociado con la construcción de un auto de carreras para cada equipo.

• Diseño de ingeniería
  En este evento, los jueces -generalmente los jueces son ingenieros de la industria automotriz- evalúan el proceso de ingeniería, los esfuerzos y las soluciones que se implementan en el diseño de los autos de carrera de Formula Student.

Eventos dinámicos

En esta parte de la competencia, los equipos ponen sus "bestias" en la pista para mostrar de qué están hechos. Los coches se ponen al límite en varias disciplinas para evaluar diferentes características:

• Skidpad
  Un evento en el que los coches circulan en dos círculos que forman una figura de 8.

• Aceleración
  El equipo tiene que ir lo más rápido posible en línea recta durante 75 m.

• Autocross
  El autocross es una especie de calificación para el evento de resistencia, pero aquí se conduce solo una vuelta y se mide el tiempo de una vuelta. Se conduce por la misma pista que el evento de resistencia.

• Aguante
  El objetivo es recorrer la distancia de 22 km, en este caso 22 vueltas, lo más rápido posible. A la mitad de la distancia, los conductores deben cambiarse y el automóvil debe apagarse.

• Eficiencia
  Esto se mide durante el evento de resistencia: todos comienzan el evento de resistencia con el tanque de combustible lleno.

Desde el punto de vista del espectador, el impulso de resistencia es el evento principal. Aquí se mostrarán todas las fortalezas y defectos del vehículo, y hasta 4 autos pueden estar en la pista al mismo tiempo. La aceleración, la velocidad, el manejo, la dinámica, el ahorro de combustible, la eficiencia, la confiabilidad y las habilidades del conductor se prueban al límite. El ganador de este evento recibe un máximo de 300 puntos, la puntuación más alta que se puede lograr en una sola disciplina.

Inspección técnica 

La inspección se realiza en un orden de diferentes pasos; si no aprueba uno, no puede continuar:

• Inspección previa
  Aquí se comprueba que cada equipo cuente con los cascos, equipo de seguridad, extintores, neumáticos húmedos y secos adecuados. Aquí los equipos son controlados por la seguridad directa de los conductores.

• Inspeccion mecánica
  Los escrutadores verifican los vehículos listos para la carrera si están construidos de acuerdo con las reglas.

• Prueba de inclinación
  El vehículo se coloca sobre la mesa en un ángulo de 60 °. Los escrutadores verifican el vehículo en busca de fugas de líquido y verifican si todas las ruedas todavía están en contacto con la mesa.

• Pesaje de vehículos
  Los vehículos se miden en condiciones de listo para la carrera.

• Prueba de ruido
  Aquí los equipos encienden los vehículos por primera vez en la competición. Es el primer paso para todos los equipos si quieren competir en el evento de dinámica. Los escrutadores miden el ruido que proviene del sistema de escape.

• Prueba de freno
  Un equipo pasa la prueba de frenos si su auto de carreras se detiene con el bloqueo de las 4 ruedas al final de la carrera de aceleración.

Dewesoft fue invitado al evento como patrocinador, pero también para realizar las pruebas oficiales de ruido de todos los coches. Además, dado que los miembros de nuestro equipo tienen experiencia en años anteriores de Formula Student, también se nos asignó la tarea de verificar las características de seguridad de todos los autos, todo en estricta conformidad con el reglamento de FS.

En el evento, todos los autos se ponen en marcha por primera vez para hacer la prueba de ruido; los participantes no pueden encender los motores antes de esto. Cuando la prueba de ruido se ha completado con éxito, se realizan todas las demás comprobaciones, y deben aprobarse para que los escrutadores estén satisfechos con las características estructurales y de seguridad del automóvil.

La prueba de ruido de escape

Los autos de carrera son ruidosos, muy ruidosos, incluso los FS. El ruido de los coches de fórmula fabricados por estudiantes puede superar los 120 dB (C). El ruido es parte de la diversión, pero el control del ruido es una preocupación para todas las partes involucradas en los deportes de motor. Los ruidos fuertes son dañinos y pueden dañar la audición. Los científicos recomiendan no más de 15 minutos de exposición sin protección a sonidos de 100 decibeles o más.

