Metodología experimental para la identificación de parámetros de suspensión en vehículos automóviles
- Autores: Enrique Carabias Acosta
- Directores de la Tesis: Juan Jesús Castillo Aguilar (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Málaga ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Felipe Jiménez Alonso (presid.), Antonio Simon Mata (secret.), Miguel Sánchez Lozano (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y Eficiencia Energética por la Universidad de Málaga
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RIUMA
- Resumen
El objetivo de esta Tesis es el desarrollo de un método de evaluación de los componentes del sistema de suspensión en vehículos automóviles, sin desmontaje de los mismos, cuyos resultados puedan utilizarse para determinar, cuantitativa y cualitativamente, la incidencia en la seguridad que tiene su grado de deterioro. El estudio se centra en el amortiguador, principal causante del funcionamiento incorrecto del sistema.
El sistema de suspensión es el conjunto de dispositivos elásticos y amortiguadores dispuestos entre el suelo y la carrocería destinados a proporcionar comodidad y seguridad a los pasajeros y protección a las mercancías transportadas.
Desde el punto de vista de la seguridad activa, la suspensión tiene la función de garantizar el mejor contacto posible entre neumático y calzada, por lo que es determinante en la evolución de las fuerzas verticales que intervienen en el comportamiento dinámico del vehículo.
Los elementos elásticos de la suspensión, en general, son componentes muy fiables que no varían significativamente sus características con el tiempo. Sin embargo, no ocurre lo mismo con los amortiguadores, por lo que su deterioro supone una disminución de la seguridad en maniobras comprometidas de tracción, frenado o direccionales.
La inspección de los elementos elásticos es relativamente sencilla, pero excepto en casos muy evidentes de pérdida de aceite, para detectar el fallo de un amortiguador se necesitan métodos dinámicos mas complejos, que en ocasiones requieren desmontar los componentes de la suspensión.
Los equipos comerciales existentes para la evaluación del estado de los amortiguadores sin desmontaje en muchos casos no son capaces de detectar y en ningún caso cuantificar su grado de deterioro. Por este motivo se pueden encontrar en la bibliografía numerosas propuestas para mejorar los métodos de diagnosis actuales.
Del estudio de estas propuestas se evidencia la dificultad para establecer un criterio objetivo único de aceptación o rechazo de un amortiguador. Esto es debido a que los sistemas de suspensión se diseñan con unos parámetros que son específicos para cada vehículo. Por lo tanto, identificar dichos parámetros, centrándose en la curva de comportamiento del amortiguador, es el método mas fiable para poder evaluar el correcto funcionamiento del sistema; ya que permite realizar simulaciones dinámicas en maniobras comprometidas, en diferentes condiciones de adherencia, carga, etc.; relacionando la respuesta en cada caso con el estado de los amortiguadores.
Los amortiguadores utilizados en vehículos se diseñan con un comportamiento no lineal, diferente en extensión y en compresión y habitualmente, también diferente en alta y baja velocidad. Actualmente no existe ningún equipo en explotación que permita obtener la curva característica de un amortiguador sin desmontarlo, ni siquiera como parámetro lineal aproximado.
En este trabajo se analizan las diferentes metodologías que consiguen experimentalmente resultados cuantitativos. Todas tienen en común que obtienen coeficientes de amortiguamiento constantes. Pero como se ha podido comprobar experimentalmente, con valores de amortiguamiento lineales no es posible predecir correctamente las fuerzas verticales en el contacto del neumático con el suelo. Por lo tanto, tampoco el comportamiento del vehículo en situaciones en las que se presentan diferentes combinaciones de velocidades de extensión-compresión en el amortiguador, lo que ocurre en la mayoría de los casos.
- Desarrollo: La metodología que se propone en esta Tesis para la obtención de la curva fuerza-velocidad de un amortiguador parte de la hipótesis de que caracterizando el movimiento de un vehículo cuando se excita el sistema de suspensión es posible, mediante el método de optimización adecuado, identificar los parámetros de las ecuaciones del modelo dinámico que definen su comportamiento; en concreto, las curvas de rigidez y de amortiguación, masas e inercias.
Las pruebas se han realizado en un banco comercial de suspensiones de vehículo completo, con resorte entre la leva del motor y la placa de excitación. Se ha sustituido el sistema de control y de adquisición de datos para permitir ensayos a frecuencia controlada y poder registrar los desplazamientos de las placas de excitación, de las ruedas y de diferentes puntos de la carrocería. Para ello se han utilizado sensores de medida sin contacto láser.
