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Trabajo Fin de Máster Evaluación y ajuste de la dinámica vertical del sistema de suspensión en vehículos equipados con motores rueda Autor/es Miguel Muñío Gay Director/es Mario Vicente Maza Frechín Universidad de Zaragoza Escuela de Ingeniería y Arquitectura 2013 RESUMEN En los últimos años han surgido grandes novedades tecnológicas en el sector del automóvil relacionadas con los vehículos eléctricos. Un ejemplo en pleno desarrollo tecnológico, es la tecnología “in-wheel motors” o motores rueda. Consiste en la reubicación del sistema de tracción en los buges de las ruedas de los automóviles aprovechando su reducido tamaño, permitiendo la simplificación del sistema de tracción aumentando la eficiencia mecánica. En este proyecto se lleva a cabo un estudio exhaustivo de la influencia del aumento de masa no suspendida de este sistema novedoso y la caracterización de los parámetros de la suspensión que permiten obtener un confort y maniobrabilidad similar a las actuales. El modelo de estudio de este proyecto es un vehículo con características similares a una furgoneta Mercedes Vito, equipada con dos motores rueda de este tipo comercializados por la empresa Protean Electric. En primer lugar se ha realizado un estudio de la influencia de la masa no suspendida, que añade este sistema, sobre el movimiento dinámico vertical de la rueda respecto al perfil de carretera. Permitiendo conocer la influencia que este parámetro posee respecto a la suspensión actual del vehículo. Posteriormente, con la ayuda del software Matlab/Simulink, se ha realizado una caracterización de los valores más importantes que definen el sistema de amortiguación para conocer la influencia de la modificación de estos mismos respecto al aumento de masa y cuáles son los valores óptimos para conseguir las condiciones deseadas. Finalmente un estudio de simulación permite deducir que la influencia de este aumento de masa afecta al comportamiento dinámico del vehículo y no al confort de los pasajeros. A partir de este modelo de proyecto se abre un nuevo campo de estudio de los principales parámetros que definen la suspensión, que permita relacionar su variación con el aumento de masa no suspendida. CONTENIDO 1. Introducción ............................................................................................................ 13 1.1. Contexto ........................................................................................................... 13 1.2. Motivación y alcance del proyecto .................................................................. 14 1.3. Objetivos .......................................................................................................... 15 1.4. Organización memoria ..................................................................................... 16 2. Estado del arte ........................................................................................................ 17 2.1. Motores rueda .................................................................................................. 17 2.1.1. Prototipo Michelín “eWheelDrive”. ......................................................... 18 2.1.2. Prototipo Protean ...................................................................................... 20 2.2. Sistema de suspensión de un vehículo ............................................................. 26 2.2.1. Suspensión de un vehículo automóvil. ..................................................... 26 2.2.2. Componentes de la suspensión de un vehículo ........................................ 27 2.3. Efectos de la adicción de masa no suspendida ................................................ 28 2.3.1. Introducción .............................................................................................. 28 2.3.2. Estudios de la influencia de la masa no suspendida ................................. 28 3. Modelo de dinámica vertical .................................................................................. 31 3.1. Modelo de 2-GDL: Modelo de Cuarto de vehículo ......................................... 31 3.1.1. Descripción del modelo matemático ........................................................ 31 3.1.2. Funciones de transferencia ....................................................................... 34 4. Simulación dinámica de la suspensión ................................................................... 37 4.1. Análisis frecuencial .......................................................................................... 37 4.1.1. Caso 1: Vehículo convencional ................................................................ 38 4.1.2. Caso 2: Vehículo Peugeot 207 ................................................................. 40 4.1.3. Caso 3: Vehículo Mercedes Vito .............................................................. 42 4.1.4. Caso a desarrollar ..................................................................................... 44 4.1.5. Conclusiones análisis frecuencial ............................................................. 44 4.2. Caracterización de parámetros ......................................................................... 45 4.2.1. Influencia del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión ............. 45 4.2.2. Influencia del coeficiente de rigidez de la amortiguación ....................... 47 4.2.3. Influencia del coeficiente de rigidez del neumático. ................................ 48 4.2.4. Relación de la influencia de los parámetros ............................................. 50 4.2.5. Aplicación vehículo real. .......................................................................... 51 4.3. Modelado en Simulink ..................................................................................... 58 4.3.1. Simulación temporal ................................................................................. 58 4.3.2. Simulación entrada aleatoria .................................................................... 61 5. Conclusiones y líneas futuras ................................................................................. 63 5.1. Conclusiones .................................................................................................... 63 5.2. Líneas futuras ................................................................................................... 64 6. Referencias ............................................................................................................. 65 7. ANEXOS ................................................................................................................ 67 ANEXO I – Componentes de la suspensión de un vehículo ...................................... 67 ANEXO II – Caracterización de parámetros .............................................................. 79 II-1. Influencia del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión ................... 79 II-2. Influencia del coeficiente de rigidez de la amortiguación. .......................... 101 II-3. Influencia del coeficiente de rigidez del neumático. .................................... 