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También puede utilizarse en automóviles sin motor eléctrico, acumulando su energía mecánica en un volante de inercia y trasmitiéndola, por ejemplo, cuando el vehículo reanuda la marcha atrás, parar en un semáforo, rotonda o similar, uno de los momentos de mayor consumo.
Vídeo demostrativo - GFR
A diferencia del KERS, por hacer una comparación (ya que se trata de sistemas que funcionan de forma diferente), el GFR puede aprovechar energía de todos y cada uno de los movimientos del vehículo: aceleración, desaceleración, frenado, desfrenado, curvas, estabilización tras cada curva, variación de inclinación horizontal o vertical, estabilización tras cada variación de inclinación e incluso marcha atrás.
Cómo funciona
Para recoger la mayor parte de la energía de estos movimientos se utiliza la combinación de dos sistemas, uno secundario que se alimenta de los cambios de ángulo horizontales y verticales del GFR y, además, posiciona el sistema principal, el cual aprovecha la cantidad más importante de la fuerzas gravitatorias de una forma más eficiente que si lo hiciera sin la ayuda del sistema secundario.
Fig. 1 Sistema secundario y estructura exterior del GFR
El sistema secundario (Fig. 1) está compuesto por unos "amortiguadores regenerativos”" que sujetan la estructura del GFR al vehículo, los cuales son capaces de transformar en energía eléctrica parte de la fuerza que les es infringida por su uso. Estos amortiguadores mantendrán el sistema en su posición horizontal paralela con respecto al vehículo hasta que una variación en el ángulo de inclinación del GFR con respecto al mismo los haga reaccionar, estas variaciones pueden darse tanto por los cambios de desnivel o inclinación en el terreno como por la acción de las fuerzas G sobre el vehículo (Fig. 2) dejando cierta libertad de movimiento orbital al mismo, lo cual además de proporcionar energía eléctrica, prepara el sistema principal para que este obtenga un mejor rendimiento.
Fig. 2 Estimación de inclinación orbital de GFR por la acción del sistema secundario en Aceleración, Frenada, Curvas a Izquierdas y a Derechas. (Las flechas indican la dirección de las fuerzas G)
El sistema principal (Fig. 3) se encuentra dentro de la estructura que sujeta el GFR al vehículo y está compuesto por un sistema de lastres (que son las propias baterías de almacenamiento del sistema) distribuidos de forma que se muevan con cualquier variación de las fuerzas G a las que sean sometidos pero alteren lo menos posible el centro de gravedad del vehículo, unidos por unos brazos a una caja multiplicadora, la cual trasmite el movimiento rotatorio generado aumentado en revoluciones a un alternador que lo transforma en energía eléctrica o a otro sistema mecánico que pueda aprovechar esta rotación, como el mencionado volante de inercia.
Fig. 3 Sistema principal del GFR con la descripción de sus componentes básicos.
Al añadir una caja multiplicadora a este sistema se consiguen dos cosas muy interesantes:
- Ralentizar el movimiento de giro de los lastres alrededor del eje prolongando su tiempo de acción, haciendo más eficiente cada variación de las fuerzas G y suavizando además su funcionamiento para que repercuta lo menos posible en la estabilidad del vehículo.
- Modificar, como lo hacen muchos aerogeneradores, una rotación "lenta" de gran fuerza para alcanzar altas revoluciones que faciliten un más eficiente funcionamiento del alternador.
Problemas y soluciones
El peso, el espacio y la estabilidad, junto con el coste, son los tres principales inconvenientes que presenta la adición de este sistema a un monoplaza de Fórmula 1, un automóvil, una motocicleta u otro tipo de vehículo.
Si la energía generada no compensa la adición de peso extra al vehículo, no tiene sentido implantarlo, de no ser para favorecer el espectáculo en coches de competición.
