Contribución a la calibración y uso de ruedas dinamométricas de bajo coste

Los neumáticos son el único nexo de unión existente entre un vehículo y la calzada, siendo, por lo tanto, los encargados de desarrollar y transmitir las fuerzas longitudinales de tracción y de frenado, de desarrollar las fuerzas laterales así como de transmitir la fuerza vertical a la carretera y amortiguar las acciones dinámicas originadas por las irregularidades de la misma. El conocimiento de estos esfuerzos, generados en el contacto neumático-calzada, resulta de gran interés para múltiples aplicaciones: • El estudio del comportamiento dinámico de un vehículo. • La validación experimental de modelos computacionales. • El diseño de neumáticos y otros componentes de automóviles. • La mejora de los sistemas de control del vehículo. De este modo, en los últimos años se están desarrollando nuevos sistemas de medida de dichos esfuerzos. En este caso particular, la metodología a emplear se basa en el uso de las conocidas como “ruedas dinamométricas”, las cuales permiten el cálculo a través de la medición de las deformaciones unitarias producidas en sus respectivas llantas. En la actualidad, las ruedas dinamométricas comerciales son empleadas únicamente en prototipos I+D debido a varios problemas que hacen imposible su instalación en vehículos en serie. Entre dichos problemas destacan, fundamentalmente, dos: la variación del comportamiento dinámico del vehículo, basada en las diferentes propiedades existentes entre la llanta dinamométrica y la llanta original, y el elevado precio actual que las caracteriza, en torno a los 80.000 €/unidad. Es en estas circunstancias donde se desarrolla el proyecto de investigación titulado “Llanta dinamométrica de bajo coste INSIA”, realizado por el Grupo de Mecánica Computacional del INSIA, dirigido por Javier García de Jalón, director asimismo del presente Trabajo Fin de Grado. Empleando como base el fundamento teórico elaborado por la Dra. María Dolores Gutiérrez López, el proyecto presenta como objetivo principal la fabricación de una rueda dinamométrica de bajo coste que consiga dar solución a la problemática actual del mercado. Es precisamente en este proyecto donde se enmarca el presente Trabajo Fin de Grado, titulado “Contribución a la calibración y uso de ruedas dinamométricas de bajo coste”, que da comienzo el 1 de septiembre del 2016. Previo al cálculo de los esfuerzos, se requiere de una completa instrumentación de las llantas originales de la rueda convencional que será transformada en dinamométrica. Tal y como se especificó anteriormente, las ruedas dinamométricas parten de las deformaciones unitarias medidas en su llanta para el cálculo de los esfuerzos, por lo que se requerirán de una serie de sensores distribuidos en posiciones concretas para la medición de tales deformaciones. En el caso presente, se instalarán un número específico de galgas extensométricas cuyo funcionamiento se basa en el efecto piezorresistivo. Sus medidas serán posteriormente amplificadas, empleando una electrónica analógica por sensor, y procesadas, a través de un microcontrolador. Simultánea e independientemente, se registrará el ángulo girado por la rueda dinamométrica haciendo uso de sensores inductivos de proximidad, situados en la parte interna de los radios de la llanta; un material ferromagnético, para activar los sensores inductivos a su paso frente a él; y una unidad de medición inercial (IMU). De este modo, con el dato del ángulo girado y las deformaciones unitarias, el microcontrolador calculará los esfuerzos generados en el contacto neumático–calzada. Para ello, el software se programará de acuerdo a la metodología desarrollada por la Dra. María Dolores Gutiérrez López. Por último, los resultados, y toda aquella información que se consideren importante, serán transmitidos vía Wi-Fi a un ordenador donde podrán ser visualizados, graficados y registrados para su posterior análisis. Una vez la rueda ha sido correctamente instrumentada deberá ser realizado, previa medición de los esfuerzos en pista, un riguroso proceso de calibración estática empleando el banco semiautomático de ensayos. El propósito de la calibración reside en la obtención de la matriz de calibración que relaciona los esfuerzos que actúan sobre la llanta con las deformaciones que éstos mismos generan. Estos ensayos consisten en la aplicación de distintos esfuerzos, de manera escalonada, cada 9º girados de la rueda, registrándose las deformaciones que se