El presente artículo estudia el proceso de diseño e implementación de las suspensiones inclinables en coches angostos. Los coches angostos son un nuevo tipo de automóvil que podría llegar a solucionar los problemas de congestión, la contaminación ambiental y falta de espacios de estacionamiento en las urbes. Sin embargo, sus dimensiones no solo acarrean beneficios, ya que presentan inconvenientes en la implementación de suspensiones activas inclinables.
Para estudiar la implementación de las suspensiones activas inclinables se realiza una investigación exploratoria, empleando estudios acerca del tema y aplicando la Declaración PRISMA. Se realizó un análisis explicativo entre varios modelos construidos y propuesto de suspensión, con respecto al diseño del mecanismo y su sistema de control, estableciéndose un proceso de diseño, implementación, control y simulación.
Vehículos Angostos Inclinables (NTV´s)
La necesidad de cambiar el diseño de los vehículos de transporte convencional, a modelos más eficientes para la movilidad urbana, ha obligado a los fabricantes a extender a los usuarios una nueva tendencia con respecto al diseño. Según Claveau et al., (2014) y Tan et al., (2016), una nueva generación de coches está siendo estudiada la cual será práctica y eficiente en relación con los problemas de tráfico y falta de espacios de estacionamiento en las áreas urbanas.
A futuro, el transporte unipersonal se plantea como una alternativa eficiente de movilidad, que pretende resolver varios problemas con respecto al tránsito en los centros poblados. Berote et al., (2015) y Antony et al., (2016), menciona que, los vehículos con ancho de vía angosta pueden ser construidos con una significativa reducción de peso y su área frontal disminuida, respecto a los ordinarios, además de ocupar menor huella en la vía. De esta manera surgen los vehículos angostos inclinable (Narrow Tilting Vehicles).
Los NTV´s son la fusión entre un automóvil y una motocicleta, generando una gran expectativa para la nueva generación de transporte urbano, considerando sus dimensiones prácticas y su menor consumo de energía. Berote et al. (2015) indica que, con el fin de que sea seguro y confortable como un coche convencional, debe ser alto y cerrado, pero debido a que por naturaleza una estructura alta y angosta tiende al vuelco o derrape, es necesario inclinarlo hacia el interior de la curva, esto con la finalidad de compensar el momento generado por la fuerza lateral, en adición Claveau et al., (2014) y Kim et al., (2014) menciona que, a diferencia del caso de una motocicleta, en donde el conductor inclina por sí mismo, la inclinación del NTV debe ser automática.
Dos sistemas de control están disponibles, el control directo de inclinación y el control de dirección de inclinación, la acción combinada de estos dos sistemas sería la clave para mejorar el comportamiento dinámico (Guamán et al., 2019).
Metodología de Revisión Sistemática
Mediante una revisión sistemática se realiza la revisión de documentos y publicaciones referentes al tema. La declaración PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic reviews and Meta-Analyses) de Dios et al. 2011, es utilizada en este documento para la búsqueda, identificación, selección y evaluación objetiva de estos documentos, con el objetivo de extraer e interpretar los resultados obtenidos de los estudios concluidos.
El estudio se realiza empleando artículos y publicaciones de las siguientes bases de datos bibliográficos: ASME, IEEE, Latindex, Reserch Gate, SAE, SAGE, Scielo, Science Direct, Scopus, Taylor & Francis y otros (Repositorios universitarios, archivos de patentes). En las cuales se aplicaron como criterios de búsqueda las siguientes palabras clave y expresiones: suspension tilting, suspension active, suspension leaning, suspensión basculante, suspensión inclinable, narrow tilting vehicle, urban vehicles, tilting vehicles, suspension mechanism design, variable wheelbase, control systems, lógica difusa, inteligencia artificial, de los cuales se obtuvo artículos de investigación, artículos de revisión, enciclopedias, capítulos de libros, editoriales, noticias, patentes, artículos informativos, minireseñas.
Los resultados obtenidos fueron procesados para la aplicación de la metodología PRISMA, y se presentan en la Tabla 1. La búsqueda realizada arroja como resultados un total de 193 documentos. El proceso de selección de la documentación e información referente al tema propuestos se describe en la Figura 1. Con el objetivo de proporcionar al diseñador una guía para el entendimiento y desarrollo de la tecnología, en busca de la eficiencia en el diseño y construcción de sistemas respecto a la presente tipología de vehículo (Valderrama, 2005; Vega et al., 2018).