Para solucionar este apartado se ha optado por utilizar como lastres el propio peso de las baterías de almacenamiento de la energía eléctrica producida por el sistema. Esto consigue además que se puedan instalar baterías más grandes, pesadas y menos sofisticadas que sean por lo tanto mucho más baratas. Para conducir la corriente eléctrica entre las mismas, el alternador y la salida se utilizan varios sistemas de escobillas y colectores. (Fig. 4)
Fig. 4 Conducción de la corriente eléctrica
El espacio es también un punto clave, sobre todo en los monoplazas de Fórmula 1, pero tampoco los automóviles de calle o las motos es que dispongan de demasiado.
Para solucionarlo se ha diseñado el GFR de forma que sus partes puedan ser ampliamente alteradas, no sólo en tamaño, sino en su forma, pudiendo fabricar sistemas más grandes y planos, más pequeños y altos, con el alternador integrado o exterior, con uno o varios brazos de sujeción, con colocación horizontal o vertical, etc.
La estabilidad es otro de los puntos a tener muy en cuenta. El conjunto de lastres del sistema principal precisa que sea descompensado para poder interactuar correctamente con las fuerzas G que le sean aplicadas y esto varía inevitablemente el centro de gravedad del vehículo. Un sistema cuyos lastres (tres o más) estarían repartidos de forma equidistante (Fig. 5) y no alteraría el centro de gravedad del vehículo con su rotación, pero apenas se movería al interactuar con las fuerzas G en cualquier dirección, pues sus pesos se compensan y estabilizan casi inmediatamente.
Fig. 5 Sistema con los lastres equidistantes (desestimado)
Si utilizamos un sólo lastre, su movimiento sería bastante constante, pero variaría demasiado el centro de gravedad en cada cambio de posición, al igual que lo haría (aunque en menos media) un sistema de dos lastres equidistantes y su movimiento se estabilizaría más rápido.
La solución consiste en un término medio, un sistema descompensado pero que altere lo menos posible la estabilidad del vehículo. Para esto se ha optado por el sistema de 6 lastres (Fig. 3) que es inestable en cualquier movimiento en dirección horizontal que se le aplique, pero que sin embargo cuenta con 6 puntos de apoyo bastante estables, modificando apenas el centro de gravedad del vehículo y consiguiendo más fuerza debido al peso que desplaza entre todos los lastres es mayor y por lo tanto más difícil frenar su inercia.
Costes de Fabricación
Para reducir los costes de fabricación y hacer posible implantar este sistema en vehículos de gama media y baja y no solo en los de alta gama o de competición, se ha diseñado con materiales y piezas muy comunes y fáciles de fabricar (Fig. 6) abaratando dentro de lo posible su fabricación, montaje y mantenimiento.
Fig. 6 Despiece de los componentes principales de uno de los diseños del GFR
Opciones
Las opciones que ofrece este sistema son muy variadas, entre ellas se encuentran:
- Sistema sin caja multiplicadora utilizando un alternador acoplado directamente, diseñado para funcionar a bajas revoluciones. La elección de uno u otro sistema depende de las condiciones a que se vea sometido, por ejemplo, en la Fórmula 1 (ver vídeo) si no se utiliza una caja multiplicadora su movimiento sería muy repentino y, como ya se ha comentado, podría desestabilizar el monoplaza. Además, se desaprovecharía buena parte de las ventajas del sistema al efectuarse el movimiento tan rápido que dejase casi sin acción el GFR hasta la siguiente variación en las fuerzas G.
Hay que tener también en cuenta que el propio alternador produce una resistencia a la rotación y con un diseño adecuado también podrían conseguirse buenas prestaciones sin necesidad de la caja multiplicadora.
Esta resistencia a la rotación que produce el propio alternador (Fig. 7) podría dificultar demasiado el que este comenzara a girar, sobre todo si se utiliza una caja multiplicadora, además de deteriorar prematuramente el sistema de engranajes de la misma, por lo cual se activará solo a partir de cierta velocidad como lo hacen muchos alternadores para evitar este problema o se utilizará otro tipo de alternador que genere menor resistencia, como algunos de imanes permanentes.
Fig. 7 Ubicación del alternador (imagen del vídeo demostrativo)
- Sistema de dirección única que permite el giro en una dirección y lo bloquea en la contraria.
