Uno de los objetivos fundamentales en el transporte de pasajeros es el traslado de personas desde un punto a otro, con las mayores garantías de seguridad y comodidad. Para entender cómo se logra esto, es esencial comprender la dinámica del automóvil.
Principios Básicos de la Dinámica del Automóvil
Si no se aplicara ninguna fuerza, un vehículo que está en reposo, continua en reposo, y si un vehículo está en movimiento, continua moviéndose indefinidamente. Este principio sólo funciona en el plano teórico.
El centro de gravedad es un punto teórico sobre el que se aplican todas las fuerzas de atracción gravitatoria. Su posición es determinante tanto en el plano horizontal como en el vertical.
Adherencia y Control del Vehículo
El trabajo de los neumáticos se basa en la cantidad de masa que soportan para obtener la máxima adherencia, dirección, frenado y aceleración. Es el efecto que se produce en las ruedas cuando la velocidad lineal del vehículo no coincide con la velocidad de giro de las ruedas. En esta situación, la adherencia disminuye y el control sobre la dirección se hace imposible, salvo que el vehículo disponga de ABS.
El ronceo o derrape se produce cuando las ruedas pierden la adherencia y el vehículo se desplaza lateralmente, sin el control del conductor. Lo primero es conocer si el vehículo dispone de ayudas electrónicas que corrijan la pérdida de trayectoria (ESP). Si el derrape se produce por exceso de frenada, dejar de frenar inmediatamente. No levantar el pie del acelerador, ni acelerar a fondo.
Sobreviraje y Subviraje
El sobreviraje es la deriva del eje trasero, es decir, el vehículo se va de atrás. El vehículo traza una trayectoria real con menor radio del que debiera. Sólo se debe intentar controlar un sobreviraje cuando éste sea suave y se encuentre en su fase de inicio.
Al contrario que el sobreviraje, el subviraje es la deriva del eje delantero, es decir, el vehículo se va de la parte delantera.
Frenado y Seguridad
El principal requisito para garantizar una suavidad en el frenado es la previsión. Antes de frenar, hay que valorar la distancia, la velocidad y las condiciones de adherencia. Si es necesario realizar una frenada fuerte, se dosifica la intensidad del frenado.
Sistemas de Suspensión: Diseño y Simulación
El desarrollo de software de simulación virtual ha evolucionado la forma de diseñar nuevos productos que satisfagan las necesidades y requerimientos de los clientes. En esencia, ha permitido el desarrollo de productos virtuales integrados por computadora, completo con modelado 3D integrado, análisis, simulación y optimización, con la mejora continua de las tecnologías de información y comunicación.
Además, nacidos del desarrollo de técnicas de ingeniería y diseño computarizado existen muchas opciones predictivas que ofrecen al diseñador y fabricante una mayor confianza en nuevos diseños. La mayoría de las investigaciones sobre el sistema de suspensión se realizan en base al modelo lineal de un cuarto de vehículo, el cual permite una buena representación de la dinámica del sistema para el diseño.
A fin de obtener mejores resultados, se desarrollan modelos no lineales (mecánico, hidráulico, etc.) y técnicas de simulación multidisciplinaria de sistemas multicuerpo (MBS). Las técnicas de simulación se aplican ampliamente en todo el desarrollo de la suspensión para optimizar las características cinemáticas (K) y cumplimiento (C) de la suspensión, para predecir el control de frecuencia vertical, el rendimiento de la conducción (R) y manejo (H), y para investigar el rendimiento del viaje.
Además, en el proceso de diseño del vehículo la evaluación subjetiva, la prueba objetiva y el análisis de simulación del sistema de estabilidad del vehículo en viaje se aplican al desarrollo de los vehículos.
Suspensión Delantera Macpherson
Uno de los diseños más comunes hoy en día es la suspensión delantera Macpherson, fue descrita por primera vez en una patente de Fiat en 1926, diseñada a finales de los años cuarenta y aplicado en 1948 por Ford en los modelos Anglia y Consul. Como tal, es una configuración de suspensión relativamente nueva, por su masiva aplicación en la actualidad.
Referidas bajo las normas conocidas como la; SAE J670 e ISO 8855 que abarca los sistemas de coordenadas definidos para el diseño del vehículo/suspensión y el análisis dinámico. Aunque la terminología de dinámica de vehículos definida en el SAE J670 se limita únicamente a los vehículos turismos y camiones ligeros con dos ejes, mientras que la ISO 8855 incluye términos adicionales relativos a vehículos comerciales pesados con ejes múltiples.
