Caso de Estudio
Dynamics Test Centre CED, Normandy, Francia
Por Nicolas Phan, Ingeniero de Ventas, Dewesoft Francia

El Dynamics Test Center (Centre d'Essais Dynamiques - CED) es un laboratorio de pruebas público abierto a cualquier organización industrial o de investigación. Entre otros, CED proporciona las instalaciones de prueba para las pruebas de colisión de asientos, incluida una potente catapulta neumática inversa. Esto lo utilizan los fabricantes de la industria automotriz o aeroespacial para evaluar el comportamiento del asiento durante un impacto, para garantizar la seguridad de los ocupantes en caso de una emergencia como un choque.

Los ingenieros querían ver las señales de prueba en tiempo real durante la prueba. Ahora utilizan software y sistemas de adquisición de datos robustos de Dewesoft para la prueba del mecanismo del asiento y la calibración de maniquíes de prueba de choque.

testing dummy in car seat ready for seat crash test

Una prueba de colisión del asiento es casi como el lanzamiento de un cohete. Un asiento y un maniquí se colocan en el banco de pruebas de la catapulta, que luego se libera y acelera (o desacelera) a velocidades específicas para simular una colisión frontal. Técnicos concentrados y organizados verifican meticulosamente la muestra de prueba y la configuración: el banco de prueba, el asiento, el maniquí de prueba, cada montaje, cable y sensor.

Cuando todo está listo, todos evacuan la sala de pruebas. Detrás de una enorme ventana de vidrio blindado en la sala de control de pruebas, esperan. Entonces, el operador principal hace sonar una alarma que pone los nervios de punta. La gente ahora sabe que la prueba es inminente. ¡¡¡Y BAAANG !!! - escucha la liberación de la cámara de aire y siente la vibración del suelo, incluso en la sala de control aislada. El maniquí recibe el golpe.

Días o semanas de preparación, ¡y todo sucede en menos de un segundo! Es una medición de una sola vez. ¿Y el asiento con el maniquí? ¿Alguna vez ha estado en una montaña rusa o ha experimentado otras atracciones sensacionales?

 Ahora, imagina esto golpeando una pared. El banco de pruebas de CED es el más potente de Europa. Es capaz de proyectar una muestra de 4 toneladas a 90 km / h a lo largo de 1 a 2 m, lo que corresponde a la distancia recorrida por un choque (deformación del vehículo).

Prueba de colisión del asiento

 Para los automóviles, las pruebas de choque, o pruebas dinámicas, son una prueba de seguridad regulada obligatoria para homologar vehículos. Los asientos de los automóviles permiten a los ocupantes conducir relajados y seguros. Hoy en día, el asiento puede combinar muchas funciones mecatrónicas como ajustar la automatización con un motor eléctrico, calefacción e incluso un sistema de sonido activo o un sistema de reconocimiento inteligente del conductor.

Un asiento combina cientos de componentes mecánicos. Los más básicos en cuanto a seguridad son el mecanismo de anclaje - la vía interior, el mecanismo de bloqueo y los pernos - y el respaldo, sin olvidar partes esenciales de seguridad como airbags y cinturones. La cinemática moderna de los asientos es compleja. Los componentes del mecanismo del asiento deben poder reclinarse, levantar, ajustar y girar el asiento sin esfuerzo, y luego devolverlo suavemente a la posición de conducción; consulte la figura 1.

Para implementar un modelo numérico de resistencia a vibraciones y golpes, el departamento de simulación de I + D de CED necesita datos reales de carga en carretera y tensión mecánica extrema precisa en una situación de prueba de choque real. La ciencia de los materiales y el estudio de las superficies, y los contactos entre ellos, también se aplican para comprender el comportamiento mecánico y los posibles problemas posventa.

seat components of a vehicle
Figura 1. El asiento del vehículo está construido con numerosos componentes. (Foto: Faurecia)

El Centro de pruebas de dinámica - CED

El Dynamics Test Centre CED pertenece al Campus Industrial de Investigación e Innovación Aplicada a los Materiales (CIRIAM), recientemente rebautizado como Normand’Innov, y cuenta con el apoyo del consejo regional de Normandía en Francia. Con sede en la ciudad de Caligny, CED incluye instalaciones de prueba como enormes mesas de vibración de seis ejes e instalaciones para pruebas de durabilidad climática, chirridos y traqueteos, así como la catapulta neumática inversa.