109 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Prototipo Michelin .......................................................................................... 18 Figura 2: Sistema SECU ................................................................................................. 21 Figura 3: Inversor Integrado ........................................................................................... 23 Figura 4: Componentes sistema Protean ........................................................................ 23 Figura 5: Características Protean Drive .......................................................................... 24 Figura 6: Prototipos Protean ........................................................................................... 25 Figura 7: Esquema modelo de cuarto de vehículo .......................................................... 31 Figura 8: Diagrama sólido libre ...................................................................................... 31 Figura 9: Función Bode desplazamiento vertical rueda caso 1 ...................................... 38 Figura 10: Función Bode desplazamiento vertical carrocería caso 1 ............................. 38 Figura 11: Función Bode aumento porcentual de masas ................................................ 39 Figura 12: Función Bode desplazamiento vertical rueda caso 2 .................................... 40 Figura 13: Función Bode desplazamiento vertical carrocería caso 2 ............................. 40 Figura 14: Función Bode aumento porcentual de masas ................................................ 41 Figura 15: Función Bode desplazamiento vertical rueda caso 3 .................................... 42 Figura 16: Función Bode desplazamiento vertical carrocería caso 3 ............................ 42 Figura 17: Función Bode aumento porcentual de masas ................................................ 43 Figura 18: Prototipo Opel Vivaro Protean ...................................................................... 44 Figura 19: Gráfica influencia del coeficiente de amortiguamiento en función de la masa ........................................................................................................................................ 45 Figura 20: Gráfica lineal influencia del coeficiente de amortiguamiento en función de la masa entre 10 y 130% ..................................................................................................... 46 Figura 21: Gráfica influencia del coeficiente de rigidez de la suspensión en función de la masa. ............................................................................................................................... 47 Figura 22: Gráfica lineal influencia del coeficiente de rigidez de la suspensión en función de la masa entre 10 y 90%. ................................................................................ 47 Figura 23: Gráfica influencia del coeficiente de rigidez del neumático en función de la masa. ............................................................................................................................... 48 Figura 24: Gráfica lineal influencia del coeficiente de rigidez del neumático en función de la masa entre 10 y 80% .............................................................................................. 48 Figura 25: Representación gráfica tres parámetros modificados en función del aumento porcentual de la masa no suspendida. ............................................................................ 49 Figura 26: Funciones Bode para 60 y 100Kg ................................................................. 51 Figura 27: Funciones Bode para diferentes valores del amortiguamiento de la suspensión. ...................................................................................................................... 52 Figura 28: Función de Bode comparación de valores de amortiguamiento de la suspensión ....................................................................................................................... 53 Figura 29: Funciones Bode para diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. ...................................................................................................................... 54 Figura 30: Función de Bode comparación de valores del coeficiente de rigidez de la suspensión ....................................................................................................................... 55 Figura 31: Funciones Bode para diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático ....................................................................................................................... 56 Figura 32: Función de Bode comparación de valores del coeficiente de rigidez del neumático ....................................................................................................................... 57 Figura 33: Esquema Simulink simulación temporal ...................................................... 58 Figura 34: Entradas perfil de carretera. Signal 1 10Km/h y Signal 2 60Km/h............... 59 Figura 35: Gráfica movimiento rueda para velocidad 10Km/h ...................................... 59 Figura 36: Gráfica movimiento rueda para velocidad 60Km/h ...................................... 59 Figura 37: Gráfica respuesta movimiento de carrocería respecto a una sucesión de baches a 10Km/h (izq y a 60Km/h (drcha.) .................................................................... 60 Figura 38: Esquema Simulink simulación entrada aleatoria .......................................... 61 Figura 39: Gráfica perfil de entrada aleatorio ................................................................ 62 Figura 40: Gráfica movimiento rueda en respuest al perfil de entrada .......................... 62 Figura 41: Muelles helicoidales ...................................................................................... 67 Figura 42: Tipos de muelles helicoidales ....................................................................... 68 Figura 43: Esquema definición parámetros muelles helicoidal ...................................... 68 Figura 44: Sistema de suspensión ballestas .................................................................... 69 Figura 45: Sistema de suspensión barras de torsión ....................................................... 70 Figura 46: Sistema de amortiguamiento ......................................................................... 71 Figura 47: Amortiguador estructura Bitubo ................................................................... 72 Figura 48: Amortiguador estructura Monotubo.............................................................. 72 Figura 49: Suspensión rígida vs Suspensión independiente ........................................... 73 Figura 50: Sistema de suspensión de eje rígido .............................................................. 73 Figura 51: Sistema de suspensión rígida con muelles .................................................... 74 Figura 52: Sistema de suspensión rígida con Sistema de Conexión............................... 74 Figura 53: Sistema de suspensión rígida con Sistema de Barras Tirantes...................... 