Luka Pavlović, el organizador de Rimac FS Alpe Adria 2021, dice: “Uno de los componentes clave durante la fase de escrutinio del evento es la prueba de ruido. Los vehículos de combustión tienen un ruido limitado, al igual que su automóvil o bicicleta de carretera convencional. Los equipos suelen diseñar sus escapes para que estén lo más cerca posible del límite a fin de extraer el máximo rendimiento de sus motores ".

La pista de karting en Novi Marof Croacia es un gran lugar para eventos de carreras tan ruidosos. Debido a su aislamiento, el ruido no es un problema para los residentes locales. Las áreas alrededor de la pista no están pobladas y ni siquiera están cubiertas por bosques o pastos vírgenes; a la vida silvestre tampoco le gusta mucho el ruido.

Sin embargo, el problema aquí es la preocupación por la gente dentro y alrededor de la pista, los participantes, los oficiales y los espectadores. Para aprobar la inspección técnica para la competencia de estudiantes de fórmula, todos los automóviles con motor de combustión interna deben realizar un procedimiento de medición del ruido de escape. Es por eso que las reglas unificadas de Formula Student establecen que los niveles de ruido generados por los autos de combustión deben estar dentro de ciertos límites:

• CV 3.2 Nivel de sonido máximo

• CV 3.2.1 La velocidad máxima de prueba de nivel sonoro para un motor dado será la velocidad del motor que corresponda a una velocidad media del pistón de 15,25 m / s. La velocidad calculada se redondeará a las 500 rpm más cercanas. El nivel de sonido máximo permitido hasta esta velocidad calculada es 110 dB (C), pesaje rápido.

• CV 3.2.2 La velocidad de prueba de ralentí para un motor dado dependerá del equipo y será determinada por su velocidad de ralentí calibrada. Si la velocidad de ralentí varía, el vehículo se probará en el rango de velocidades de ralentí determinadas por el equipo. En reposo, el nivel de sonido máximo permitido es de 103 dB (C), pesaje rápido.

Echa un vistazo a las pruebas de ruido de escape de un coche de carreras de Formula Student con Dewesoft en Novi Marof

Cálculo de RPM

La prueba se realizó con un sonómetro. Por lo general, cada equipo necesita tener una pantalla de tablero o una computadora conectada para mostrar las RPM del motor durante la prueba, pero el software DewesoftX nos ofrece una variedad de características y dispositivos.

Una característica útil, en este caso, fue el complemento analizador FFT que nos mostró el primer armónico, el más dominante, de la frecuencia producida en el sonido producido por el proceso de combustión dentro del motor. Con un poco de "magia" en el módulo de matemáticas, podríamos calcular las RPM del motor sobre la base de la presión sonora proveniente del escape.

Para verificar las RPM presentadas por el software de gestión del motor de cada equipo, creamos una fórmula para detectar las RPM del motor directamente desde la señal del micrófono, sin necesidad de sensores adicionales.

Definimos una fórmula simple dentro de la función estándar del software DewesoftX, Dewesoft Math, que permite a los usuarios configurar análisis para sus tareas de medición. Primero, usamos una función llamada MAXPOS, que devuelve la posición del eje x de la amplitud máxima detectada dentro del rango de frecuencia medida. Como entrada a la función, usamos los espectros de análisis FFT del micrófono de medición.

La salida de la función es entonces la frecuencia a la que se produce la amplitud máxima. Como queríamos una salida en forma de RPM en lugar de Hz, multiplicamos por 60 para lograr las unidades deseadas.

Como el número de cilindros multiplica proporcionalmente la ubicación del primer armónico, fue necesario corregir el número variable de cilindros: los motores utilizados en los autos de carrera tienen un diseño diferente, algunos usan un solo cilindro y otros incluso 4.

El número de cilindros se definió como entrada del usuario, lo que nos permitió ingresar el valor correcto para cada uno de los autos probados antes de la medición. Dado que Formula Student requiere que todos los autos usen motores de 4 tiempos, también fue necesario corregir la ocurrencia del ciclo de escape, que ocurre una vez cada dos revoluciones, lo que significa que la fórmula general tuvo que multiplicarse por el valor de 2.

En resumen, la función de matriz MAXPOS devuelve la última posición del valor MAX que se utilizó para obtener la frecuencia exacta del motor en rotación; la posición en FFT es la frecuencia. Esto se dividió por el número de cilindros, se multiplicó por dos y se convirtió de Hz a RPM.