Proceso de Diseño y Desarrollo de NTV´s
El primer punto es el Análisis de la geometría: Se establece los parámetros de particulares mediante la comparación de algunos modelos, entre sus mecanismos y dimensiones útiles en la construcción del NTV con el fin de establecer sus características; Modelado matemático: Se presentan algunas propuestas para el estudio matemático del modelo del NTV como son: el péndulo invertido, fórmula mágica de Pacejka y modelos multicuerpo, estos métodos de análisis, permitirán predecir el comportamiento del vehículo con respecto a los esfuerzos estáticos y dinámicos aplicados (Cardona et al., 2019); Diseño del sistema de control: Describe las técnicas utilizadas con frecuencia para el control de actuadores del NTV, parte importante en el desarrollo de este tipo de vehículos, ya que por medio del control se pretende mitigar los efectos de la aceleración lateral sobre la seguridad, confort y percepción del vehículo hacia el conductor; Simulación: Resulta costoso fabricar un vehículo que disponga de un sinnúmero de sensores para poder medir las magnitudes solicitadas, además de riesgoso.
De acuerdo con Mourad et al., (2014), los NTV’s considerando su geometría tienen aproximadamente 2.5 m de largo, 1 m de ancho y 1.5 m de alto, estos vehículos se caracterizan por tener un centro de gravedad elevado. Dong et al., (2014) y Furuichi et al., (2013) señalan que, algunos proyectos de tres y de cuatro ruedas han sido propuestos por algunas compañías.
El vehículo Ford Gyron mostrado en la Figura 2a fue uno de los primeros, mientras que General Motors desarrollo la “Lean machine” (Figura 2b) con un sistema de inclinación manual controlado por el conductor. Recientemente la empresa Brink Dynamics desarrollo el Carver (Figura 2c), un vehículo de tres ruedas con carrocería inclinable, pero un tren de potencia trasero no inclinable. Este tipo de vehículos tienen varios problemas técnicos. Al ser vehículos de tres ruedas son más susceptibles al viraje y al derrape que los vehículos de cuatro ruedas.
En la actualidad, se plantea el uso de tecnología “drive by wire” (control electrónico por cable), para permitir un control total sobre los sistemas del vehículo. El Toyota I-Road (Figura 2d) y el Smera son una muestra del avance tecnológico que los NTV’s han experimentado; este prototipo posee un novedoso sistema de suspensión activa llamada Inclinación activa (active lean).
Modelos de NTV´s
Modelo 1: El Clever, consiste en una cabina basculante con el espacio para el conductor y un pasajero, y un módulo trasero de propulsión no basculante, el cual contiene el motor y los accesorios. La geometría de la suspensión y la caracterización de la rigidez y amortiguación son de vital importancia para determinar el comportamiento dinámico del vehículo. La suspensión trasera en particular tiene la función de reaccionar a las fuerzas que producen los actuadores y mantener la estabilidad de la plataforma para el sistema de inclinación.
El módulo trasero usa un brazo basculante con eje rígido provisto de amortiguadores, y configurada para brindar un comportamiento casi lineal entre el movimiento vertical de la rueda y el movimiento de compresión del amortiguador, posicionando este último de manera tangencial al arco del brazo basculante.
Modelo 2: Furuichi, la configuración de este modelo es semejante que el Clever, de dos ruedas traseras montadas en un tren de impulsión y una frontal. Modelo 3:SMERA, las dimensiones del Smera son 2.5 m de largo, 0.96 m de ancho, y de alto 1.45 m. Estas dimensiones permiten al vehículo moverse de manera ágil en las áreas urbanas. Está equipado con un Sistema de inclinación motorizado que permite inclinar de manera simultánea las cuatro ruedas del vehículo con respecto al chasis, visto en la Figura 5.
En el diagrama de la Figura 6b se muestran varios eslabones unidos mediante juntas (círculos), cada cuerpo está asociado con un color ilustrados físicamente en el diagrama a la izquierda, Figura 6a. La metodología empleada consiste en determinar el comportamiento del vehículo en diferentes condiciones.
Modelado Matemático
Existen varios estudios realizado en donde se aplican una variedad de métodos como la fórmula mágica de Pacejka et al., (1992) la cual se emplea en varios estudios como los de: Maakaroun et al., (2013); Kim et al., (2014); Chatterjee et al., (2015); Schommer et al., (2015); Ma et al., (2017); Németh et al., (2017); Syed et al., (2016); Nguyen et al., (2018); y Onsy et al., (2018).