75 Figura 54: Suspensión McPherson ................................................................................. 76 Figura 55: Suspensión de doble horquilla ...................................................................... 77 Figura 56: Suspensión de eje torsional ........................................................................... 77 Figura 57: Suspensión Multibrazo .................................................................................. 78 Figura 58: Función Bode para el aumento del 10% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 79 Figura 59: Función Bode para el aumento del 20% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 80 Figura 60: Función Bode para el aumento del 30% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 81 Figura 61: Función Bode para el aumento del 40% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 82 Figura 62: Función Bode para el aumento del 50% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 83 Figura 63: Función Bode para el aumento del 60% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 84 Figura 64: Función Bode para el aumento del 70% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 85 Figura 65: Función Bode para el aumento del 80% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 86 Figura 66: Función Bode para el aumento del 90% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ............... 87 Figura 67: Función Bode para el aumento del 100% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ...................................................................................................................... 88 Figura 68: Función Bode para el aumento del 110% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ...................................................................................................................... 89 Figura 69: Función Bode para el aumento del 120% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. ...................................................................................................................... 90 Figura 70: Función Bode para el aumento del 130% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 91 Figura 71: Función Bode para el aumento del 140% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 92 Figura 72: Función Bode para el aumento del 150% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 93 Figura 73: Función Bode para el aumento del 160% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 94 Figura 74: Función Bode para el aumento del 170% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 95 Figura 75: Función Bode para el aumento del 180% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 96 Figura 76: Función Bode para el aumento del 190% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 97 Figura 77: Función Bode para el aumento del 200% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 98 Figura 78: Función Bode para el aumento del 300% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................... 99 Figura 79: Función Bode para el aumento del 10% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 101 Figura 80: Función Bode para el aumento del 20% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 101 Figura 81: Función Bode para el aumento del 30% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 102 Figura 82: Función Bode para el aumento del 40% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 102 Figura 83: Función Bode para el aumento del 50% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 103 Figura 84: Función Bode para el aumento del 60% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 103 Figura 85: Función Bode para el aumento del 70% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 104 Figura 86: Función Bode para el aumento del 80% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 104 Figura 87: Función Bode para el aumento del 90% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 105 Figura 88: Función Bode para el aumento del 100% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................. 105 Figura 89: Función Bode para el aumento del 125% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................. 106 Figura 90: Función Bode para el aumento del 150% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................. 106 Figura 91: Función Bode para el aumento del 175% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................. 107 Figura 92: Función Bode para el aumento del 200% de masa suspendida en comparación.................................................................................................................. 107 Figura 93: Función Bode para el aumento del 10% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 109 Figura 94: Función Bode para el aumento del 20% de masa suspendida en comparación ...................................................................................................................................... 109 16 1.4. Organización memoria La memoria de este proyecto sigue una estructura similar a la expuesta anteriormente, dividida en 5 secciones diferentes. Estas secciones se ordenan de la siguiente manera: En la sección dos, denominada “Estado del arte”, se expone una pequeña parte de la información desarrollada sobre los temas hasta este momento. La sección número tres, denominada “Modelo de la dinámica vertical”, presenta las diferentes ecuaciones matemáticas que permiten definir el modelo a estudiar. En la cuarta sección, denominada “Simulación dinámica de la suspensión”, se desarrolla la parte principal del proyecto que consiste en el estudio y caracterización de los diferentes factores que influyen en la suspensión, en relación con el aumento de masa suspendida, cuando se desea alcanzar una posición de referencia. Por último, el apartado seis expone las conclusiones que se pueden extraer de la realización de este proyecto y propone futuras líneas de investigación para continuar el trabajo realizado. 17 2. Estado del arte 2.1. Motores rueda La evolución de los coches eléctricos ha crecido rápidamente en los últimos años, aportando una solución para los futuros problemas relacionados con los elevados consumos de los automóviles, a nivel mundial, y la tendencia a la desaparición de las materias primas. El motor rueda fue presentado como una solución para la integración del motor en los coches eléctricos, siendo un sistema que desplaza la función de motor directamente a las ruedas del automóvil. Obteniendo un mayor espacio en el interior del coche y ocupando un área del vehículo que hasta la actualidad solo estaba destinada a la instalación del sistema de frenado del vehículo. Esta tecnología integra el motor eléctrico y el sistema de regeneración de la frenada dentro del buje de las ruedas, de este modo las baterías pueden distribuirse en el suelo del vehículo liberando el espacio frontal donde normalmente se instala el motor. Aumentando la capacidad de almacenar equipaje o material, en comparación con vehículos convencionales y actuales, esta área está ocupada por el motor térmico o eléctrico. En el futuro el aumento de espacio útil de los automóviles permitirá la creación de vehículos de menor tamaño y con posibilidad de alojar un mayor número de plazas. El desarrollo de este sistema esta evolucionado, actualmente existe diferentes prototipos aunque los dos más importantes son: Michelín active Wheel y Protean inwheel motors. 