Integración del neumático inteligente para estimar la variación de la fricción en el contacto neumático-calzada

• Autores: Maria Fernanda Mendoza Petit
• Directores de la Tesis: Vicente Díaz López (dir. tes.), Daniel García-Pozuelo Ramos (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2020
• Idioma: catalán
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Luis San Román García (presid.), Luis Emilio Velasco Sánchez (secret.), José Luis Muñoz Sanz (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de vehículos de motor
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • El neumático es un componente presente en la mayor parte de los vehículos automóviles. Suponen el único punto de contacto del vehículo con la calzada y a partir de su interacción se generan las fuerzas de contacto que permiten trasmitir el par motor para el desplazamiento del vehículo en la trayectoria deseada. Esto hace que sean componentes altamente influyentes en el comportamiento dinámico del vehículo, en las prestaciones del vehículo y responsables del confort y de la seguridad de los ocupantes. El desempeño de este componente depende de un grupo de factores, tales como, el estado de la superficie de rodadura, el grado de las solicitaciones (lateral, longitudinal y vertical), la presión de inflado, la velocidad de circulación, ángulo de caída, ángulo de deriva, factores de diseño del neumático, el desgaste y estado del neumático, entre otros. Dependiendo del rango de trabajo de estos, la precisión y la respuesta del vehículo se puede ver mermada. Uno de los principales objetivos de la industria automovilística es que sus vehículos sean cada vez más seguros, por consiguiente, el neumático por estar en contacto directo con la calzada debe ser considerado como una de las principales fuentes de información.

    Según el Barómetro de las Averías 2017 que publica el club automovilístico RACE los problemas con los neumáticos del vehículo son la segunda causa de necesidad de asistencia, se incrementan un 5,5% respecto a 2016. Los accidentes por salidas de vía están vinculados con el agarre de los neumáticos los cuales, en 2016, la falta de agarre entre el neumático y el asfalto alcanzaron un 47% del total de accidentes en carretera. Asimismo, la Dirección General de Tráfico (DGT) intensifica la vigilancia a furgonetas las cuales representan 7% del parque de vehículos y están implicadas en el en el 11% de los accidentes con víctimas. La pérdida de control de la furgoneta se debe a la facilidad que tiene esta de derrapar por la colocación y sujeción de la carga (el centro de gravedad del vehículo puede cambiar constantemente), aumentando el riego al vuelco de esta. Es importante advertir que la perdida de adherencia neumático-calzada aumenta la distancia de frenada y reduce la capacidad de controlar la trayectoria del vehículo. En distintos estudios se intenta determinar la causa del accidente (vía, vehículo o conductor), no obstante, es importante resaltar que el factor humano explica la mayor parte que la accidentalidad en España (entre un 70 y 90%), seguido del factor vía (entre un 10 y 35%) y finalmente el vehículo (entre el 4 y 13%); mientras que, en la Unión Europea, el error humano está involucrado en aproximadamente el 95% de todos los accidentes de tránsito. Esto sugiere preguntarse muchas veces si son las causas vehículo y conductor las causantes del accidente o si es el conductor el que no adapta su conducción a las circunstancias. Esto sugiere la optimización de los actuales sistemas de control de forma que asistan al conductor a reorientar la conducción del vehículo.

    En la actualidad los vehículos están compuestos de avanzados sistemas de control activo, tales como el TCS (Traction Control System), el ABS (Anti-lock Braking System), el SCS (Suspension Control System) o el ESC (Electronic Stability Control), el AHS (Automated Highway Systems), que permiten reducir el riego de pérdida de control al volante. Sin embargo, las estadísticas sobre accidentes demuestran que el factor humano es el mayor responsable de la accidentalidad. Por tanto, es necesaria la cooperación y el intercambio de información entre los distintos componentes del vehículo y, establecer una conducción cooperativa entre los conductores y el vehículo (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS). El sistema de monitorización de la presión de los neumáticos (TPMS) permite garantizar las condiciones de presión indicadas por el fabricante para lograr el funcionamiento óptimo del neumático. Sin embargo, la falta de información sobre la huella de contacto, formada en la interacción neumático-calzada, hace imposible poder determinar un límite antes del derrape de las ruedas. Esta información es fundamental para detectar fallos que puedan generar riesgo y controlar adecuadamente el vehículo para mitigar cualquier situación potencialmente peligrosa. Por ello, monitorizar en tiempo real los parámetros dinámicos del neumático se lograría una retroalimentación de la información entre los sistemas de control activo del vehículo y las condiciones de la superficie de rodadura.