El método de péndulo invertido utilizado por Dong et al., (2014); Furuichi et al., (2013); y Claveau et al., (2014). Análisis Multicuerpo empleado por Corno et al., (2015); Tognolli et al., (2015), así como, Tan et al., (2016). El Principio de D’Alembert es utilizado en las investigaciones de Nagarkar et al., (2018); Yao et al., (2018). Los cuales permiten obtener ecuaciones que describen el movimiento del vehículo tales como, la fuerza de frenado, fuerza lateral y par autoalineante en términos de deslizamiento longitudinal y ángulo de deriva.
Los principios mencionados generalmente proporcionan ecuaciones diferenciales o integrales, las cuales es necesario procesarlas para generar ecuaciones de transferencia, que serán procesadas en los sistemas de control, estas deben estar linealizadas expresadas como ecuaciones algebraicas, que determinadas por medio de métodos numéricos, permitan a los controladores procesar la información.
Fórmula Mágica de Pacejka
Hans B. Pacejka fue un experto en dinámica de vehículos, especializado en la dinámica de la rueda. De manera empírica sus fórmulas matemáticas permiten determinar el comportamiento de las fuerzas y momentos que actúan entre la rueda del vehículo y la carretera, permitiendo determinar de manera precisa, el comportamiento del neumático en estado estable y de manera general el comportamiento del vehículo.
De esta manera, la Figura 7, muestra los esfuerzos soportados por los neumáticos y las variables angulares y los esfuerzos que influyen en la dinámica del mismo (ángulo de deslizamiento, fuerzas y momentos en dirección positiva). Fig 7 Factores característicos en los ejes de los neumáticos que pueden influir en las propiedades de manejo y estabilidad del vehículo.
Balkwill (2017) menciona que, la fórmula mágica genera una curva antisimétrica que pasa por el origen, alcanza un valor máximo y tiende a ajustarse a su asíntota horizontal como se muestra en la Fig 7. El valor y(x) es introducido de acuerdo con el eje del movimiento que se desea encontrar o variable de salida: eje y (Fy = Fuerza lateral), eje z (Mz = Momento Autoalineante), Eje x (Mx= Momento longitudinal).
Los coeficientes de B, C, D y E corresponden a valores constantes característicos del neumático, como el coeficiente de rigidez o de amortiguación, e infieren en la forma de la curva obtenida, X corresponde a la variable de entrada (ángulo de deslizamiento lateral o ángulo de deslizamiento longitudinal o el ángulo de deriva). Sv es el cambio vertical y Sh el cambio horizontal, estos desplazamientos tomando en cuenta los deslizamientos de rodadura y el cámber.
Análisis de Sistemas Multicuerpo
El análisis de sistemas multicuerpo es una herramienta que permite modelar sistemas mecánicos como un conjunto de elementos sólidos rígidos y elementos flexibles, permitiendo obtener ecuaciones que determinan su comportamiento cinemático y dinámico mediante el estudio de sus condiciones de entorno, según Figuras 9, 10 y 11. Estas ecuaciones dependen de los componentes del sistema, de su movimiento, de su deformación y se describen utilizando coordenadas que definen sistemas de referencia móviles.
Fig 9 Sistemas de coordenadas {0} y {1}. Fig 10 Sistemas de coordenadas {1} y {2}. Vista completa del NTV con la rueda derecha levantada.
Diseño del Sistema de Control
El éxito en el diseño del sistema de control es un reto, debido a que, el vehículo conjuga dos plataformas o sistemas de dirección. Por un lado, el ángulo de deriva depende del giro del timón y el giro de la rueda (automóvil), y por otro lado, el ángulo de deriva, también es afectado por la inclinación o caída que se le dé a las ruedas (motocicleta).
De esta manera, el equilibrio entre el funcionamiento de los dos sistemas deberá proveer al NTV la seguridad y confort requeridos. En este sentido, se han planteado dos mecanismos que permitan direccionar al vehículo, estos son: Control directo de inclinación (DTC) y control de giro por inclinación (STC), los cuales interviene durante las maniobras de giro, cambiando la dirección de las ruedas y su inclinación empleando diferentes actuadores, siendo estos, hidráulicos, o electromecánicos.
El sistema DTC está basado en un actuador dedicado como se indica en la Figura 12 (L), montado en el eje longitudinal del NTV que provee el torque para inclinar el vehículo. Anteriormente los controladores para la suspensión activa inclinable eran diseñados calculando el ángulo deseado de inclinación dependiendo del giro de la dirección.
Por su parte Dong et al., (2014) menciona que, el actuador STC requiere un sistema de dirección por cable (Steer by wire system) Figura 12 (R). El ángulo de dirección aplicado por el conductor es ...
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