Análise do emprego de aerofólios em veículos esportivos

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Aerodynamics for formula SAE: Initial design and performance prediction 
Equipe Minerva eRacing UFRJ
Aluno: Lucas Fonseca Alexandre de Oliveira
Análise do emprego de aerofólios
O artigo escolhido tratou de uma breve discussão sobre o uso de aerofólios nos carros da fórmula SAE, apresentando seu conceito, e as regras da SAE. Depois foi feito uma análise comparativa do efeito de tais dispositivos comparando o desempenho de um carro com aerofólio e um carro sem aerofólio.
Ao longo dos anos observou-se uma tendência no design dos carros da competição com o intuito de melhoria no desempenho, como o uso de fibras de carbono para a redução do peso, uso de motor monocilindrico para redução do peso e do consumo de combustível e o uso de aerofólios invertidos para geração de uma força vertical orientada para o solo (também conhecida como Downforce), que aumenta a aderência do carro ao chão melhorando seu desempenho em curvas. Sendo o emprego do aerofólio de difícil avaliação para as equipes. 
A regras da SAE limitam a forma e o emprego do uso dos aerofólios. Eles não devem atrapalhar a saída do motorista e só podem ser empregadas sob as rodas traseiras e à frente das rodas dianteiras. Não existe limitação quanto ao tamanho, elas ficam então limitadas pela distância entre os eixos e a largura da pista. E também não há limitação quanto à altura do aerofólio sob as rodas traseiras, ficando a critério da equipe, que deve achar um ponto ótimo.
O emprego dos aerofólios se torna interessante quando se observa que há um potencial disponível que não é usado uma vez que o motores produzem potência mais que suficiente para a velocidade máxima imposta pela SAE. Esse excedente não usado poderia ser empregado para compensar o excesso de arrasto gerado pelos aerofólios e assim o carro poderia tirar proveito do Downforce, principalmente nas competições Autocross e Endurance, onde o carro deve executar curvas.
Para a especificação do aerofólios e do Downforce foi apresentado um método que parte de uma fórmula para o cálculo de potência e velocidade, e através do balanço de momentos para o cálculo das forças. Os cálculos utilizaram dados do carro Monash SAE 2003. 
Partindo da seguinte fórmula:
E através do coeficiente de arrasto, da área do carro e da potência fornecida calcula-se a velocidade máxima do carro. Para isso é considerado que a inércia do rolamento é desprezível e que toda a energia disponível é absorvida pelas forças de arrasto.
Usando os valores de , e obteve-se uma velocidade de aproximadamente , um valor acima do limite máximo da SAE de . 
Para alcançar a velocidade máxima imposta pela SAE são necessários 17 kW sobrando 28 kW para a superação de arrastos adicionais originados pelos aerofólios.
Utilizando a potência disponível e supondo uma área para o aerofólio traseiro se calcula o coeficiente de arrasto. Para os cálculos aqui apresentados usou-se uma área de 0,91 metros quadrados, o que forneceu um coeficiente de arrasto de 1.5. A partir do obtém-se que o coeficiente de sustentação, deve ser negativo entre 3 e 4. Considerando um de 3.5 é gerado um Downforce no aerofólio traseiro de 240 N para uma velocidade 40 km/h. 
Para o cálculo do Downforce no aerofólio dianteiro faz-se um balanço de momentos em relação ao centro de pressão, que é a posição do solo diretamente abaixo do centro de gravidade. Para os cálculos aqui feitos, considerou que o carro possui um peso igualmente distribuído de tal forma de o centro de gravidade se localizaria no meio do carro. Assim calculou-se um força de 165 N.
Ensaios em túnel de vento mostraram que a forca roda traseira é 35 % do que o valor calculado e na roda dianteira 33%, sendo mantido o equilíbrio aerodinâmico.
Uma vez que os aerofólios são determinados eles devem ter sua performance analisada, para saber se de fato eles irão funcionar e se o seu emprego será de fato vantajoso para o carro. 
A análise da performance foi feita focando nas provas aerodinâmicas. São elas Skid Pad, aceleração, Autocross e Endurance. Para os cálculos da performance valores experimentais foram utilizados, eles se encontram listados no artigo original.