producen en la llanta. Es precisamente esta situación el punto de partida del presente Trabajo Fin de Grado. Con él se abordaron las siguientes tareas: la comprobación de todos aquellos elementos que conforman la rueda dinamométrica, la validación del módulo de estimación de la posición angular de la rueda y la optimización, tanto de la metodología para la estimación del ángulo a través del filtro de Kalman, como de la optimización del proceso de calibración. En primer lugar, se realizaron una serie de comprobaciones de todos aquellos elementos mecánicos y electrónicos que permitían el funcionamiento de la rueda dinamométrica. Entre ellos destacan la comprobación de la activación de los distintos sensores inductivos, del software de programación embarcado en la placa electrónica y del sistema de adquisición de datos. Precisamente, la activación de los sensores inductivos dio lugar a un estudio propio debido a la gran dependencia, que posteriormente se comprobó, existía entre las distancias angulares entre cada par de sensores inductivos y el error cometido entre el ángulo de giro estimado y el real. Aplicando una metodología basada en la teoría de la Simulación de Montecarlo, se consigue obtener un vector de distancias angulares que da lugar a una reducción en el error cometido de hasta 3º. Por otra parte, para la estimación de la posición angular de la rueda en cada instante se emplea un algoritmo distinguiéndose dos casos: a bajas y altas velocidades. En el caso de bajas velocidades el ángulo se calcula por integración numérica de la velocidad angular de la rueda, siendo corregido por el paso de cada sensor inductivo, mientras que en el caso de altas velocidades se aplica una extrapolación del ángulo determinado por los últimos pasos de los sensores inductivos. Tras comprobar el correcto funcionamiento de dicho software, se implementó el código encargado de calcular el error cometido en la estimación del ángulo. Debido a las necesidades del proyecto, en este punto se decidió optimizar el proceso de calibración estático, debido al gran tiempo requerido para la obtención de los resultados, así como la imposibilidad de detectar un ensayo fallido, como por ejemplo la obtención de un valor fuera del rango debido a un golpe a la rueda en el momento de realizar el ensayo, previa finalización del proceso. Para ello, el código del análisis del proceso de calibración fue modificado introduciendo dos funciones básicas: la creación de un “Modo Virtual” y la posibilidad de comparación entre los resultados ensayados y los obtenidos virtualmente. El primer cambio se basó en la “traslación” de los resultados en los primeros 72º a los 288º restantes y la posibilidad de, tras realizar los ensayos correspondientes a los primeros 72º, incorporar los restantes ensayos uno a uno. No obstante, y a pesar de que ambas herramientas presentan el comportamiento esperado, no son lo suficientemente precisas por lo que será empleado por el analista como ayuda para realizar una validación aproximada de los resultados obtenidos. Por último, se estudió la posibilidad de aplicar la teoría del filtro de Kalman para la estimación del ángulo a velocidades medias. Esta opción fue previamente simulada por mi compañero Álvaro Hernández Fraile en su TFG: Ruedas Dinamométricas de bajo coste: Programación y electrónica. Sin embargo, al validar los módulos desarrollados en el TFG mencionado anteriormente se descubrieron ciertos errores y matices que hicieron necesario un nuevo desarrollo que ha llevado a cabo la autora de este trabajo. El alcance del presente Trabajo Fin de Grado consistió no solo en la simulación del método, como en el TFG de Álvaro Hernández, sino también en una primera validación experimental. Así, el procedimiento completo que se debe seguir para la fabricación de una rueda dinamométrica prototipo a partir de una llanta convencional incluye la instrumentación, calibración, comprobación, cálculo de errores y optimización continua del proceso. Los resultados obtenidos tras el presente Trabajo Fin de Grado han supuesto el paso definitivo necesario para conseguir el objetivo final del proyecto: el cálculo de esfuerzos en el contacto rueda-calzada. Gracias a su desarrollo no solo se ha logrado una mayor exactitud en la estimación del ángulo girado por la rueda y la confirmación del buen funcionamiento de todos los elementos que conforman el mecanismo, sino resultar ser un buen punto de partida para la optimización del proyecto y su consecución final