Optimización y Técnicas Predictivas
Al analizar la literatura encontrada se caracterizó el sistema de optimización a través de las técnicas predictivas de elementos finitos (EF) y de análisis de dinámica en MBS dominantes en la ingeniería computarizada (CAE) de los sistemas de suspensión con sus modificaciones para la tendencia actual, además de la técnica esquemática por simulink en función del componente objetivo de diseño, asegurándose de que las características K y C de la suspensión del vehículo se puedan estimar adecuadamente y también se pueda explicar muchos aspectos de la R y H de un vehículo sin problema.
Los sistemas de suspensión tienen que aislar la masa suspendida de la carga propia del vehículo y también proporcionar las características de conducción y manejo deseadas. Las propuestas analíticas para las suspensiones óptimas proporcionan directrices no sólo para la configuración de parámetros, sino más importante, tienen el potencial de ofrecer información sobre el diseño del vehículo.
Sancibrian et al., (2010) menciona un mayor rendimiento en el diseño y se logra a medida que aumenta la característica cinemática de la suspensión, dado que la posición del neumático de un vehículo con respecto a la calzada juega un papel importante en la determinación de la manipulación.
Modelo Longitudinal de la Mitad del Vehículo
En este modelo, el vehículo se representa como una viga con una cierta masa, el haz puede ser asumido como infinitamente rígido, donde se analiza la respuesta dinámica del vehículo sobre las excitaciones de la entrada del terreno u1 y u2, véase en la figura 2, además está representado por las masas no suspendidas de las ruedas delanteras y traseras m1, m2, y la masa de la carrocería del vehículo m3. El cuerpo y las ruedas están conectados por suspensiones pasivas con muelles lineales con coeficientes de rigidez K1, K2 y amortiguadores viscosos de coeficientes de amortiguación C1, C2. Las propiedades elásticas de los neumáticos están representadas por resortes con kt1, kt2 de rigidez.
El modelo longitudinal de la mitad del vehículo es un sistema dinámico con cuatro grados de libertad: desplazamientos verticales de las masas individuales y1, y2, y3, rotación lateral de la carrocería del vehículo sobre el centro de gravedad del vehículo también llamado guiño φ3, relaciona también su inercia I3, y los valores de la distancia b1 y b2 que equilibra el centro de gravedad.
Componentes del Sistema de Suspensión
La suspensión crea una conexión entre el vehículo (incluyendo ocupantes y carga) y la carretera. Las fuerzas verticales más notables relaciona el coeficiente de amortiguación, donde los resortes y amortiguadores aporta al vehículo en la reducción de las aceleraciones de la carrocería del vehículo, movimientos reducidos del balanceo y del cabeceo, cambios de la fuerza en la rueda reducidos y comportamiento adecuado de la vibración que es independiente de la carga útil del vehículo, además la energía que se debe controlar aumenta exponencialmente con la velocidad del vehículo.
El diseño ligero del sistema juega un papel más importante en el chasis que en cualquier otra área, ya que toda la masa no suspendida del vehículo se incluye en la suspensión. Una masa no suspendida más pequeña reduce el efecto de las vibraciones de la rueda sobre el cuerpo del vehículo y sobre las fluctuaciones dinámicas de la carga de la rueda.
Los componentes presentes en el sistema de suspensión son: carrocería, amortiguador, vástago de pistón, tubo amortiguador, mangueta, barra de dirección, cremallera de dirección, tirante de dirección, brazo inferior, y neumático, estos responden a diferentes grados de libertad (dof); Los dof se calculan utilizando los criterios de Grübler-Kutzbach. Como vista general se han definido las siguientes restricciones de movimiento visible en la tabla 1.
Análisis y Simulación Avanzada
El método lineal da valores propios en el dominio de la frecuencia. Éstos eran muy poderosos al investigar la estabilidad y el comportamiento de conducción para vehículos de pasajeros cuyas suspensiones podían ser lineales de manera fiable. Para aplicaciones tales como fuerzas en curvas de radio pequeño, transferencia de carga de rueda en una pista curvilínea, etc., son importantes las no linealidades del contacto entre el vehículo y el neumático.
El único enfoque sensible es una solución de integración a tiempo completa de ecuaciones no lineales y este es el método más utilizado en las aproximaciones actuales. Esto permite el modelado de sistemas muy complejos y la obtención de soluciones detalladas. Para los análisis de sistemas de suspensión, se deben tener en cuenta los movimientos producidos en los tres ejes, los cuales son considerados por este método, alineándose con los métodos de simulación más recientes, los componentes de suspensión son sistemas complejos que deben ser analizados por el método bidimensional y tridimensional.