El centro de pruebas está equipado con varias mesas de vibración de seis ejes para realizar pruebas de durabilidad con una amplia gama de vibraciones y cargas. Por ejemplo, simulación multiaxial como carreteras, aviación y sísmica. Consulte la figura 2 para obtener más detalles.

Esas pruebas de vibración se pueden combinar con una cámara climática extraíble para calor, frío o humedad, o con una cámara semianecoica para medir el ruido de chirridos y traqueteos, desarrollo de automóviles eléctricos, confort acústico y más. Con la catapulta neumática inversa, CED trabaja para empresas de la industria automotriz y aeroespacial, como Airbus, Safran, Zodiac Aerospace.

El sitio de 61 hectáreas en Caligny también comprende la producción de mecanismos de asientos FAURECIA y una rama de la Universidad ENSICAEN. Este centro mundial de I + D para el diseño de mecanismos de asiento destaca en pasantías y formación en ingeniería mecánica y ciencia de materiales.

Faurecia S.E. es un proveedor mundial de automóviles francés con sede en Nanterre, en los suburbios occidentales de París. Se encuentra en el top 10 mundial de los mayores fabricantes internacionales de piezas de automóviles y en la cima absoluta en interiores de vehículos y tecnología de control de emisiones. Uno de cada tres automóviles en todo el mundo está equipado de alguna manera por Faurecia.

six axis vibration table in the climatic chamber
Figura 2. Mesa vibratoria de seis ejes con cámara climática.

Prueba de catapulta inversa

La potente catapulta neumática inversa en el centro de pruebas CED se utiliza para pruebas de impacto y pruebas de dinámica en tiempo real de estructuras y equipos automotrices como tableros de instrumentos, asientos o asientos de seguridad para niños. El banco consta de un carro que se proyecta mediante un resorte neumático hidroneumático para reproducir situaciones de impacto / choque en estructuras mecánicas y equipos. Permite realizar pruebas de choque con 3,1 Mega Newtons, 90 km / h, 122 gy una carga útil útil de 3000 kg; consulte las figuras 3 y 4.

testing dummy on reverse pneumatic catapult for seat crash testing
Figura 3. Catapulta neumática inversa para prueba de choque.

El dispositivo sobre el que se realizan las pruebas dinámicas de asientos y reposacabezas es un trineo de plataforma de acero que se desplaza sobre rieles fijos. El trineo se mueve para simular las aceleraciones de choques de vehículos, recreando las fuerzas sobre los ocupantes dentro de los vehículos durante choques del mundo real. El cambio de aceleración o desaceleración durante el tiempo que dura un choque se conoce como pulso de choque, y el aspecto clave de un trineo es que se puede programar para producir pulsos de choque específicos.

Para evaluar la protección contra choques traseros, los asientos del vehículo se fijan al trineo. El trineo se acelera para simular un vehículo parado que choca por detrás con otro vehículo del mismo peso que va a 32 kph (20 mph). Para lograr esto, se bombea aire comprimido a un cilindro especial, empujando un pistón hacia adelante en un patrón de aceleración preprogramado (pulso de choque).

two men preparing a revers pneumatic catapult test with the dummy on the sled
Figura 4. Preparación de una prueba de catapulta neumática inversa: el maniquí está en el trineo.

La catapulta garantiza la repetibilidad de múltiples pulsos de desaceleración cumpliendo con las especificaciones del constructor y cumpliendo con las normativas de autoridad y estándares de seguridad tales como:

Estándar Organización Descripción
ECE17 UN/ECE Reglamento No 17 de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE / ONU) - Disposiciones uniformes relativas a la homologación de vehículos con respecto a los asientos, sus anclajes y los reposacabezas.
ECE94 UN/ECE Reglamento No 94 de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE / ONU) - Disposiciones uniformes relativas a la homologación de vehículos con respecto a la protección de los ocupantes en caso de colisión frontal.
ECER44 UN/ECE Reglamento No 44 de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE / ONU) - Disposiciones uniformes relativas a la homologación de dispositivos de retención para niños ocupantes de vehículos de motor («sistemas de retención infantil»)
Whiplash Euro NCAP Las pruebas de latigazo cervical de Euro NCAP están diseñadas para promover las mejores prácticas en el diseño de asientos y reposacabezas, es decir, aquellos diseños que se conocen a partir de datos de accidentes para proporcionar la protección más eficaz en el mundo real.
Euro NCAP Euro NCAP El Programa Europeo de Evaluación de Automóviles Nuevos es un programa europeo voluntario de evaluación del desempeño de la seguridad de los automóviles. La calificación de seguridad se determina a partir de una serie de pruebas de vehículos, diseñadas y realizadas por Euro NCAP.
US NCAP National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) Una disposición de la Ley de Equidad en el Transporte Seguro, Responsable, Flexible y Eficiente: Un Legado para los Usuarios (SAFETEA-LU) requiere que los vehículos de pasajeros nuevos estén etiquetados con información de calificación de seguridad publicada por la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en Carreteras bajo su Programa de Evaluación de Automóviles Nuevos ( NCAP).
FMVSS 
(202, 207, 208, 225)
Federal Motor Vehicle Safety Standards Los Estándares Federales de Seguridad de Vehículos Motorizados (FMVSS) son reglamentos federales de los EE. UU. Que especifican los requisitos de diseño, construcción, rendimiento y durabilidad para vehículos motorizados y componentes, sistemas y características de diseño regulados relacionados con la seguridad del automóvil.
AS8049 SAE Aerospace Standard (AS) Norma de desempeño para asientos en aeronaves de helicópteros civiles, aeronaves de transporte y aeronaves de aviación general.

graph showing the example of time acceleration profile of sled characterizationFigura 5. Ejemplo de perfil de aceleración en el tiempo.

Los ingenieros de CED utilizan un sistema de adquisición dedicado y un software en la catapulta de KT Automotive GmbH, un descendiente de Kayzer-Threde Gmbh, ahora parte del Grupo Kistler. Sin embargo, con el sistema de prueba de choque estándar, no pudieron ver las señales de prueba antes, durante o inmediatamente después de la prueba. La prueba funcionó como una caja negra que registra los datos de forma independiente. Para ver los datos y hacer sus cálculos, los ingenieros tuvieron que pasar al modo de análisis posterior y exportar los datos.

Para desarrollar el banco de pruebas y, especialmente, adquirir la capacidad para las mediciones de galgas extensométricas solicitadas por sus clientes, los ingenieros de CED buscaban un sistema DAQ que proporcionara:

  • Acondicionador de galgas extensométricas de 6 canales (completo, semi, cuarto de puente).
  • Sistema compacto y robusto para empotrar en el carro de catapulta.
  • A prueba de golpes de 25 a 60G (con una tasa de alrededor de 50 pruebas / año).
  • Frecuencia de muestreo máxima de 20 kHz por canal.
  • Entrada digital para sincronizar la adquisición de inicio con el sistema de catapulta.
  • Posibilidad de visualizar mediciones en tiempo real o tener el estado de los resultados de la prueba inmediatamente al final de la prueba. Esto no fue posible con el sistema existente que funciona como una caja negra y necesita un largo análisis posterior al tratamiento.

El número de canales utilizados depende de lo que se deba analizar: el mecanismo estructural del asiento, el comportamiento humano en el asiento o ambos.

La solución

Los ingenieros de CED eligieron la solución de hardware propuesta por Dewesoft; consulte la figura 6:

  • KRYPTON 6xSTG: sistema de adquisición de datos de galgas extensométricas universales de 6 canales.
  • KRYPTON ONE 4xDI: módulo de entrada digital de 4 canales.
  • ECAT Power Junction: para inyectar fuente de alimentación.
  • Cable EtherCAT flexible específico de 50 m KAWEFLEX® dedicado para carros rodantes y movimientos mecánicos repetitivos.
  • Frecuencia de muestreo de 20 kHz por canal.

system architecture of Krypton system on the catapult with seat crash testing dummy
Figura 6. Arquitectura del sistema Krypton en la catapulta.

El Krypton One 4xDI recibe una señal digital del carro de la catapulta que activa la medición para sincronizar los dos sistemas de adquisición de datos. Como DewesoftX puede iniciar la medición en muchas condiciones y con tiempo previo al disparo, no se pierden datos y los resultados se pueden exportar en múltiples formatos para compararlos con cualquier sistema de adquisición de datos de terceros.