    En el presente trabajo se desarrollan un conjunto de metodologías para extraer información de las deformaciones medidas en la huella de contacto con la finalidad de poder determinar la adherencia del neumático sobre la calzada. Para ello, ha sido necesario ensayar el prototipo de neumático, diseñado e instrumentado en la Universidad Carlos III de Madrid, con bandas extensométricas en su interior sobre un banco de pruebas triaxial en el laboratorio de la Universidad de Birmingham. Este enfoque permite mostrar al neumático instrumentado con sensores extensométricos como un sensor activo capaz de estimar los parámetros que intervienen en la interacción neumático-calzada y, si este está deslizando.

    El banco de pruebas triaxial consiste en una estructura rígida compuesta por un tambor de giro que provee el movimiento a la rueda en contacto y de un grupo de actuadores que permiten modificar la posición del neumático sobre el tambor. El sistema de ensayos permite medir la magnitud de la fuerza lateral y de la fuerza longitudinal y regular las entradas, tales como: la carga vertical aplicada al neumático, la velocidad de giro del tambor y el ángulo de deriva. El neumático utilizado es un neumático liso radial DUNLOP SP SPORT 175/505 R13 (tubeless) empleado principalmente para competiciones de vehículos de Formula Student. El neumático está instrumentado con tres bandas extensométricas multiaxiales conocidas como rosetas “R” (tres ejes de medición colocados en ciertos ángulos uno del otro), su resistencia eléctrica es de 120Ω y la longitud de la rejilla de medición es de 2mm. Estas se caracterizan por ser robustas y flexibles lo que posibilita su instalación sobre la superficie interior de la banda de rodadura del neumático. Estas rosetas están dispuestas simétricamente a ambos lados del plano medio longitudinal del neumático. El equipo de adquisición utilizado durante los ensayos es portátil cuenta con un módulo procesador y otro de alimentación/comunicación. Su interfaz gráfica permite configurar el equipo para las condiciones de ensayo deseadas. Los ensayos se realizaron modificando dentro de un rango controlado las siguientes condiciones de operación del neumático: presión de inflado, carga vertical, velocidad de rodadura y el ángulo de deriva. En cualquier caso, no se debe olvidar que los neumáticos son componentes extremadamente complejos y que la información de sus parámetros al interactuar con la calzada está condicionada por las condiciones de operación.

    Inicialmente se realiza un estudio de las deformaciones medidas en la huella de contacto al variar las condiciones de operación del neumático. Para llevar a cabo este análisis experimental, se ha desarrollado un algoritmo en MATLAB capaz de realizar una selección de los puntos claves sobre la curva de deformación. Los resultados muestran que se pueden modelizar los puntos característicos de las deformaciones medidas en la huella de contacto con las condiciones de operación del neumático. Los modelos obtenidos se utilizan para alimentar un sistema lógico difuso. El sistema de lógica difusa está conformado por cuatro bloques interrelacionados los cuales permiten estimar el ángulo de deriva, la fuerza vertical, la fuerza lateral y la fuerza longitudinal. Las entradas a los bloques son seleccionadas en función de la sensibilidad del parámetro de deformación a la condición de operación del neumático. Para verificar el estimador de todas las fuerzas generadas en el contacto neumático-calzada y el ángulo de deriva se utiliza el software CarSim y también se desarrolló un modelo empírico de fuerza lateral a partir de los datos de operación del neumático ensayado. En el software de simulación CarSim se utilizó la configuración de un vehículo de Fórmula 3 (F3) adaptado a las condiciones de operación y a las características del vehículo Formula Student de la UC3M. En el proceso de verificación se utilizan las maniobras complejas doble cambo de carril (DLC), cambio de carril (LC) y seno con cambio de carril (SWD). La configuración del vehículo utilizada es un vehículo Fórmula 3 adaptando la carga vertical de los neumáticos a la máxima permitida para el neumático ensayado. El modelo semi-empírico se fundamenta en la fórmula mágica de Pacejka. Los resultados obtenidos tras el estudio realizado muestran que el estimador desarrollado arroja un bajo margen de error independientemente de la condición de operación del neumático (en rodadura).