Como la prueba requiere pruebas a velocidad de ralentí y límite superior de RPM, definimos una fórmula para automatizar la determinación del límite superior de RPM. Esto se calculó y redondeó a 500 RPM con la ayuda de la carrera del motor, definida en mm. Esto se definió como una entrada del usuario y se ingresó en el software para cada equipo en función de la longitud de la carrera que nos proporcionaron los equipos de carreras.

Tal método de detección tiene sus limitaciones. Se basa en la hipótesis de que el primer armónico siempre será el más prominente en el espectro medido. En algunos casos, el diseño del escape presenta resonadores, secciones ciegas del tubo de escape agregadas al tubo principal para reducir la vibración. En tales casos, puede haber armónicos más altos con amplitudes más altas, lo que da como resultado una lectura inexacta de la velocidad del motor.

Sin embargo, no se requiere que la detección de RPM se realice como parte del procedimiento de verificación de ruido; era una parte opcional de la medición. Debido a esto y también debido a la rara ocurrencia de lecturas incorrectas, consideramos que este método es adecuado. Según los comentarios de los miembros del equipo de carrera, mostrar los resultados durante la medición en sí fue una característica útil.

Configuración de prueba de ruido

La prueba de ruido se realiza como una prueba estática: nos trajeron todos los automóviles. Habíamos armado nuestra carpa para tener un techo que mantuviera el equipo a salvo del mal tiempo. Para las medidas no necesitamos carpa. Los resultados de estas pruebas de ruido pueden ser engañosos si no se cuida de evitar los reflejos del entorno. Durante nuestras pruebas, las salidas de escape estaban de espaldas a la tienda para reducir al mínimo la reflexión del sonido.

Como la salida de escape de cualquier automóvil se encuentra en una posición única, el micrófono debe configurarse específicamente para cumplir con las reglas de FS:

• IN 10.1.2 El vehículo debe ser compatible con todas las velocidades del motor hasta la velocidad máxima de ensayo, véase CV 3.2.1. 

• IN 10.1.4 Las mediciones se realizarán con un micrófono de campo libre colocado libre de obstrucciones en el nivel de la salida de escape, a 0,5 m del extremo de la salida de escape, en un ángulo de 45 ° con la salida en el plano horizontal. 

Para las medidas que usamos:

Hardware:

• Un Dewesoft SIRIUSi con amplificador ACC,

• Un Micrófono IEPE G.R.A.S. 146AE: micrófono resistente de campo libre de media pulgada con clasificación IP67 con TEDS montado en un soporte de trípode,

• Un Calibrador multifuncional G.R.A.S. 42AG - calibrado por un laboratorio de calibración acústica acreditado internacionalmente), y

• Una computadora portátil.

Software:

• Software DAQ DewesoftX RC2021.5

• Complementos de DewesoftX:

  • Sonómetro

  • Analizador FFT

  • Módulo de matemáticas

La configuración completa no solo siguió las reglas de FS, sino también los estándares internacionales. La cadena de medición (el sistema DAQ, el micrófono y el software SLM utilizado para el análisis) cumplió con los requisitos de IEC 61672 Clase 1. El micrófono cumplía con el estándar 61094 para micrófonos de medición y el calibrador de nivel con IEC 60942, y tenía un certificado de calibración válido acreditado internacionalmente. Antes de cada medición, se utilizó el calibrador para garantizar que la sensibilidad del micrófono se estableciera con precisión para las condiciones ambientales actuales.

Las mediciones de ruido

Configuramos el sistema de medición y colocamos el micrófono en un trípode ajustable; el medidor de decibelios estaba listo. Luego, los equipos llevaron sus autos a nuestra estación de inspección y realizaron un calentamiento del motor. Todos los vehículos deben cumplir con todas las velocidades del motor hasta la velocidad máxima de prueba.

Como los coches tienen un diseño diferente, a veces es complicado colocar el micrófono en la posición correcta. Tiene que estar a 0,5 metros de la salida de escape y en un ángulo horizontal de 45 °. Sin embargo, el ángulo y la dirección de las salidas varían y, en algunos casos, hay más de una salida; todas deben probarse por separado y las lecturas de ruido más altas cuentan. Cualquier dispositivo activo de ajuste o estrangulamiento en el escape debe ser compatible en todas las posiciones.