18 2.1.1. Prototipo Michelín “eWheelDrive”. A finales de 2009 la empresa europea Michelín presentó en el Salón del Vehículo y Combustible Alternativos de Valladolid su rueda motorizada, la Active Wheel, es en esencia una llanta estándar que alberga en su interior dos motores eléctricos, uno de los motores dedicado a la tracción (impulsa o frena la rueda), mientras que el otro actúa como un sistema de suspensión activa para mejorar el confort, manejo y estabilidad. Según el fabricante el comportamiento y el confort de marcha serían idénticos a los sistemas convencionales. La alimentación de estos pequeños motores eléctricos en cada rueda, seguiría llegando de un paquete de baterías colocado donde el fabricante del coche considerara oportuno. [1] 2.1.1.1. Componentes El sistema Active Wheel incluye todos los componentes fundamentales en la misma rueda, está compuesto por un motor eléctrico, suspensión y frenos eléctricos. A continuación se muestra el esquema:[2] Figura 1: Prototipo Michelin 19 o Motor eléctrico Se basa en un motor eléctrico, situado en el interior de la rueda tal y como se aprecia en la imagen anterior, alimentando por un conjunto de baterías, pilas de combustible o súper condensadores. Este motor está especialmente dedicado a la tracción (impulsa o frena la rueda). o Suspensión El conjunto de suspensión es otro motor eléctrico compuesto por un muelle helicoidal que soporta la carga estática del coche. El conjunto de rueda activa se fija al chasis del vehículo por medio de un pequeño brazo de suspensión, lo que aporta simplicidad y confort. El motor electico encargado de la suspensión puede variar los niveles de firmeza con un sistema electrónico cuyo tiempo de respuesta es de apenas 3 milésimas de segundo, en ese tiempo el conjunto de electrónica y motor es capaz de monitorizar y corregir automáticamente cualquier balanceo o cabeceo del vehículo prácticamente de inmediato. Esta suspensión permite crear la sensación de estabilidad de un deportivo en curvas, con la ausencia del peso del motor el centro de gravedad varia. o Frenos eléctricos Es un dispositivo que permite decelerar o detener un vehículo mediante accionamiento eléctrico. La principal ventaja de este sistema de frenado es que al no tener rozamiento entre partes mecánicas, el desgaste y el mantenimiento son mínimos, y permite frenar vehículos muy pesados 2.1.1.2. Prototipos El prototipo desarrollado por la empresa Heuliez Will basándose en un Opel Agila está formado por dos motores de 30 kW con un peso de rueda aproximado de 42kg. Esta combinación de motores permite construir un automóvil de tracción trasera, similar a los actuales, con una potencia de 60kW (81cv). Es una potencia nada despreciable, con opción de llegar a picos de 120kW (136kW) en pequeños periodos de tiempo. No es una gran potencia, pero al ser eléctricos hacen el 0 a 100 en 10 segundos, y alcanzan una velocidad máxima de 140 km/h. El precio del modelo se estima entre 20 y 25.000 euros. Una de las limitaciones de este prototipo es la ausencia del espacio total del vano motor en la zona frontal, ya que en esta área existen algunos componentes eléctricos. Otro prototipo desarrollado por la empresa francesa Heuliez se trata del Venturi Volage, un roadster eléctrico que, gracias a la miniaturización conseguida por Michelin, cuenta con 4 motores (uno por rueda) para su propulsión. Cada uno entrega una potencia de 55kW, por lo que estamos hablando de un deportivo de 300 C.V. [3] 20 2.1.2. Prototipo Protean Protean Drive es una empresa norteamericana que ha desarrollado un dispositivo rueda-motor, cuyo lanzamiento se realizó en el SAE 2011 World Congress. Ha desarrollado un sistema de accionamiento eléctrico en las ruedas para, plug-in de vehículos ligeros eléctricos híbridos y baterías híbridas. El Protean Drive ™ sistema puede mejorar la economía de combustible del vehículo, añadir par, aumentar la potencia y permitirá mejorar el manejo del vehículo para los vehículos nuevos y existentes. Protean Drive ™ está diseñado para su venta a fabricantes de equipos originales y de las organizaciones / empresas con grandes flotas de vehículos. Las aplicaciones específicas incluyen vehículos sedanes, SUVs, camionetas y furgonetas comerciales, cualquier vehículo con ruedas de 18 a 24 pulgadas. El sistema también puede ser añadido a los coches y camiones existentes, utilizando su tren de transmisión actual de motor de combustión interna. Esto permite a los fabricantes de automóviles crear vehículos híbridos en menos tiempo y con muchos menos cambios en el diseño y los componentes del vehículo. Puede aumentar la economía de combustible en más de un 30 por ciento, dependiendo del tamaño de la batería y el ciclo de conducción. También es lo suficientemente potente como para ser la única fuente para la tracción de una gran variedad de vehículos. Su facilidad de integración puede simplificar la adopción de sistemas de propulsión híbridos y eléctricos a lo largo de una amplia gama de vehículos. La fabricación de prototipos comenzó a principios de 2013 con un mayor volumen de producción en 2014, debido un nuevo centro de fabricación de Protean en Liyang, China. Esto ha sido llevado a cabo a través de una inversión de $84 millones. Los tres grandes inversores son: OAK Investment Partners, GSR Ventures y Jiangsu New Times Holding Group. Protean Drive ™ es una solución totalmente integrada, de accionamiento directo que combina motores in-wheel con un inversor integrado, electrónica de control y software. Cada motor situado con facilidad en el espacio no utilizado detrás de una llanta convencional de 18 a 24 pulgadas y se puede utilizar paquete de rodamientos del equipo originales. La configuración de accionamiento directo prescindir de integrar componentes de transmisión tradicionales como ruedas externas de fricción, transmisiones, ejes y diferenciales, Esta ausencia de elementos de transmisión, implica una reducción de pérdidas de energía de estos componentes, implicando menos energía desperdiciada (durante la aceleración y el frenado regenerativo), lo que resulta en una mayor disponibilidad de la batería para propulsar el vehículo. [4] 21 2.1.2.1. Subsistemas Sistema de control El sistema de control de Protean es una combinación de una unidad de control electrónico (ECU) y el software de control del sistema dedicado, que en conjunto se hace referencia como la ECU del sistema (SECU). El software SECU se desarrolla con técnicas basadas en modelos con Simulink, junto con la generación de código automático. El software se puede suministrar como módulos individuales de Simulink, o como un sistema de control completo para su uso en el hardware estándar de la industria, tales como dSpace Microautobox. El SECU controla y gestiona el comportamiento del motor y vehículo basado en una selección de entradas del sistema. Cada motor está directamente conectado a la SECU a través de un bus CAN (Controlador red de