miércoles, 5 de febrero de 2025 · 0 min read
Optimizando la suspensión de Fórmula SAE mediante el análisis de las fuerzas neumático-camino.
Durante la temporada 2023/2024, el equipo UniNa Corse Racing de la Universidad de Nápoles desarrolló y probó su primer coche de carreras completamente eléctrico. Uno de los focos principales fue optimizar la suspensión mediante el análisis de las fuerzas entre el neumático y la carretera, así como la validación de un modelo dinámico. Trabajando con Deltatech, Megaride Srl y Dewesoft, el equipo utilizó sensores avanzados y herramientas de adquisición de datos para obtener mediciones precisas.
Fundado en 2010, el equipo universitario de carreras UniNa Corse diseña, construye y prueba un monoplaza. Compiten en el Campeonato Mundial de Formula Student. La Universidad de Nápoles permite que todos los estudiantes del equipo participen en la competición internacional Formula Student SAE, lo que les ayuda a mejorar sus habilidades y les brinda una experiencia única.
En la temporada 2023/2024, el equipo UniNa Corse Racing pasó de un coche a gasolina a un nuevo vehículo completamente eléctrico, reflejando así su compromiso con la sostenibilidad y la innovación.
El equipo realizó varias pruebas en pista, comprobando el modelo dinámico predictivo del vehículo y estimando la carga sobre los brazos de la suspensión.
Gracias a la colaboración con Deltatech y Dewesoft, el equipo llevó a cabo una campaña de medición destinada a determinar las cargas en el sistema de suspensión del vehículo.
Dewesoft organizó un taller para nuestros ingenieros y también envió a uno de los miembros del equipo a Eslovenia para recibir formación. Allí, participó en un curso de perfeccionamiento con técnicos de Dewesoft y aprendió más sobre el potencial del software DewesoftX.
Formula Student y el coche
La Fórmula SAE es una competición universitaria internacional de diseño de ingeniería, propuesta inicialmente por la Society of Automotive Engineers (SAE). Los estudiantes diseñan y producen un pequeño coche de carreras, garantizando la seguridad en pista y fomentando soluciones ingeniosas. Conducen el prototipo en distintos eventos, donde los jueces evalúan sus cualidades de diseño y la eficiencia ingenieril.
El equipo de carreras UniNa Corse de la Federico II di Napoli ha participado en esta competición desde 2015. Compiten con un vehículo que utiliza un motor de combustión interna. Desde 2021, el equipo también ha implementado la conducción autónoma en sus coches. Durante la temporada 2024, el equipo diseñó el nuevo y primer vehículo eléctrico, que competirá a partir de la temporada 2025.
El equipo revolucionó por completa la cinemática del nuevo coche eléctrico. Consideramos importante entender las cargas reales que actúan sobre el vehículo, ya que esto nos ayuda a mejorar el cambio y reducir los riesgos derivados de evaluaciones incorrectas.
La sesión de pruebas con Dewesoft ayudó al equipo a comprobar el modelo dinámico del coche de combustión y también les proporcionó conocimientos importantes para diseñar el nuevo sistema de suspensión del vehículo eléctrico.
Sensores e instrumentos de medición
El montaje para la realización de las mediciones incluyó el uso de diversos sensores, de estos los principales son:
| Measurement Value | Sensor | Conditioning/Acquisition |
|---|---|---|
| Vertical wheel forces | Strain gauge | Half/Full Bridge amplifier |
| Shock absorber relocation | Linear potentiometer | 5V analog input |
| Wheel speed | Hall Effect sensors | Counter input |
| Steering angle | Linear potentiometer | 5V analog input |
| Brake pressure | Pressure sensor | Voltage input |
| Vehicle acceleration | IMU | CAN bus |
| Engine Control Unit (ECU) | MaxxEcu Race H20 | CAN bus |
En particular, elegimos galgas extensiométricas en forma de T con dos redes resistivas ortogonales de 350 ohmios de Micro-Measurement. Colocamos las galgas en los brazos en A, en el Pull-Rod y en el Tie-Rod del lado izquierdo del automóvil. Utilizamos una configuración de puente completo con dos rosetas para cada brazo. Esta configuración permitió una mayor sensibilidad en la medición y rechazó los efectos de la variación de temperatura y del momento flector.
