Diseño de un sistema de detección del deslizamiento lateral para neumáticos instrumentados mediante extensometría

Mención Internacional en el título de doctorLos neumáticos han sido siempre un área de interés tanto para la sociedad como para la industria automovilística. Como los únicos elementos que mantienen el contacto entre el vehículo y la calzada, los neumáticos son un factor clave en el rendimiento, confort, consumo de combustible y seguridad de los vehículos. Aunque las prestaciones de los neumáticos actuales son adecuadas para la gran mayoría de situaciones, éstos son sólo elementos pasivos que no asisten activamente a los conductores o a los sistemas de control de los vehículos para mejorar la experiencia de conducción y la seguridad del tráfico. Debido a las características no lineales del contacto neumático-calzada, es difícil aplicar la fuerza exacta al pedal para detener el vehículo en la mínima distancia sin bloquear las ruedas ni perder el control del vehículo, que podría resultar en un accidente de tráfico a menos que el control de estabilidad (ESP) o el ABS actúen. Además, la situación podría empeorar si las condiciones de la calzada no son óptimas, como en caso de lluvia o barro donde la fricción varía. La posibilidad de que los neumáticos contribuyan activamente en este tipo de situaciones depende de su capacidad para proporcionar información a conductores y sistemas electrónicos para que intervengan antes de que se produzca un accidente. Estos son algunos de los motivos para desarrollar los denominados “neumáticos inteligentes”, comúnmente definidos como neumáticos instrumentados con sensores que serían capaces de proporcionar información en tiempo real sobre las condiciones de trabajo e interactuar con diferentes sistemas de control del vehículo para mejorar sus prestaciones, así como prevenir a los conductores de potenciales peligros. Sin embargo, para la obtención de información a partir de dichos sensores se deben considerar múltiples obstáculos, como la compatibilidad de los mismos con las características del caucho, la transmisión de datos o temas económicos, pero, sobre todo, el mayor obstáculo es cumplir con las necesidades energéticas de los componentes electrónicos. El potencial y las dificultades para su desarrollo hacen de los neumáticos inteligentes uno de los más prometedores y ambiciosos campos de investigación para ingenieros e investigadores. Los sistemas de monitorización de la presión del neumático (TPMS) fueron introducidos en 2002, siendo los primeros sistemas producidos y desarrollados en masa. Aunque fueron un gran logro, el potencial del neumático inteligente es aún mayor; tendría el objetivo final de monitorizar en tiempo real las fuerzas en el contacto neumático-calzada, el coeficiente de fricción, la condición de la calzada, etc. De este modo, el vehículo tendría un sistema de seguridad activo con información fiable sobre las condiciones de trabajo del neumático. En esta Tesis Doctoral se presenta un método de estimación de las condiciones de trabajo de un neumático instrumentado mediante extensometría y el coeficiente de adherencia lateral solicitado en el contacto neumático-calzada, detectando el deslizamiento lateral del mismo. Se han llevado a cabo una serie de ensayos mediante bandas extensométricas y un banco de pruebas de neumáticos. Estos equipos se eligieron para medir la deformación del neumático bajo condiciones dinámicas, que podrían ayudar a introducir sistemas de neumáticos inteligentes en un futuro próximo. Los ensayos se centran en analizar la influencia de la presión de inflado, la fuerza vertical, el ángulo de deriva y el ángulo de caída en los valores máximos de deformación y la medida de fuerza lateral para establecer cómo estos parámetros están relacionados. Los datos experimentales se han utilizado para estimar condiciones de trabajo mediante lógica difusa, desarrollando un sistema de detección del deslizamiento basado en un modelo experimental del comportamiento de la fuerza lateral. Los resultados de los ensayos y de las simulaciones confirman la viabilidad de las bandas extensométricas y del modelo computacional propuesto para resolver las características no lineales de los parámetros del neumático, convirtiendo éste en un sistema de seguridad activo.Tires have always been an area of interest for society and the automotive industry as well. As the only part that keeps the contact between the vehicle chassis and the road, they are a key factor on performance, comfort, fuel consumption and safety of vehicles. Despite the fact that current tires perform well in a huge variety of situations, they are just passive elements that do not contribute actively to driver or vehicle control systems to improve the driving experience and traffic safety. Due to the non-linear tire-road contact features, it is difficult to apply the exact braking force to stop the vehicle for the minimum distance without locking the wheels and, as a consequence, losing control of the vehicle which may result in a traffic accident unless Electronic Stability Control (ESC) or Anti-Lock Braking System (ABS) take action. Moreover, the situation may be even worse if unsuitable road conditions are considered, like wet or muddy surfaces where friction changes. The possibility of tires to take active part in this sort of situations is subject to its potential to provide information for drivers and active control systems to intervene before a crash occurs. These are some of the reasons to develop the so-called “intelligent tires”. They are usually define as tires equipped with sensors that would be able to monitor and provide information in real time about tire working conditions and interact with different vehicle dynamics control systems to improve their performance as well as warning the driver of potential hazards. However, in order to get information from sensors equipped in tires many obstacles must be overcame, such as the compatibility of the sensors with tire rubber properties, data transmission or economic issues, but above all the main obstacle is to meet the power requirements of all the electronic components. The prospects and difficulties of intelligent tires them in one of the most promising and ambitious research fields for researchers and automotive engineers. Concerning intelligent tires’ developments, the Tire Pressure Monitoring Systems (TPMS) were introduce in 2002, these being the first such systems introduced in the automotive market. Although they were a great achievement, intelligent tire technology has bigger prospects than TPMS. The intelligent tire concept would have the final aim of monitoring, in real time, the forces at the tire-road interface, friction coefficient, slip angle, road condition, and tire wear. In this way, the vehicle would have an active safety system provided with reliable information about the tire working conditions. In this Thesis, a strain-based method to estimate tire working conditions, lateral friction coefficient and detect the lateral tire’s slip is presented. A series of experiments by means of a tire equipped with strain sensors on an indoor tire test rig have been carried out. This equipment was selected to measure strain dynamic behaviour based on tire working conditions, which could help to introduce intelligent tire systems in the near future. The tests focused on the influence of pressure, rolling speed, vertical load, slip angle and camber angle on maximum strain values and lateral force measurements to elucidate how tire’s deformation and lateral force are interconnected. The experimental data have been used to estimate some tire working conditions by Fuzzy Logic, developing a tire slip detection system based on an experimental model of the lateral force behaviour to estimate the lateral friction coefficient and detect the tires’ loss of grip. The simulation and test results confirm the feasibility of strain sensors and the proposed computational model to solve the non-linearity characteristics of the tires’ parameters and turn tires into an active safety system.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización IndustrialPresidente: José Luis San Román García.- Secretario: Fernando Viadero Rueda.- Vocal: Gabriel Cornel Anghelach