área). Controles del conductor estándar, tales como el frenado y demandas de aceleración, se suministran como entradas electrónicas a la SECU, procesados en el software, convertidas en comandos de velocidad o par de torsión para cada rueda, y comunicados a través de CAN a los motores. El sistema es capaz de poner en práctica una gran variedad de controles avanzados del vehículo y características dinámicas, tales como ABS, control de tracción y control de estabilidad, incluyendo vectorización del par. Esto es posible debido a la capacidad de los motores para entregar par positivo o negativo independiente en cada rueda en una fracción de segundo. [4] Figura 2: Sistema SECU 22 Seis módulos básicos conforman el sistema: o Sistema de control de estado del vehículo Es el núcleo de las funciones del software que interconecta y controla las entradas y salidas de cada dispositivo en el vehículo. Coordina y supervisa las operaciones de todo el sistema para asegurar un funcionamiento a prueba de fallos. Realiza diagnósticos continuos y funciones de presentación de informes en la interfaz del controlador del usuario. o Mapas de frenado Una función clave de los motores "in-wheel" es la conservación y recuperación de la energía a través de la regeneración durante el frenado. El controlador de freno resuelve la fricción y la regeneración de frenado basándose en la demanda del conductor y las capacidades del sistema, por ejemplo, límites de carga y el estado de la batería. o Mapas de aceleración El acelerador es parte integral de los controles del sistema. Se vincula a través del controlador del estado del vehículo a los otros módulos de la SECU para asegurar que el poder "en la rueda" se corresponde con la capacidad de rendimiento del vehículo. o Mapas de chasis La coincidencia de par suministrado a la capacidad de cada neumático es fundamental para garantizar una buena capacidad de conducción. Utiliza los algoritmos de control de dinámica y funciones asociadas para mejorar el manejo del vehículo, esto incluye los controles de tracción y ABS. o Controlador de energía La gestión eficaz de la batería es fundamental para el rendimiento y la fiabilidad de los coches híbridos y eléctricos. Este módulo de software se comunica con los sistemas de gestión de la batería y el funcionamiento del sistema, basándose en el estado de almacenamiento de energía y capacidad. o Controlador motor Cada motor "in-wheel" es controlado independientemente por la centralita para garantizar un funcionamiento coordinado. El software monitoriza cada motor y se ocupa de las condiciones de fallo de una manera segura. [4] 23 Inversor Integrado Protean decidió empaquetar los inversores en el propio motor in-wheel, eliminando el cableado múltiple y los retos de rendimiento causadas por el envasado del inversor en la carrocería del vehículo. Esto reduce drásticamente los requisitos de cableado y libera otro volumen de paquete en la masa suspendida. [4] Motores Los motores en ruedas de Protean están diseñados para alta fiabilidad y se basan en una arquitectura modular redundante. Sub-motores autónomos individuales son controlados por micro-inversores asociados y trabajan cooperativamente para entregar la potencia total y par motor para el motor en su conjunto. Características: o Elevada densidad de potencia y par de torsión o Par de frenado elevado en un amplio rango de velocidades o Arquitectura modular única basada en sub-motores o Diseño para la producción en masa o Posibilidad de mejorar la electrónica de potencia, mejorando el tamaño y la producción en masa, como parte de montaje del motor o Ausencia de gran tamaño de la unidad electrónica de alimentación independiente [4] Figura 3: Inversor Integrado Figura 4: Componentes sistema Protean 24 o Circuito magnético Estator – parte fija, con forma cilíndrica hueca (la variación de longitud va ligada a la velocidad de giro deseada). La parte exterior se denomina carcasa cuya misión es aportar una protección a la máquina. Rotor – parte giratoria, con forma de cilindro, colocada concéntricamente en el interior del estator. El rotor y el estator se construyen con materiales ferro magnético para ofrecer poca resistencia al paso del flujo magnético. o Rodamiento Rueda El principal objetivo es eliminar la mayor cantidad de fricción y rozamiento con el eje. SKF es un fabricante sueco de rodamientos con mucha experiencia, han firmado un acuerdo de colaboración de cinco años para que SKF proveerá de rodamientos de alta tecnología, sellados y con sensores específicos para los motores en rueda de Protean. o Bobina La bobina por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético. o Inversores de energía Su principal función es transformar y administrar el flujo de electricidad entre la batería y el motor eléctrico. 2.1.2.2. Especificaciones de componentes La siguiente tabla muestra las especificaciones de cada motor rueda del sistema Protean. [4] Figura 5: Características Protean Drive 25 2.1.2.3. Prototipos Protean ha desarrollado varios vehículos de demostración, incluyendo un Ford F150 pick-up, Volvo C30, Vauxhall Vivaro, la compañía Guangzhou Automobile Trumpchi y los vehículos eléctricos e híbridos completos de BRABUS, basado en el Mercedes-Benz Clase E. [4] Características de los modelos desarrollados: Figura 6: Prototipos Protean 32 M 1 = Masa no suspendida M 2 = Masa suspendida K 1 = Cte. de rigidez vertical del neumático C 1 = Cte. de amortiguamiento del neumático K 2 = Cte. de rigidez vertical de la suspensión C 2 = Cte. de amortiguamiento de la suspensión La ecuación del sistema puede ser considerada a través de la representación Estado‐Espacio, la cual tiene la forma:    Ecuación de estado  Ecuación de salida Donde: x = vector de estado del sistema u = vector de entrada y = vector de salida En el desarrollo del modelo de solido libre, se obtiene las ecuaciones dinámicas del sistema:         +      +    +                 +       También se pueden expresar en forma matricial:                       +                                 − − −−−− =               x x m C m K x x x x m C m C m K m Km C m CC m K m KK x x x x & & & && && & & 00 00 00 1000 0100 1 1 1 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 21 1 2 1 21 2 1 2 1 33 Para resolver el modelo planteado se ha utilizado el software Matlab/Simulink, por su facilidad de desarrollo y aplicación. Este sistema se puede interpretar de la siguiente forma:  Entrada x(t) = perfil carretera      Salida x 1 (t) = movimiento vertical rueda x 2 (t) = movimiento vertical carrocería vehículo La resolución teórica exacta de este sistema es larga y compleja. - Frecuencias naturales sin amortiguamiento (C 1 =C 2 =0):       2    2  1 4                    Como casos particulares se pueden analizar los siguientes: 1. m 2 ˃˃m 1   ! " # 2. K 1 ˃˃K 2   " # " 3. K 2 ˃˃K 1   # !