    Entre los parámetros dinámicos a controlar del neumático el radio efectivo, la longitud y la velocidad en la huella de contacto influyen en la capacidad de este para transmitir las fuerzas de contacto. La monitorización de la longitud de la huella de contacto, el radio efectivo de rodadura y la velocidad proporciona una mejor descripción del fenómeno que ocurre en la huella de contacto del neumático. En la literatura relacionada con las medidas de las deformaciones de los neumáticos se analiza la relación entre la deformación del neumático y la longitud de contacto y, también, entre la deformación del neumático y el radio efectivo. Sin embargo, ninguno de ellos alcanza el valor computacional en tiempo real de los mismos. Estos parámetros están directamente relacionados con la adherencia-deslizamiento que se produce en la zona de contacto, es decir, con las condiciones de tracción de los vehículos, influyendo directamente sobre el control de las emisiones, el confort, la maniobrabilidad, los efectos de la amortiguación, y la pérdida de control del vehículo. En este trabajo se desarrolla un algoritmo de estimación para facilitar el cálculo de los parámetros del neumático ({cl}_w,\ R_{eff},\ V_w) a partir de las deformaciones medidas sobre la banda de rodadura. Para ello se realizó un estudio del proceso de deformación al que está sometido un punto de la banda de rodadura del neumático. Esta metodología se emplea para estimar el radio efectivo, la longitud y la velocidad en la huella de contacto a los datos experimentales de deformación medidos en los ensayos realizados al neumático instrumentado en condiciones de operación controladas. Los resultados obtenidos del comportamiento de estos parámetros al variar las condiciones de trabajo del neumático se utilizan para el desarrollo de un estimador del radio efectivo y de la longitud de la huella de contacto utilizando un sistema lógico difuso. El propósito es extrapolar los resultados a otros tipos de condiciones de trabajo permitiendo evaluar su comportamiento en maniobras dinámicas complejas. Se utilizan las simulaciones del software CarSim para obtener los datos de entrada para el estimador en condiciones de maniobras severas. Esto a su vez, permite verificar los resultados del algoritmo propuesto porque el estimador está basado en dichos resultados. Los resultados del estimador lógico difuso son coherentes en condiciones de maniobras dinámicas, demostrando así la validez del algoritmo propuesto en este trabajo de investigación.