Krypton modules mounted on the catapult trolleyFigura 7. Módulos de criptón montados en el carro de la catapulta.

Custom flexible 50m EtherCAT KAWEFLEX® for Krypton power supply, data, and synchronization
Figura 8. EtherCAT KAWEFLEX® flexible y personalizado de 50 m para fuente de alimentación, datos y sincronización de Krypton.

El hardware Dewesoft viene con el potente software de análisis y registro de datos: DewesoftX. Se encuentra disponible una gran variedad de funciones matemáticas:

Como es fácil de usar, los ingenieros de CED pueden crear rápidamente pantallas multifísicas personalizadas con cálculos en tiempo real; consulte las figuras 9 y 10.

Example of a customized software interface for real-time math calculation in DewesoftX software
Figura 9. Ejemplo de una interfaz de software personalizada para cálculos matemáticos en tiempo real.

Screenshot of multiple math functions (including CFC filters for the crash test) that are available in DewesoftX software
Figura 10. En el software DewesoftX se encuentran disponibles varias funciones matemáticas (incluidos los filtros CFC para la prueba de choque).

Los maniquíes de prueba de choque

Las pruebas de choque implican un maniquí de prueba de choque. Los maniquíes de prueba de choque están diseñados para simular la respuesta humana a impactos, aceleraciones, deflexiones, fuerzas y momentos de inercia generados durante un choque. Permiten el estudio y desarrollo de estructuras y sistemas de retención resistentes a los choques.

Equipados con múltiples sensores incorporados o montados, recogen y registran un rango de valores durante la prueba. Los valores que se registran, junto con otras mediciones realizadas durante la prueba de choque, permiten evaluar si la prueba cumple con los estándares.

Todos los detalles (la ropa del maniquí, la tensión del arnés, la posición del clip para el pecho, la tensión del cinturón del vehículo) están regulados por estándares que permiten que las pruebas se repitan y comparen cuando se realizan en diferentes instalaciones de laboratorio.

Los maniquíes instrumentados del CED están fabricados por el fabricante estadounidense HUMANETICS, líder mundial en el diseño, fabricación y suministro de maniquíes para pruebas de choque que modelan fielmente seres humanos. La empresa incluso suministra equipos de calibración, instrumentación de sensores de choque, modelado de software y equipos de prueba de seguridad activa. Y esos maniquíes no son juguetes baratos. El precio de un maniquí es similar al de un coche familiar muy bonito.

different models of testing dummies in warehouse
Figura 11. Se utilizan diferentes modelos ficticios según la configuración de la prueba (impacto frontal o lateral) y el comportamiento biomecánico que se debe estudiar.

Mediciones

En todas las pruebas físicas de choque, los maniquíes se utilizan para medir las fuerzas y evaluar las posibles lesiones de los conductores y pasajeros de vehículos, adultos o niños. Se lleva a cabo una variedad de pruebas de choque destructivas para simular los tipos más comunes de choques, incluidos el impacto frontal, el impacto lateral, la salida de la carretera y la parte trasera.

Por año, el centro de pruebas CED realiza alrededor de 600 a 800 pruebas de choque, tanto de impacto frontal-inverso como de impacto lateral, dependiendo de la cantidad de muestras de prueba realizadas. Se necesitan de 20 a 30 canales de medición para un solo maniquí. Es por eso que se aplican canales adicionales como Krypton.

Krypton nos permite adquirir fácil y rápidamente hasta seis galgas extensométricas en una prueba

dice Baptiste Fleury, ingeniero de pruebas de choque en CED Normandy. “Usamos estos medidores para medir las tensiones en diferentes lugares de los asientos. Por ejemplo, comprobar una debilidad potencial que se ha identificado en el cálculo, dimensionar un componente según las tensiones medidas, o incluso aportar datos para el cálculo en lugares difíciles de modelar o simular ”.

Antes de que un asiento para automóvil salga al mercado, se pueden realizar más pruebas de choque. Los fabricantes ejecutan simulaciones de pruebas de choque durante todo el diseño y desarrollo de un producto. Las primeras pruebas de choque se realizan con fines de investigación para ayudar a determinar qué áreas de diseño deben mejorarse o aclarar si una posible alteración del producto será beneficiosa o no. Sin embargo, en algunos casos, las primeras pruebas de choque solo se realizan cuando el asiento prototipo está disponible.

