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Instrumentación de un vehículo automóvil para el estudio de las fuerzas
en el neumático Autor
Alejandro Amil Varela
Tutores Miguel Ángel Naya Villaverde
Urbano Lugrís Armesto
Julio 2015
Trabajo Fin de Grado
• Conocer las fuerzas en el neumático sin instrumentar la llanta
• Interés en el mundo de la automoción• Seguridad en carretera• Aspectos de confort• Mejoras en consumo• Mejora de elementos de suspensión
Motivación
2
Fuerzas que actúan sobre el neumático:- Fuerza longitudinal, Fx- Fuerza normal, Fz- Fuerza lateral, Fy- Momento autoalineante, Mz- Momento de resistencia a la rodadura, My- Momento de sobreviraje, Mx
Hipótesis de trabajo:
Las barras de la suspensión se comportan comoelementos sometidos a la acción de dos fuerzas ypermiten estimar la fuerza lateral que actúa sobreel neumático.
Fuerzas y momentos actuantes sobre el neumático. Transmisión a los elementos de la suspensión
3
Introducción
• Objetivos • Decidir qué tipo de instrumentación
• Proceso de instrumentación
• Calibración
• Adquisición de datos
• Ensayos
• Conclusiones
4
• Utilización de galgas extensométricas• Buena relación calidad-precio • Alta precisión• Sencillez en el funcionamiento• Complicado proceso de montaje
• Fases del montaje1) Preparación de la superficie2) Pegado de la galga 3) Soldadura de los cables
• Circuito de medición: Puente de Wheatstone• Puente completo: rosetas• Cableado a tracción-compresión
Tipo de instrumentación. Extensometría
5
• Filtrado: filtro digital primer orden
• Amplificación
• Conversión A/D Resolución: 24 bits
Ganancia máxima: 128
Frecuencia de muestreo máxima: 125 Hz
Número de canales: 4
• Input PC Librerías proporcionadas por el fabricante: Phidgets Inc
C, C++, Python, Java, LabVIEW, etc.
Tratamiento de señal y adquisición de datos
6
Calibración célula de carga
y = -1874,8x + 737,76R² = 0,9997
-50
0
50
100
150
200
250
300
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
Fuer
za (
N)
Lectura (mV/V)
Calibración célula de carga
𝑭 = −𝟏𝟖𝟕𝟒, 𝟖 · 𝑽 + 𝟕𝟑𝟕, 𝟕𝟔
𝑹𝟐 = 𝟎, 𝟗𝟗𝟗𝟕
7
Bieleta de dirección
• Geometría sencilla
• No hay problemas de concentración de tensiones
• Pegado y soldadura in situ
Amortiguador
• Buena zona para medir esfuerzos axiales
• Libre de concentraciones de tensiones
Montaje experimental
9
Brazos
• Geometría compleja
• Concentración de tensiones
Brazo superior
Cambio de sitio por motivos geométricos
Suposición: flexión despreciable
Montaje experimental
10
Bieleta de dirección. Calibración
𝑹𝟐 = 𝟎, 𝟗𝟗𝟔𝟑
12
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-200
0
200
400
Tiempo en s
Fuerz
a e
n N
Fc
Fs
-50 0 50 100 150 200 250 300 350-200
0
200
400
Fuerza celula carga (N)
Fuerz
a e
lem
ento
(N
)
Amortiguador. Calibración
𝑹𝟐 = 𝟎, 𝟗𝟗𝟐𝟓
13
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-200
0
200
Tiempo en s
Fuerz
a e
n N
0 50 100 150 200 250 3000
100
200
300
Fuerza celula carga (N)
Fuerz
a e
lem
ento
(N
)
Fc
Fs
Brazos de suspensión. Calibración
𝑹𝟐 = 𝟎, 𝟗𝟖𝟒𝟐
Brazo inferior Brazo superior
𝑹𝟐 = 𝟎, 𝟗𝟖𝟗𝟏
14
0 5 10 15-100
0
100
200
300
Tiempo en s
Fuerz
a e
n N
-50 0 50 100 150 200 250-100
0
100
200
300
Fuerza celula carga (N)
Fuerz
a e
lem
ento
(N
)
Fc
Fs
0 5 10 15 20 25-100
0
100
200
Tiempo en s
Fuerz
a e
n N
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-100
0
100
200
Fuerza celula carga (N)
Fuerz
a e
lem
ento
(N
)
Fc
Fs
• Hipótesis de partida• Fuerzas colineales• Equilibrio estático de fuerzas
Plano horizontal
Σ𝐹𝑦 = 𝐹𝑏𝑠 + 𝐹𝑏𝑖 + 𝐹𝑎 · cos 𝛼 + 𝐹𝑏 = 𝐹𝑦
Plano vertical
Σ𝐹𝑧 = 𝐹𝑎 · sin 𝛼 −𝑊𝑓
2= 0
Reparto de pesos𝑊𝑓 = 258 𝑘𝑔𝑊𝑟 = 386 𝑘𝑔
Ensayos y resultados
15
Ensayos y resultados
Equilibrio vertical
• Vehículo en reposo sobre el suelo
Equilibrio horizontal
• Vehículo suspendido y conjunto rueda colgando
16
Ensayos y resultados
• Valores excesivamente grandes
• No concordancia con valores estimados
• No se cumple el equilibrio
Equilibrio vertical
𝜮𝑭𝒛 = 𝑭𝒂 · 𝐬𝐢𝐧𝜶 −𝑾𝒇
𝟐≠ 𝟎
𝐹𝑏𝑠 𝐹𝑏𝑖 𝐹𝑎 𝐹𝑏
17
−11240 · sin 52 = 8999,08 ≠258 · 9,81
2
Resultados en Newton
Ensayos y resultados
• Valores más coherentes
• Mayor estabilidad
• No se cumple el equilibrio
Equilibrio vertical
𝜮𝑭𝒛 = 𝑭𝒂 · 𝐬𝐢𝐧𝜶 −𝑾𝒇
𝟐≠ 𝟎
𝐹𝑏𝑠 𝐹𝑏𝑖 𝐹𝑎 𝐹𝑏
19
−314 · sin 52 = −247,43 ≠258 · 9,81
2
Resultados en Newton
Ensayos y resultados
• Orden de magnitud de valores coherente
• No se cumple el equilibrio
Equilibrio horizontal
𝜮𝑭𝒚 = 𝑭𝒃𝒔 + 𝑭𝒃𝒊 + 𝑭𝒂 · 𝐜𝐨𝐬𝜶 + 𝑭𝒃 ≠ 𝟎
𝐹𝑏𝑠 𝐹𝑏𝑖 𝐹𝑎 𝐹𝑏
20
2420 − 630 − 845 · cos 52 + 290 = 1560 ≠ 0
Resultados en Newton
• Instrumentación realizada
• Salida por pantalla y guardado de datos en ficheros
• Mediciones
• Comprobaciones
• Funcionamiento correcto de las galgas Valor resistencias correcto Comportamiento correcto a tracción-compresión
• Los valores no satisfacen las ecuaciones del equilibrio estático
• Valores inestables en las mediciones
• Oscilaciones de los valores
Conclusiones
Escasa amplificación
21
• Mayor amplificación
• Realización de pruebas estáticas y dinámicas• Aumento de la complejidad
• Mayor instrumentación Mayor coste• Mejorar la precisión
Trabajo futuro
22