    El fenómeno de fricción está asociado con las diversas solicitaciones en la huella de contacto donde el estado de la superficie de rodadura es un factor condicionante. Una estimación fiable de la fricción en la interacción neumático-calzada permitiría la optimización de los sistemas de control activo para controlar adecuadamente el vehículo y mitigar cualquier situación potencialmente peligrosa. Este es uno de los problemas más importantes en la industria automotriz dado que en la actualidad no se ha logrado un método de trabajo satisfactorio que permita su estimación. Asimismo, también propicia el desarrollo de nuevas funciones como la distancia de seguimiento adaptable en él (ACC), sistemas automatizados de calzadas (AHS, Automated Highway Systems), sistemas avanzados de asistencia a la conducción (ADAS, Advanced Driver Assistance Systems), entre otros. En este documento se propone integrar modelo fricción dinámico de LuGre con el neumático instrumentado. La finalidad es estimar el coeficiente de fricción de la superficie de rodadura a partir de las deformaciones medidas en la huella de contacto. El modelo de fricción de LuGre permite caracterizar la interacción neumático-calzada, el fenómeno de adhesión-deslizamiento y es empleado con frecuencia en la modelización dinámica de los vehículos y en la estimación de la fricción de los neumáticos por su fácil implementación y por ser preciso en condiciones dinámicas. A partir de los estimadores desarrollados, Estimador de los parámetros del neumático y el Algoritmo de detección en la huella de contacto, se estiman los parámetros del neumático requeridos para alimentar el modelo de LuGre. Los resultados obtenidos permiten proporcionar al neumático instrumentado la posibilidad de estimar las condiciones de fricción de la superficie de rodadura. La metodología propuesta en estudio permite estimar el coeficiente de fricción y las condiciones de adherencia en maniobras complejas. Por último, se propone una condición de deslizamiento que permita determinar el límite y margen de adherencia del neumático. Se realizan una serie de simulaciones de maniobras dinámicas complejas en CarSim para verificar los resultados de la metodología propuesta.

    A partir de los resultados de la condición de deslizamiento se obtienen dos condiciones o "clases posibles" en la rueda, estas son, situación de deslizamiento o situación de no deslizamiento. Para delimitar las clases obtenidas de estos resultados se implementa un algoritmo de aprendizaje automático. Esto permite proponer una metodología para el desarrollo de un sistema de detección automático de deslizamiento. Este sistema presenta como novedad establecer los límites de adherencia/deslizamiento a partir de las fuerzas generadas en el contacto neumático-calzada. El objetivo principal de este sistema es proveer al neumático de un sistema inteligente capaz de identificar, en rodadura, si este desliza. El límite entre las clases es obtenido mediante el entrenamiento del algoritmo con ensayos simulados en condiciones de maniobras complejas. Para ello se utilizan las variables que conforman la hipótesis de condición de deslizamiento. Las maniobras son simuladas para un vehículo de configuración F3 adaptado a las características de un vehículo Formula Student (FS) y con las dimensiones del neumático ensayado en el laboratorio de la Universidad de Birmingham. Dada la compleja situación dinámica a la que el vehículo se ve sometido durante la ejecución la ejecución de las maniobras dinámicas, las ruedas son propensas a deslizar. Se realiza la verificación del sistema de detección de deslizamiento utilizando las características de operación de un vehículo transitando un circuito de CarSim a diferentes velocidades. A efectos de este estudio, los límites encontrados no son generalizables a otros tipos de neumáticos o a otras condiciones de operación distintas de las ensayadas hasta que, se estudien otros tipos de neumáticos y/o se amplíen las condiciones de operación de este. Por tanto, este estudio se propone como una metodología a continuar desarrollando en estudios futuros.

    Para concluir, se exponen los puntos de este estudio en los que se hace una contribución original: una mayor comprensión de las curvas de deformación, facilita el cálculo de los parámetros del neumático a partir de las deformaciones medidas sobre la banda de rodadura, obtener la magnitud de estos parámetros en condiciones de operación controladas, analizar la influencia de las condiciones de operación sobre los parámetros estimados, desarrollar los estimadores del ángulo de deriva, de las fuerzas generadas en la huella de contacto, de la longitud de la huella de contacto y el radio efectivo del neumático a partir de las medidas de deformación. Se verifican los resultados obtenidos de los estimadores en diferentes condiciones de trabajo. Se integra un modelo de fricción al estudio del neumático inteligente. Esto permite el desarrollo de una condición de deslizamiento la cual es alimentada por los parámetros estimados del neumático instrumentado. Por último, se propone una metodología para establecer límites de adherencia para el desarrollo de un sistema de detección de deslizamiento. Esta se fundamenta en el uso de algoritmo de aprendizaje automático para establecer las zonas de deslizamiento/no deslizamiento.