Los maniquíes incluyen células de carga, acelerómetros y transductores de desplazamiento. Ayudan a los ingenieros a evaluar lo que atraviesa un cuerpo humano real en términos de impacto y fuerza de impacto. También se utilizan para evaluar la eficiencia de los sistemas de seguridad de los asientos como:

  • cinturones de seguridad,
  • soportes para la cabeza,
  • apoyabrazos del asiento,
  • etc.

Además, otros transductores, como galgas extensométricas, están montados en los asientos. Estos permiten a los ingenieros ver cómo se comportarán los materiales utilizados en caso de situaciones de choque, si son lo suficientemente fuertes para evitar que se rompan, se pierdan o se deformen.

testing dummy mounted on seat and ready for the seat crash test
Figura 12. Un maniquí montado y listo para la prueba de choque del asiento.

Módulos DAQ versátiles

Los nuevos módulos Dewesoft Krypton en CED no solo son resistentes sino también versátiles. En su departamento de metrología, la "Clínica Dummies", los ingenieros ahora también los utilizan para otras tareas de medición, como la calibración de sensores y controles de estado ficticios.

Como los maniquíes de prueba de choque simulan la respuesta humana a impactos, aceleraciones, desviaciones, fuerzas y momentos de inercia generados durante un choque, reciben una fuerte paliza. A lo largo de su “vida útil”, los maniquíes están expuestos a altos niveles de impacto y todos los sensores internos - fuerza, torque, desplazamiento… deben revisarse regularmente. Esto se realiza en bancos de pruebas específicos, como bancos de pruebas de impacto o máquinas de compresión y tracción. Las entradas universales y de alta precisión de los módulos Krypton son adecuadas para esos fines de calibración.

Los procedimientos de prueba para maniquíes están regulados y descritos en estándares de prueba. Los ingenieros realizan una prueba en un impactador de péndulo dinámico o en un banco de pruebas electromecánico para la tracción y la compresión; véanse las figuras 13 y 14.

El impactador de péndulo dinámico proporciona datos sobre el comportamiento de materiales o componentes sometidos a cargas rápidas. Se utiliza para medir la respuesta de un impacto en el tórax humano, la región del pecho entre el cuello y el abdomen. Al realizar la prueba con el impactador de péndulo, una masa de referencia conocida choca contra el maniquí a una velocidad conocida. Se mide la respuesta de fuerza / desviación del esternón o del tórax del maniquí.

El banco de pruebas electromecánico se utiliza para medir la curva de respuesta del sensor. Aplica una carga o desplazamiento estático conocido y se comprueba la deformación del propio sensor.

testing dummy on a tension-compression machine which calibrates displacement sensors or strain gauges
Figura 13. Prueba de impacto del centro de pruebas CED: el módulo Krypton está en la mesa en la parte posterior.

Toda la cadena de medición de adquisición de datos también se puede calibrar con una señal de generador de referencia eléctrica. Cada sensor tiene una salida eléctrica que se escala en una unidad física en el sistema de adquisición. Se realiza un proceso de calibración para comprobar si el propio sistema de adquisición de datos mide el valor correcto. Se utiliza un generador de señal calibrado como referencia de voltaje eléctrico conocido y la señal se envía a las entradas del sistema de adquisición de datos.

Krypton modules being used to calibrate dummies and sensors
Fig. 14. Se utiliza una máquina de tensión-compresión con un punto de ajuste de desplazamiento conocido para calibrar sensores de desplazamiento o galgas extensométricas.

Conclusión

El Dynamics Test Center CED en Normandía FRANCIA ha elegido los robustos módulos de adquisición Dewesoft KRYPTON para su catapulta de prueba de choque de asientos. A prueba de golpes de hasta 100G, galgas extensométricas y amplificadores STG universales en el interior, las unidades KRYPTON son adecuadas para uso en entornos de vibración extrema y rango de medición de alta resolución.

Fácil de usar y versátil, utilizamos los módulos KRYPTON tanto para pruebas de choque para estudiar el comportamiento dinámico de estructuras / materiales como para operaciones de calibración de alta precisión.

dice el ingeniero de pruebas de choque Baptiste Fleury.

Referencias

Informe de la televisión francesa sobre CED

Informe de video sobre el centro de pruebas CED

Maniquíes de prueba de choque en CED