Fallah et al., (2009) propuso un modelo no lineal de un sistema de suspensión macpherson de dos grados de libertad para el control de conducción que se aplica para evaluar los parámetros cinemáticos de la suspensión, tales como ángulos de curvas, pivote y bujes principales. Otros modelos bidimensionales se aplican con fines dinámicos, Sandu et al., (2011) desarrollan un modelo dinámico de MBS de una suspensión macpherson para aplicar técnicas de identificación del sistema; Sin embargo, las soluciones exactas requieren el enfoque tridimensional, Sancibrian et al., (2010) propone modelos tridimensionales matemáticos para estudiar la cinemática del sistema macpherson.
Esta técnica se aplica a la simulación de la dinámica y la cinemática de los vehículos, ofreciendo la capacidad de modelar la carga de la carretera y las maniobras de los vehículos con una precisión cada vez mayor, además muestra la optimización de los componentes a un menor costo. Hay que considerar que con el software se puede simular numéricamente una gran variedad de matrices de cargas dinámicas reales.
Efecto en la Orientación de la Rueda
El efecto sobre la orientación de la rueda se puede analizar manipulando cargas cuasi estáticas que representan las fuerzas de frenado y aceleración, y así estimar las cargas severas, además es relevante la maniobra en la conducción. Sun et al., (2013) estudiaron el diseño de la suspensión con simulación dinámica MBS y las características K y C, que son fundamentales tanto en teoría como en prueba.
En este planteamiento según Feng et al., (2012) se identifica los parámetros estructurales que tienen un impacto en las características cinemáticas a través de la simulación de movimiento paralelo de la rueda y optimización de los parámetros, además se mostró que en el proceso de subida y bajada de la rueda, los valores del ángulo de inclinación aumentan ligeramente, los ángulos de dirección y de avance disminuyen ligeramente, lo que significa que la suspensión optimizada mejora la estabilidad de manejo del vehículo y la comodidad de conducción.
En otro estudio, Yi et al., (2014) evalúa la suspensión en base a dos etapas para las características cinemáticas (K) y cumplimiento (C), de donde se seleccionan 8 características descritas en la tabla 2, sabiendo que afectan en gran medida el rendimiento de la conducción (R) y manejo (H), además, estas son muy difícil predecirlas con precisión debido a tantas incertidumbres y no linealidades que no se consideran en el modelo de simulación.
Por otra parte, según Drotar et al., (2015) otra utilidad de la técnica, es optimizar las vibraciones táctiles hasta f = 100 Hz aplicada en la fase inicial del proceso de desarrollo de la suspensión delantera, además para el estudio del confort de conducción, similar a la combinación de las pruebas K y C con simulación dinámica MBS para el análisis de dirección y manejo, partiendo del modelo construido en Adams/car.
Se demuestra el efecto del aislamiento del bastidor auxiliar sobre el confort de marcha a través del análisis de las fuerzas transmitidas a la carrocería del vehículo, la sensibilidad de la rigidez del buje para impactar la dureza usando un modelo de vehículo completo y además de optimizar la dureza del impacto utilizando diferentes niveles de conformidad entre el bastidor auxiliar y los bujes de suspensión.
Liu et al., (2008) estudiaron el sistema de suspensión macpherson con resorte de carga lateral, encontrando las características verticales y laterales deseable sin fuerza longitudinal en operación, lo que reduce notablemente la fuerza lateral y mantiene el rendimiento del sistema original en las simulaciones y experimentos, y puede ser un enfoque eficiente en el diseño óptimo de la estructura, ya que se corrobora también con análisis de elementos finitos.
Thaller et al., (2016) reportaron estudios utilizando la herramienta de simulación MBS como es Car-Marker y el método de sistema de identificación directa de tiempo continuo (CT SysId) que sirve para obtener estimaciones precisas de los valores de los parámetros del sistema de suspensión. A través de las pruebas dinámicas que consisten en excitar el sistema de suspensión manejando, también el análisis de uno o varios obstáculos pequeños y registrando la respuesta de este. CT SysId se utiliza para adaptar los valores de parámetros desconocidos de un modelo de vehículo provisional con el fin de que coincida mejor con los datos medidos.
El análisis de elementos finitos ha sido un enfoque eficiente en el diseño de la estructura para la suspensión de vehículos. Ahorra tiempo y reduce el costo ya que se mantiene el proceso de optimización iterativa en el nivel de los componentes y acá se valida el sistema de suspensión con muelles de carga lateral, y también, para otros diseños complicados de resortes de suspensión de resorte.
Para Lee et al., (1995) la metodología de ingeniería asistida por computadora en fatiga sirve para evaluar cuantitativamente la vida de fatiga de las estructuras automotrices y para identificar áreas críticas y no atenuantes ...
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