Este sistema es muy interesante, pues ofrece varias ventajas y mejoras en algunos casos. Para conseguir esta configuración se utiliza un sistema de trinquete. Imaginemos una llave de carraca que la colocamos entre la caja multiplicadora y los lastres para hacernos una idea de su funcionamiento (ver vídeo).
Además. este sistema ofrece la posibilidad de que el motor del alternador gire en una sola dirección, la de aprovechar fuerzas G menos variables pero de más larga duración.
Si observamos en el vídeo el comportamiento del sistema, nos daremos cuenta de que los tres lastres que están más cercanos entre sí son los que se mueven hacia la dirección de la Fuerza gravitatoria aplicada, y una vez lo han alcanzado continúan girando por la inercia y luego cambian de dirección de giro para volver a la dirección de las fuerzas G aplicadas, así hasta que se estabiliza o cambian las características de las fuerzas G.
Si evitamos el primer cambio de dirección el sistema se quedará bloqueado en este punto, pero las fuerzas G seguirán actuado y esta configuración concreta de seis lastres está estudiada para facilitar que el sistema arranque fácilmente de nuevo en la misma dirección, dado que no es estable en ninguna posición horizontal el sistema hará lo más fácil, girar por donde le es posible.
Para mejorar aún más esta parte y alargar la vida de los componentes se incorporará un resorte torsional, similar al de un embrague, que permitirá que cuando el sistema llegue al punto de bloqueo comentado, éste pueda girar un poco en la dirección contraria acumulando esa energía que servirá para empujar después con más fuerza en la dirección permitida, sobre todo si las fuerzas G cambian de dirección durante el proceso.
Otra opción es añadir además otro sistema de trinquete que libere la transmisión al rotor del alternador si este gira más rápido que el sistema o este último cambia de dirección. De esta forma el rotor se comportaría de forma similar a un volante de inercia que seguiría girando hasta que lo frenase la propia resistencia del alternador y suavizaría el arranque en cada nuevo movimiento del sistema.
- Sistema para motocicletas.
Este sistema (Fig. 8) tiene la curiosa particularidad de poder ser colocado en vertical, con lo cual en un principio parecería que solo actuaría con fuerzas G delanteras y traseras y perdería sus ventajas en curvas. Sin embargo si observamos como trazan las curvas las motos de competición y carretera, comprobaremos que el sistema actuaría en estas sin problemas, más aún con la ayuda del sistema secundario. En otros tipos de motos se podría utilizar un sistema horizontal. Lógicamente estos sistemas deberán ser mucho más reducidos y de menores prestaciones.
(Fig. 8) Ejemplo de utilización en motos de competición y carretera
Cómo se hicieron las simulaciones del vídeo
- SIMULACIÓN PARA FÓRMULA 1
Para esta simulación se tomaron los datos de las fuerzas G en pasos de 1 segundo con la referencia del medidor del vídeo, estos datos son:
- Ángulo de dirección real con una precisión aproximada de 5 a 10 grados de la fuerza G a la que está sometido el monoplaza en ese instante.
- Intensidad de la fuerza G en el mismo instante en esa dirección.
Estos datos se introdujeron posteriormente en el simulador de gravedad y dio el resultado visto en el vídeo, no es una animación, sino una simulación.
- SIMULACIÓN PARA SUPERBIKES
Esta simulación se desarrollo con la misma técnica que la anterior, gracias también al medidor del video, pero se tuvo en cuenta además la inclinación del sistema en las curvas.
- RESTO DE SIMULACIONES
Se realizaron igualmente con el simulador de gravedad teniendo en cuenta como en las otras simulaciones la resistencia que aplica la caja multiplicadora o la ausencia de ella.
Implantación del sistema
Para que este sistema pueda implantarse lo antes posible tanto en automóviles o motocicletas de calle, como de competición u otros vehículos. es necesaria la apuesta de los fabricantes por invertir en su completo desarrollo. Por otra parte la unión de este sistema junto con otros como el KERS puede ser una buena estrategia, pues ambos son compatibles, ya que recogen la energía de formas y ubicaciones distintas.
Una combinación entre varios de estos sistemas podría ser la clave para la fabricación en un futuro cercano de automóviles de mucho menor consumo.