Gracias al sistema de adquisición de datos SIRIUSwe-HD-16xSTGS proporcionado por Dewesoft, pudimos adquirir y registrar 16 canales. Esto incluyó una vez galgas extensiométricas y cinco potenciómetros lineales. Dewesoft también proporcionó la unidad de medición inercial DS-IMU1 y el registrador del bus CAN DS-CAN2. Ambos son herramientas importantes para obtener los valores de aceleración y posición del vehículo. Además, acceda a todos sus sensores a través de la línea CAN.
Conectamos todos los instrumentos a un ordenador a bordo. Este ordenador gestionó la recopilación de datos durante las pruebas. Utilizamos una frecuencia de muestreo de 100 Hz.
Model
Para relacionar la deformación medida por las galgas extensiométricas con las cargas externas en el parche de contacto de cada rueda, creamos y estudiamos dos modelos.
El primer modelo utiliza las cargas adquiridas por las galgas para calcular las fuerzas que actúan sobre el parche de contacto del neumático. Este cálculo permite una cuantificación precisa del efecto de las deformaciones sobre las fuerzas transmitidas al suelo.
El segundo modelo funciona de manera diferente. Comienza con las fuerzas en el parche de contacto y, a partir de ahí, calcula las cargas que afectan a los brazos u otras partes de la suspensión. Dicho cálculo ayuda a comprender cómo las fuerzas en los neumáticos se traducen en cargas estructurales en el vehículo.
Este enfoque bidireccional permite que nuestros modelos matemáticos se verifiquen mutuamente, lo que garantiza una comprensión completa de la interacción entre vehículos y neumáticos.
La introducción de la herramienta TRICK (Tire-Road Interaction Characterization & Knowledge) proporcionada por Megaride Srl es crucial en este contexto. TRICK utiliza un modelo físico del vehículo basado en un enfoque "invertido". Analiza las señales experimentales de los sensores a bordo para evaluar cantidades que varían dinámicamente, como el ángulo de derrape del vehículo. Esta herramienta crea una "telemetría virtual" detallada, que incluye datos de los neumáticos como fuerzas, posición de la rueda y estimaciones del ángulo de derrape para cada esquina.
Esta herramienta es esencial para verificar el modelo matemático, ya que conecta las fuerzas medidas por las galgas extensiométricas con aquellas en el parche de contacto. Su robustez y precisión han sido probadas en numerosas situaciones con ruedas de dinamómetro, lo que mejora la precisión global de los análisis. Además, proporciona un importante apoyo para la investigación y el desarrollo en dinámica vehicular.
En conclusión, el uso de TRICK en el método de análisis nos ayudó a obtener datos precisos y exactos. Esta información sobre las fuerzas de interacción neumático-suelo es muy importante, ya que ayuda a validar y mejorar los otros modelos que utilizamos.
A continuación, describiremos nuestro modelo matemático.
Tenemos que hacer algunas suposiciones preliminares para calcular las fuerzas de reacción en cada elemento de la suspensión, tales como:
Todos los componentes de la suspensión son rígidos.
Los componentes están sometidos únicamente a fuerzas axiales.
Cada grupo de suspensión se encuentra en equilibrio estático.
| No. | Axle | Name | Acronyms |
|---|---|---|---|
| 1 | Front | Tie rod | TR |
| 2 | Front | Lower triangle – Forearm | FLWF |
| 3 | Front | Lower triangle – Aft arm | FLWA |
| 4 | Front | Upper triangle – Forearm | FUWF |
| 5 | Front | Upper triangle – Aft arm | FUWA |
| 6 | Front | Push rod | FPR |
| 7 | Rear | Fake tie rod | FT |
| 8 | Rear | Lower triangle – FForearm | RLWF |
| 9 | Rear | Lower triangle – Aft arm | RLWA |
| 10 | Rear | Upper triangle – Forearm | RUWF |
| 11 | Rear | Upper triangle – Aft arm | RUWA |
| 12 | Rear | Pull rod | RPR |
Primero, debemos definir las coordenadas cartesianas de los puntos característicos del sistema de suspensión respecto a un punto de referencia. En este caso, elegimos el centro del vehículo a nivel del suelo como punto de referencia.
Para cada elemento de la suspensión, encontramos la distancia entre dos puntos que definen el brazo. Un punto se encuentra en el exterior y se conecta al cubo, y el otro se encuentra en el interior y se conecta al chasis. Finalmente, determinamos el vector de dirección, lo cual hacemos normalizando la diferencia entre ambos puntos. Esto genera una matriz que muestra la magnitud de las fuerzas que actúan sobre el brazo individual.