# " 34 3.1.2. Funciones de transferencia La función de transferencia se define, de forma simplificada, como el cociente entre la transformada de Laplace de la salida de un sistema y la transformada de la entrada al sistema. En el caso de salidas múltiples (sistemas de más de un grado de libertad), como es el caso del modelo utilizado, cada par entrada‐salida define una función de transferencia distinta: [5] $ % &  & $ % &  & x F t1 x 1 x F t2 x 2 f (K 1 ,K 2 ,C 1 ,C 2 ) Para re-escribir las ecuaciones dinámicas del sistema en el dominio de Laplace, se necesita el siguiente proceso:     '  ;     ';     '  ;     ' Obteniendo:     '      +      +  '  +  '         '        +  '     Agrupando términos: a b c   (  '      '    )(  '  )  (  '  ) d e   (  '    '  )  (  '  ) 35 Agrupando los elementos en polinomios, obtenemos:   *+  , - " -  ./ 0123/ $ %   4  5    / 1 - -  .1 0123/ $ % Obteniendo finalmente las dos funciones de transferencia de este modelo: F t1 6 6 " 7 " !(8 6 " !8 " 6 )7!8 8 " 9 9 " 7 : (9 " 6 !6 " !9 6 " )7 ; !<9 " 8 !8 " !6 " 6 !6 " !9 8 " 26 " " 7=7 " !(6 " 8 !8 " !8 " 6 !6 " 26 " 8 " )7!<8 " 8 !8 " 28 " " = F t2 6 9 " 7 ; !(9 " 8 !6 6 " )7 " !(8 " 6 !8 6 " )7!8 8 " 9 9 " 7 : (9 " 6 !6 " !9 6 " )7 ; !<9 " 8 !8 " !6 " 6 !6 " !9 8 " 26 " " 7=7 " !(6 " 8 !8 " !8 " 6 !6 " 26 " 8 " )7!(8 " 8 !8 " 28 " " ) 37 4. Simulación dinámica de la suspensión En este apartado se va a realizar una comparativa de las prestaciones que ofrece el vehículo equipado con el sistema de tracción eléctrico frente a otro de similares características con motorización convencional. 4.1. Análisis frecuencial El análisis frecuencial se lleva a cabo mediante el uso de diagramas de Bode, en los que se representa la ganancia y la fase de la función de transferencia en función de la frecuencia. Para la representación de dichos diagramas se recurre al software matemático Matlab. El diagrama de Bode proporciona información sobre la estabilidad del sistema. Para que un sistema sea estable se debe cumplir que el margen de ganancia y el margen de fase sean positivos. En el desarrollo se ha realizado un análisis inicial de diferentes casos, cuyos datos varían en función del vehículo estudiado. Estos análisis permiten conocer la influencia de la masa no suspendida en diferentes modelos. Para una mejor comprensión de las representaciones de Bode: o El movimiento vertical de las ruedas y el de la carrocería están acoplados, es decir, el movimiento de uno de estos elementos afecta al otro y viceversa. o El sistema objeto de estudio tiene dos frecuencias naturales de vibración, la de resonancia de las ruedas y la de resonancia de la carrocería. La entrada en resonancia de uno de estos elementos induce un movimiento apreciable en el otro y viceversa. 38 4.1.1. Caso 1: Vehículo convencional Los diagramas de Bode obtenidos para el desplazamiento de las ruedas y el desplazamiento de este modelo, se obtienen a partir de los siguientes datos: [5] o m1=120 kg o m2=425 kg o C1=150 Ns/m o C2=3000 Ns/m o K1=400000 N/m o K2=120000 N/m o Representación de Bode de Ft1(s), del movimiento vertical de la rueda Representación de Bode de Ft2(s), del movimiento vertical de la carrocería Figura 9: Función Bode desplazamiento vertical rueda caso 1 Figura 10: Función Bode desplazamiento vertical carrocería caso 1 39 La influencia del aumento de masa no suspendida es el objetivo de este proyecto, se ha procedido al aumento de la masa en porcentaje para conocer la influencia en el comportamiento del movimiento vertical dinámico. Porcentaje Masa Actual 120kg 10% 132kg 20% 144kg 30% 156kg 40% 168kg 50% 180kg 60% 192kg 70% 204kg 80% 216kg 90% 228kg 100% 240kg 200% 360kg Tabla 1: Aumento porcentual de masa caso 1 Figura 11: Función Bode aumento porcentual de masas 40 4.1.2. Caso 2: Vehículo Peugeot 207 Los diagramas de Bode obtenidos para el desplazamiento de las ruedas y el desplazamiento del modelo “Peugeot 207”, se obtienen a partir de los siguientes datos: [14] o m1=75 kg o m2=300 kg o C1=0 Ns/m o C2=3000 Ns/m o K1=228600 N/m o K2=58530 N/m o Representación de Bode de Ft1(s), del movimiento vertical de la rueda Representación de Bode de Ft2(s), del movimiento vertical de la carrocería Figura 12: Función Bode desplazamiento vertical rueda caso 2 Figura 13: Función Bode desplazamiento vertical carrocería caso 2 41 Variación de la masa en porcentaje: Porcentaje Masa Actual 75 kg 10% 82.5 kg 20% 90 kg 30% 97.5 kg 40% 105 kg 50% 112.5 kg 60% 120 kg 70% 127.5 kg 80% 135 kg 90% 142.5 kg 100% 150 kg 200% 225 kg Tabla 2: Aumento porcentual de masa caso 2 Figura 14: Función Bode aumento porcentual de masas 48 4.2.3. Influencia del coeficiente de rigidez del neumático. Utilizando la herramienta Matlab, introduciendo los diferentes valores de la masa y variando los valores del coeficiente de rigidez del neumático para alcanzar la situación de referencia, se obtiene la siguiente gráfica basada en los datos obtenidos en el Anexo II-3 que son los siguientes: M (%) K1 (N/m) 10 188000 20 180000 30 170000 40 162000 50 158000 60 152000 70 148000 80 142000 90 140000 100 136000 125 130000 150 124000 175 120000 200 116000 Figura 23: Gráfica influencia del coeficiente de rigidez del neumático en función de la masa. Figura 24: Gráfica lineal influencia del coeficiente de rigidez del neumático en función de la masa entre 10 y 80% La variación del coeficiente de rigidez del neumático en relación al aumento de la masa no suspendida se puede aproximar a un comportamiento lineal en el apartado entre 10 y 80%. Cuando el aumento de masa es mayor se observa una tendencia a un valor constante del coeficiente de rigidez del neumático, es decir se alcanza un valor de saturación. 49 Utilizando los diferentes valores obtenidos para los parámetros de la suspensión de un vehículo en función del aumento de masa no suspendida, se puede representar la siguiente función que permite conocer la influencia de cada parámetro en relación con el aumento del porcentaje. En la siguiente tabla aparecen los valores obtenidos: M (%) C2 K2 K1 10 2600 72000 188000 20 2700 84000 180000 30 2800 93000 170000 40 2900 105000 162000 50 3000 114000 158000 60 3100 122000 152000 70 3200 130000 148000 80 3300 138000 142000 90 3400 145000 140000 100 3500 152000 136000 125 3750 164000 130000 150 3900 176000 124000 175 4075 182000 120000 200 4300 190000 116000 Tabla 4: Valor de los parámetros en función del aumento de masa Figura 25: Representación gráfica tres parámetros modificados en función del aumento porcentual de la masa no suspendida. 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 0 50 100 150 200 C2 K2 K1 50 4.2.4. Relación de la influencia de los parámetros Después del estudio de la influencia de los diferentes parámetros se ha obtenido diferentes relaciones numéricas de los parámetros. Las relaciones numéricas obtenidas se pueden aproximar a funciones lineales dentro de unos inervalos. La influencia del factor de amortiguamiento se puede aproximar a la función siguiente en el intervalo entre 10 y 130%: 1102500 La influencia del factor del coeficiente de rigidez de la amortiguación se puede aproximar a la función siguiente en el intervalo entre 10 y 90%: 2908.3366028 La influencia del factor del coeficiente de rigidez de la amortiguación se puede aproximar a la función siguiente en el intervalo entre 10 y 80%: 3642.86191429 Se puede observar que los intervalos de los coeficientes de rigidez donde sus funciones se pueden aproximar a funciones lineales, son similares. Esto quiere decir que un aumento de masa mayor de este intervalo se puede definir como valor de saturación, tendiendo a ser constante en función del aumento de masa. El siguiente paso es el cálculo de los valores para los cuales se produce la saturación para los parámetros de coeficiente de rigidez: 1º Cálculo del 90% del aumento de masa x = 90% [114 Kg] 2º Cálculo del valor para cada función lineal y2=147773.7 N/m y3=1333571.6 N/m 3º Relación con el valor lineal y1=3400 Ns/m A partir de estos valores se puede deducir, que por encima de los valores de y2 e y3, el aumento de este coeficiente tiende a ser constante, es decir, que la variación de este parámetro para valores elevado de masa este no se puede modificar para conseguir los valores de referencia. 