Los equipos tienen como objetivo obtener la máxima potencia del motor, lo que significa que no quieren "estrangular" demasiado los motores. Nuestras mediciones mostraron que bastantes equipos superaban o llegaban al límite del nivel de ruido permitido.

Para reducir el nivel de ruido, notamos algunas técnicas utilizadas por los equipos. Uno fue el llamado "asesino de dB": un accesorio montado en la salida de escape y que reduce su diámetro, lo que hace que las ondas de presión del gas reboten y regresen a la tubería. Otros son una extensión del tubo de escape o convertir la dirección de la salida de escape en aire libre.

En nuestro caso, el FS Rimac Alpe Adria fue la última competición de la temporada 2021 y casi todos los equipos habían estado compitiendo en al menos una de las competiciones anteriores. Es por eso que los niveles de ruido estuvieron dentro de los requisitos.

Cuando se trata de los valores de ruido medidos, la idea intuitiva podría ser que, hasta cierto punto, una pequeña diferencia en los niveles de dB es despreciable y que es sensato permitir cierta tolerancia por encima de los límites prescritos.

Pero en realidad, es importante seguir los límites de forma bastante estricta; incluso una diferencia de valor tan pequeña como 1 dB significa un gran aumento de los niveles de presión sonora medidos. La escala de dB es logarítmica y no lineal: si el nivel de ruido excede el máximo requerido de 110dB (C) a 111dB (C), no es solo un 0.91% demasiado alto sino aproximadamente un 10%.

Conclusión

Estuvimos felices de pasar el fin de semana en la pista de carreras de Novi Marof. Nos divertimos mucho, y las pruebas de ruido en el Rimac FS Alpe Adria 2021 se realizaron en estricta conformidad con el procedimiento FS especificado y el equipo utilizado era adecuado.

El organizador Luka Pavlović, dijo:

Invitamos a Dewesoft para que nos ayude con la medición, ya que son conocidos mundialmente por su experiencia en ingeniería de sonido. Como era de esperar, hicieron su trabajo a la perfección y de manera profesional, asegurándose de que todo estuviera de acuerdo con el Libro de reglas oficial de Formula Student. Incluso ayudaron a algunos de los equipos y les dieron algunos consejos útiles, después de todo esto es una competencia de estudiantes, se trata de aprender y crecer.

Una clave de nuestro éxito fue seguir el procedimiento. Sin embargo, nuestras pruebas fueron algo diferentes de las realizadas en eventos del pasado. Introdujimos un nuevo nivel de objetividad al mostrar todas las salidas de medición directamente en una pantalla grande, lo que brinda a los miembros del equipo una visión inmediata de sus niveles de ruido medidos, así como del procedimiento de prueba.

Uno de los conductores del equipo UNI Maribor GPE, el líder técnico Adam Grah dijo: “He estado en esta competencia durante más de tres años y he estado en más de seis competencias y debo decir que la prueba de ruido de este año fue la más objetiva y más impresionante que he visto en mi vida, especialmente porque pudimos ver los valores directamente de los propios escrutadores ”.

En conclusión, le dimos a cada equipo los datos medidos junto con el instalador de nuestra última versión de software en una memoria USB. Los equipos ahora pueden realizar un análisis más detallado de los datos adquiridos y obtener información vital para realizar mejoras o modificaciones adicionales en el diseño de su motor y escape.

Dewesoft lleva algunos años apoyando a los equipos de carreras FS eslovenos de las universidades de Ljubljana y Maribor. El líder de Aerodinámica en el equipo de UNI Maribor GPE, Jakob Razdevšek, concluyó sobre nuestra colaboración: “Nuestro proceso de desarrollo se hizo mucho más fácil mediante el uso de equipos de medición Dewesoft”.

¡El evento de este año en Croacia fue genial! Todos nuestros sensores y el equipo cumplieron con los estándares internacionales para medir el sonido. Nuestras mediciones fueron precisas, repetibles y muy útiles. ¡Un trabajo bien hecho!

Los equipos del Rimac FS Alpe Adria

Combustión

Eléctrico