También analizamos los momentos de los brazos. Calculamos estos momentos utilizando el mismo punto de referencia que elegimos anteriormente. Esto nos proporcionó una matriz que incluye las fuerzas y los momentos de cada brazo.
El equipo puede utilizar esta matriz para mostrar las fuerzas en el parche de contacto del neumático. Además, muestra los momentos creados por estas fuerzas alrededor del punto central de la rueda a nivel del suelo.
La matriz FLArms representa las fuerzas de reacción axiales de todos los componentes de la suspensión.
Utilizando estas fórmulas, calculamos el tamaño de las fuerzas axiales para cada parte de la suspensión. Esto se basó en la carga vertical estática del vehículo (Fz).
El vehículo fue instrumentado con galgas extensiométricas únicamente en el lado izquierdo. Tomamos esta decisión en función del circuito de prueba, ya que éste ponía más carga en el lado izquierdo del coche. También consideramos la estructura simétrica del automóvil, por lo que las galgas en un solo lado fueron suficientes para una evaluación precisa.
Después de configurar el modelo para estudiar las fuerzas en el parche de contacto, utilizamos los datos de las galgas. Posteriormente, comparamos los resultados obtenidos con TRICK con las fórmulas que se enumeran a continuación.
A continuación, compartimos las fórmulas que consideran las partes estáticas y dinámicas de las cargas verticales en cada rueda.
En un sistema de referencia del vehículo, podemos calcular las fuerzas laterales en el eje. Estas fuerzas están relacionadas con el balance lateral del vehículo. Encontramos las cargas laterales después de realizar una operación de derivación de guiñada, lo cual se lleva a cabo resolviendo un sistema de ecuaciones.
Para un vehículo de tracción trasera, podemos estimar las cargas longitudinales. Esto supone que las fuerzas tangenciales se igualan a las fuerzas verticales.
Para maniobras de desaceleración, la carga para cada rueda es:
Para maniobras de aceleración, la carga para las ruedas delanteras.
La carga en las ruedas traseras es, en cambio:
Análisis de datos y resultados
Realizamos nuestra campaña de pruebas en el Circuito Internazionale Del Volturno. Es el lugar ideal para poner a prueba las galgas extensiométricas en diversas condiciones de trabajo. Cuenta con largos tramos rectos, curvas de radio constante y zonas mixtas.
Después de completar la fase de recolección de datos, primero examinamos la calidad de las adquisiciones. Los resultados fueron muy buenos. La alta frecuencia de muestreo del hardware Dewesoft nos permitió filtrar los datos con precisión, realizando operaciones de filtrado sin comprometer su exactitud.
Las imágenes a continuación muestran la fuerza en el parche de contacto para la parte delantera y trasera. Esto utiliza los modelos que describimos anteriormente: las galgas extensiométricas (SG) y el modelo físico del vehículo (TRICK).
Encontramos que la valoración entre los dos modelos es del 84%. Puede llegar a alcanzar hasta el 90% para la Fy.
Debemos considerar la Fx de la rueda delantera como negativa. Presenta una potencia más débil debido a la dirección, y su tendencia es también menos consistente que las de las otras ruedas.
Conclusión
Este estudio validó con éxito modelos matemáticos que correlacionan las fuerzas en el sistema de suspensión con las fuerzas de interacción neumático-suelo. Los datos se recolectaron utilizando galgas extensiométricas y se contó con el apoyo de la tecnología de Dewesoft y la herramienta TRICK de Megaride. Los resultados mostraron un fuerte vínculo entre los modelos físicos y las mediciones de los sensores.
Validar las herramientas de cálculo fue esencial para determinar los límites y la confiabilidad del modelo matemático creado. Esta validación ayudó a predecir las fuerzas que afectan al sistema de suspensión del nuevo monoplaza eléctrico del equipo. Estos hallazgos guiarán el diseño de la suspensión del vehículo eléctrico, garantizando una confiabilidad estructural y una funcionalidad optimizada.
Agradecimientos
Agradecemos a todo el equipo de Dewesoft Italia. Un agradecimiento especial a Riccardo Petrei y Gabriele Ribichini, quienes hicieron posible esta campaña de pruebas. También agradecemos a Marco Ribichini por su constante apoyo técnico, siempre presente durante la instalación y las pruebas en pista.
Agradecemos a Megaride Srl por su apoyo y por permitirnos utilizar su herramienta TRICK.
Finalmente, agradecemos a todo el equipo de UniNa Corse.