51 4.2.5. Aplicación vehículo real. En este apartado se va a realizar el estudio del caso del vehículo a estudiar, para tomar valores de referencia. m2=60kg m2=100kg Las funciones Bode obtenidas presentan zonas donde la frecuencia de resonancia posee valores máximos. En las gráficas anteriores se produce un aumento en la frecuencia de resonancia del desplazamiento vertical de la rueda, es decir, se despega del perfil de carretera en un valor más elevado que el valor de referencia. Para solventar esta variación producida por el aumento de masa no suspendida se procede al estudio de la influencia de la variación de diferentes parámetros del sistema de amortiguación de un vehículo. Figura 26: Funciones Bode para 60 y 100Kg 52 1º Aumentar coeficiente de amortiguamiento: Los valores de C2 son los siguientes: o C2=2500 Ns/m (m=60 Kg) o C2=2500 Ns/m (m=100 Kg) o C2=2700 Ns/m o C2=2900 Ns/m o C2=3100 Ns/m o C2=3300 Ns/m o C2=3500 Ns/m Figura 27: Funciones Bode para diferentes valores del amortiguamiento de la suspensión. 53 C2 = 2500 Ns/m ; m = 60 Kg C2 = 3150 Ns/m ; m = 100 Kg Con un valor de C2 igual a 3150 Ns/m se consigue una respuesta del movimiento vertical de la rueda con mayor masa no suspendida similar al valor de referencia. Figura 28: Función de Bode comparación de valores de amortiguamiento de la suspensión 54 2º Aumentar coeficiente de rigidez de la suspensión: Figura 29: Funciones Bode para diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Los valores de K2 son los siguientes: o K2=60000 N/m [m=60 Kg] o K2=60000 N/m [m=100 Kg] o K2=128000 N/m o K2=130000 N/m o K2=132000 N/m o K2=134000 N/m o K2=136000 N/m 55 Figura 30: Función de Bode comparación de valores del coeficiente de rigidez de la suspensión K2 = 60000 Ns/m ; m = 60 Kg K2 = 128000 Ns/m ; m = 100 Kg Con un valor de K2 igual a 128000 Ns/m se consigue una respuesta del movimiento vertical de la rueda con mayor masa no suspendida similar al valor de referencia. 56 3º Disminuir coeficiente de rigidez del neumático: Figura 31: Funciones Bode para diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático Los valores de K1 son los siguientes: o K1=200000 N/m [m=60 Kg] o K1=200000 N/m [m=100 Kg] o K1=150000 N/m o K1=148000 N/m o K1=146000 N/m o K1=144000 N/m o K1=142000 N/m 57 Figura 32: Función de Bode comparación de valores del coeficiente de rigidez del neumático K1 = 200000 Ns/m ; m = 60 Kg K1 = 148000 Ns/m ; m = 100 Kg Con un valor de K1 igual a 148000 Ns/m se consigue una respuesta del movimiento vertical de la rueda con mayor masa no suspendida similar al valor de referencia. 64 Como conclusión, los parámetros que definen la suspensión del vehículo se pueden caracterizar para conseguir las necesidades requeridas. Algunos de los parámetros estudiados posee mayor o menor influencia, pero todos permiten una configuración idónea. 5.2. Líneas futuras El principal objetivo a lograr para el futuro sería la implicación de grandes empresas del automóvil en el desarrollo de esta tecnología para la comercialización en masa de los vehículos equipados con motores rueda, demostrando en este proyecto que es viable la instalación este sistema con la previa configuración del sistema de suspensión del vehículo. Las posibles líneas a investigar en un futuro son: o Búsqueda de la relación entre los diferentes parámetros para conseguir una caracterización conjunta, permitiendo variar los factores conjuntamente en búsqueda del manejo y maniobrabilidad óptimo. o Nuevas inversiones y comercialización del sistema motor rueda para mejorar la tecnología actual. o Investigación y descubrimiento de materiales que permitan un mínimo aumento de la masa no suspendida. o Nuevos sistemas de suspensión de vehículos que aporten una simplificación de los parámetros que los caracterizan. 65 6. Referencias [1] “Ruedas con motores eléctricos integrados ¿Qué pueden aportar al vehículo eléctrico?”, David Clavero. 14 de Marzo de 2013. http://www.tecmovia.com/2013/03/14/ruedas-con-motores-electricos-integrados-que-puedenaportar-al-vehiculo-electrico/ [2] “La innovación en Michelin más allá de los neumáticos”, CESVIMAP. 2010. http://www.mapfre.com/wcesvimap/es/cinformativo/EneSec2010_0031.shtml [3] “Motores eléctricos en las ruedas”. Motorpasion futuro. 23 de abril de 2011. http://www.motorpasionfuturo.com/coches-electricos/motores-electricos-en-las-ruedas-2 [4] Protean Electric Company http://www.proteanelectric.com/en/ [5] Apuntes “Dinámica vertical – Suspensiones”, Criterio de Diseño de Vehículos. Centro Politécnico Superior, Ingeniería Industrial. Curso 2010‐2011 [6] “Sistema de Suspensión”. Principios de la suspensión. 2009 http://mecanicayautomocion.blogspot.com.es/2009/03/sistema-de-suspension.html [7] Iván Mula Vivero. “Estudio del comportamiento dinámico de un vehículo utilizando la herramienta Simmechanics de Matlab”, Ingeniería Técnica Industrial: Mecánica. Junio del 2009 [8] Modelos de suspensión mecánica. Aficionados a la mecánica. 2011 http://www.aficionadosalamecanica.net/suspension3.htm [9] Andrew Watts CTO, Dr Chris Hilton, Al Fraser, Martyn Anderson y Damian Harty. “Unsprung Mass “The Myths and Realities – Closing the Circle”, Protean Electric. Abril 2011 [10] Martyn Anderson y Damian Harty. “Unsprung Mass with In-Wheel Motors - Myths and Realities”, Protean Electric. 2013 [11] Enrique Yáñez Fraile. “Introducción de Elementos Estructurales para la Mejora de la Seguridad Pasiva en un Vehículo Comercial para el Transporte Urbano”. Abril de 2012 [12] Dunlop Inside Racing. Germa Ferrao. 2 de Diciembre de 2011. http://www.curvasenlazadas.com/591/masas-no-suspendidas [13] F. Aparicio, C. Vera y V. Díaz. “Teoría de los vehículos automóviles”, ETS Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid 1995. 66 [14] A. Navarro Arcas, E. Velasco Sánchez, S. Sánchez Mateo, M.M. Paricio Caño, M.Sanchez Lozano. “Metodología experimental para determinar el coeficiente de amortiguamiento del sistema de suspensión de un vehículo”. Dpto de Ingeniería Mecánica y Energía. Universidad Miguel Hernández. 2010 . [15] Michael W. Sayers y Steven M. Karamihas. “ The little book of profiling”, Basic information about Measuring and Interpreting Road Profiles. Septiembre 1998. 