Na prova de aceleração o carro deve acelerar partindo da velocidade zero em uma pista com 75 metros de comprimento. Os carros com aerofólio apresentaram um tempo entre 3,80 e 3,89 segundos, enquanto que o carro sem aerofolio um tempo de 3,7 segundos. Uma diferença em torno de apenas 0,1 segundos.
A prova Skid Pad é um percurso de forma de 8 com um diâmetro de 15,25 metros. Para a sua análise de performace calculou-se a velocidade máxima em relação ao raio da curva. Obteve-se um tempo de 4,93 segundos, um resultado considerado positivo.
Para as provas Autocross e Endurance avaliou-se o desempenho do carro nas curvas e em relação à frenagem. Os resultados foram normalizados em relação ao carro sem aerofólios. Obteve-se o seguintes gráficos:
Para o gráfico acima tira-se que para uma velocidade na faixa de 30 à 80 km/h obtem-se de 8 à 30 % mais potencial em curvas. 
Um outro ponto importante é a aceleração de guinada. O uso do aerofólio pode ser benéfico ou prejudicial, dependendo da velocidade. Para uma gama de velocidades abaixo de um valor o aumento do momento polar de inércia implica numa aceleração de guinada menor. A partir de uma velocidade crítica o Downforce gerado aumenta a aderência do carro ao solo aumentando a aceleração de guinada. Para ambos os carros ela é mostrada no gráfico abaixo, também normalizado.
Pelo gráfico a velocidade crítica encontrada é 32 km/h acima desse valor a aceleração de guinada do carro com aerofólio é maior que a do carro sem aerofólio. 
Por fim a frenagem dos carros com aerofólio é melhor do que a dos carros sem devido ao aumento do arrasto e do aumento de aderência.
Logo de maneira geral o emprego de aerofólios apresenta vantagens significativas para as provas de Autocross e Endurance pelo aumento expressivo da aceleração de guinada e da velocidade em curva além da melhor frenagem. Para as provas de Skid Pad e de aceleração retilínea os resultados são semelhantes aos dos carros sem aerofólio ou ligeiramente menores.
RESUMO
Com o passar dos tempos o emprego de aerofólios nos carros da competição de formula SAE se tornou uma tendência. O projeto de seu design e análise de seu desempenho são fundamentais para uma aplicação adequada dos aerofólios.
O aerofólio proporciona uma força vertical direcionada para baixo chamada de Downforce que aumenta a aderência do carro solo melhorando seu desempenho em curva. E um acréscimo no arrasto.
Para o cálculo do Downforce, utiliza-se a seguinte fórmula . Partindo-se da potência máxima, do coeficiente de arrasto e da área do carro calcula-se a velocidade máxima possível a ser atingida pelo carro, que normalmente será maior que o limite permitido pela SAE. Assim com a velocidade máxima permitida pela calcula-se a potência necessária para tal, a potência restante pode ser empregada para superar o arrasto adicional dos aerofólios.
Supondo uma área pro aerofólio calcula-se o coeficiente de arrasto para uma dada velocidade e assim a força originada. Para o carro Monash 2003 com aerofólio traseiro com uma área de 0,91 metros quadrados obteve-se um força de 240 N à uma velocidade de 40 km/h.
Através do equilíbrio de momentos em relação ao centro de pressão se calcula o Downforce no aerofólio dianteiro. 
Testes em túneis mostram que a força no aerofólio traseiro é 35% menor do que o valor calculado e no aerofólio dianteiro 33% menor.
Uma análise do desempenho dos aerofólios se faz necessária para garantir seu funcionamento e para avaliar se o seu emprego é de fato vantajoso.
Analisou-se o desempenho do carro com aerofólio em comparação ao carro sem aerofólio nas quatro provas dinâmicas: Skid Pad, onde o carro faz um percurso em forma de 8; aceleração, onde o carro acelera numa pista retilínea de 75 m; autocross e endurance, que sao percursos curvos. 
Para as provas de aceleração e Skid Pad o emprego do aerofólio proporcionou quasenenhuma vantagem ou um ligeira desvantagem.
Para as provas de autocross e endurance o emprego de aerofólios mostrou significativa vantagem com aumento da velocidade em curvas e da aceleração de guinada.
Carros com aerofólios também apresentam melhor frenagem.