Basándose en un modelo simplificado de suspensión y utilizando un algoritmo de búsqueda de evolución diferencial, se comparan los resultados al resolver las ecuaciones de equilibrio del modelo para cada instante de tiempo con los desplazamientos obtenidos experimentalmente. El algoritmo de optimización, adaptado al estudio dinámico de suspensiones, busca las curvas de amortiguación y los parámetros desconocidos del modelo que hacen mínimas las diferencias con el comportamiento real del sistema de suspensión cuando es excitado en las mismas condiciones de frecuencia y amplitud.
En este trabajo se han evaluado diferentes modelos simplificados de simulación utilizados en dinámica vehicular para el estudio de suspensiones: de cuarto de vehículo de dos grados de libertad, por eje de cuatro grados libertad y de vehículo completo de ocho grados de libertad, considerando la rigidez torsional.
- Conclusiones y resultados: Los resultados obtenidos demuestran que es posible determinar experimentalmente los parámetros que definen el comportamiento de la suspensión, incluidos los que se caracterizan por un comportamiento no lineal. Pero también, que modelos excesivamente simplificados, como los de cuarto de vehículo sin el efecto de la barra estabilizadora o los de medio vehículo sin considerar la rigidez torsional de la carrocería ni el momento de inercia de cabeceo, no permiten obtener resultados satisfactorios. Para conseguirlos es necesario que el modelo contemple en los equilibrios de fuerzas y momentos todos los parámetros de influencia en el comportamiento del vehículo completo.
El grado de ajuste de las curvas de amortiguación obtenidas es muy sensible a los modelos dinámicos utilizados para su identificación, tanto el de la suspensión como el del comportamiento vertical del neumático. Solo modelos realistas permiten determinar las características no lineales de los amortiguadores.
Por este motivo, también se han estudiado diferentes modelos de comportamiento vertical de neumáticos utilizados en simulación dinámica de vehículos. Con el objetivo de seleccionar el más adecuado para caracterizar la curva del amortiguador, se ha utilizado un banco de ensayo de accionamiento hidráulico que permite reproducir, en frecuencia y desplazamiento, las excitaciones variables a las que están sometidos los neumáticos en las condiciones del banco de vehículo completo. El banco ha sido diseñado y construido en el ámbito de esta Tesis.
Como consecuencia del estudio realizado, se propone utilizar para la obtención de las curvas y para la identificación del resto de los parámetros de la suspensión, un modelo de punto de contacto único basado en el del comportamiento viscoelástico de Maxwell; con una rigidez vertical estática no lineal y con dos coeficientes que caracterizan la variación de la fuerza de deformación en función de la frecuencia de excitación.
Se ha comprobado que con el modelo de neumático propuesto se obtienen mejores resultados en las simulaciones que con el de Kelvin-Voigt, que es el utilizado habitualmente en dinámica vehicular. Este modelo considera solamente una rigidez vertical con un amortiguamiento en paralelo, y en ocasiones, únicamente el parámetro de rigidez.
Trabajar con el modelo de Maxwell, no solo permite simular adecuadamente el comportamiento de la suspensión en las condiciones de los ensayos, sino que es fundamental para identificar las curvas de amortiguación. A pesar de ser un modelo simplificado, combina sencillez en la obtención de sus parámetros de configuración con resultados de simulación que se ajustan a los reales del comportamiento vertical del neumático en un rango amplio de frecuencias de trabajo.
La metodología propuesta en esta Tesis para identificar las curvas de amortiguación y el resto de parámetros, permite que los resultados se puedan incorporar a un modelo de simulación dinámica vehicular de vehículo completo y realizar ensayos virtuales de maniobras comprometidas que determinen cuantitativamente el efecto que tiene en la seguridad el grado de deterioro de cada uno de los elementos de la suspensión del vehículo analizado, especialmente el amortiguador.
El banco de componentes y conjuntos de suspensión desarrollado en este trabajo de investigación, no solo ha permitido caracterizar el comportamiento vertical de los neumáticos y validar el modelo dinámico propuesto, sino que también, ensayando un conjunto realista de dos grados de libertad equivalente a un modelo de cuarto de vehículo, ha sido fundamental para el desarrollo, puesta a punto y validación de la sistemática para la identificación sin desmontaje de la curva característica de los amortiguadores. Este nuevo equipo se ha convertido en una herramienta de ensayo polivalente de apoyo a los proyectos de investigación del Área de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Málaga
