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

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• 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

Montaje experimental

8

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

Montaje experimental

11

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

• Solución empleada Equilibrado del puente por hardware

Recalibración

Ensayos y resultados

18

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

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• Mayor amplificación

• Realización de pruebas estáticas y dinámicas• Aumento de la complejidad

• Mayor instrumentación Mayor coste• Mejorar la precisión

Trabajo futuro

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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

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Trabajo Fin de Grado