67 7. ANEXOS ANEXO I – Componentes de la suspensión de un vehículo 1.Principales componentes de la suspensión En el sistema de suspensión hay dos funciones principales a realizar: almacenar y absorber energía. Estas dos funciones las realizan normalmente dos componentes distintos: los elementos elásticos, comúnmente llamados resortes, y los elementos amortiguadores. [6] 1.1.Elementos elásticos de la suspensión Los elementos elásticos de la suspensión son los elementos destinados a almacenar la energía cinética que posee la masa no suspendida con respecto a la suspendida para devolverla más tarde. Idealmente, un elemento elástico debería devolver el cien por cien de esa energía que absorbe cuando la rueda se desplaza verticalmente para posteriormente devolverla a su posición original, pero en la realidad no es así. Esto marca principalmente las diferencias entre los distintos tipos de elementos elásticos que se utilizan en un sistema de suspensión . Este proyecto se centra en la suspensión de un vehículo convencional, siendo el muelle helicoidal el elemento elástico de la suspensión. Existen otros tipos de elementos elásticos como ballestas o barras de torsión. o Muelles helicoidales: Figura 41: Muelles helicoidales Los muelles helicoidales están construidos por una varilla de acero de diámetro comprendido, generalmente, entre 10 y 15 mm, enrollado en forma de hélice. Sus espiras extremas se hacen planas para obtener un buen asiento, tanto en la zona superior como en la inferior. 68 El área de la sección puede ser constante o decreciente a lo largo de su longitud. Se debe evitar el aplastamiento total del muelle en apoyos fuertes y con ello la pérdida de control del vehículo. Para que esto no se produzca, se procura que trabaje entre a mitad y los dos tercios de la carga de aplastamiento. La flexibilidad del muelle está en función del diámetro de la varilla utilizada, del número de espiras, del ángulo de inclinación de las mismas, del diámetro del muelle y de la calidad del acero empleado para su construcción. Variando sus características constructivas, se puede conseguir que la suspensión se comporte de diferentes maneras. Con la utilización de muelles helicoidales cónicos, en los que el diámetro de las espiras va disminuyendo progresivamente de un extremo a otro, se consigue flexibilidad progresiva, a medida que se comprime el muelle. También existen muelles progresivos en los que la distancia entre las espigas puede ser mayor en el centro que en los extremos del muelle para, de esta forma, aumentar la rigidez progresivamente al aumentar la compresión que soporta el muelle debida a la carga. La figura muestra un ejemplo de los tres tipos de muelles helicoidales. Figura 42: Tipos de muelles helicoidales Los parámetros que definen un muelle helicoidal son: o d (diámetro del hilo): espesor del hilo empleado por el fabricante o ØDe (diámetro exterior) o Ødi (diámetro interior) o p(paso): distancia media entre dos espiras o Lo (longitud libre) o Lc (longitud de compresión) o Sc (desplazamiento) Figura 43: Esquema definición parámetros muelles helicoidal 69 La principal ventaja del resorte helicoidal sobre la ballesta es la ausencia casi total de fricción interna, lo que permite confiar la absorción de energía al amortiguador, mucho más fácil de controlar. Los muelles helicoidales son mucho más eficientes en su función de almacenar energía, pero necesitan reaccionar verticalmente entre sus puntos de anclaje. Las suspensiones actuales son mayoritariamente a base de muelles helicoidales, sobre todo con amortiguadores telescópicos montados concéntricamente con ellos, lo que permite un importante ahorro de espacio. Esta estructura se denomina “Coil-over”, la siguiente imagen muestra este sistema. [7] También existen los sistemas, aunque están destinados a otro tipo de vehículo, también realizan la función de elementos elásticos de la suspensión: o Ballestas: Las ballestas están constituidas por un conjunto de hojas o láminas de acero especial para muelles, unidas mediante unas abrazaderas, que permiten el deslizamiento entre las hojas cuando éstas se deforman por el peso que soportan. Figura 44: Sistema de suspensión ballestas El número de hojas y su espesor está en función de la carga que han de soportar. La principal característica de las ballestas es su elevada rigidez, que depende del espesor y ancho de las hojas, así como del número de hojas utilizadas. La rigidez de las ballestas es lineal en relación al desplazamiento de la rueda, por lo que tienen una constante de rigidez, que se calcula de diferente modo según el tipo y configuración de la ballesta. La suspensión por ballestas suele emplearse en vehículos dotados de puentes delantero y trasero rígidos. 70 o Barras de torsión: Las barras de torsión son elementos de la suspensión realizados en acero reforzado que absorben la energía "retorciéndose", es decir, trabajando a torsión. La barra de torsión está sujeta al bastidor y se conecta indirectamente con la rueda. En algunos casos el extremo trasero de la barra esta fijo al chasis y el delantero al brazo de control de la suspensión, que actúa como palanca; al moverse verticalmente la rueda, la barra se tuerce. Las barras de torsión pueden estar montadas longitudinalmente o transversalmente y están hechas de una aleación tratada por calor para el acero, durante la fabricación son precisamente estiradas para darles una resistencia contra la fatiga. Figura 45: Sistema de suspensión barras de torsión En cuanto a su diseño en una suspensión, una barra de torsión necesita puntos de anclaje muy fuertes, cojinetes en los que rodar y, en la mayoría de los casos, un brazo de palanca para poder ejercer torsión sobre la barra. Apenas disipan energía por fricción, por lo que poseen una capacidad de absorción de energía mayor que las ballestas. [7] 71 1.2.Elementos de amortiguación de la suspensión Los elementos de amortiguación son los elementos encargados de devolver al resorte a su posición de equilibrio en el mínimo tiempo posible, absorbiendo la energía cinética transmitida a la masa suspendida y reduciendo el tiempo en el que varía la carga sobre los neumáticos limitando las oscilaciones que se producen en el movimiento de los elementos elásticos de la suspensión. Sin este amortiguamiento una vibración persistiría indefinidamente. El amortiguamiento de tipo viscoso es el más utilizado en automoción, concretamente el de los amortiguadores hidráulicos, ya que su comportamiento se aproxima bastante bien a un amortiguamiento proporcional a la velocidad entre las masas suspendidas y no suspendida, de proporcionalidad variable. El principio de funcionamiento del amortiguador es sencillo: un pistón unido a la carrocería a través de un vástago desliza en el interior de un cilindro unido a la rueda y lleno de un fluido (aceite o gas). Una serie de orificios en el pistón permiten el paso del fluido entre las dos cámaras en que queda dividido el cilindro, frenando así la oscilación de la carrocería. La siguiente figura muestra un amortiguador hidráulico. Figura 46: Sistema de amortiguamiento Los dos tipos de amortiguadores hidráulicos más utilizados en automoción son los de doble tubo o bitubo y los de un solo tubo o monotubo. [7] 72 o Bitubo Los amortiguadores bitubo constan de dos cámaras una interior y otra de reserva. Hay válvulas en el pistón y en la base del amortiguador, llamada válvula de pie. Pueden ser presurizados (de aceite y gas) o no presurizados (aceite). [7] Figura 47: Amortiguador estructura Bitubo o Monotubo Los amortiguadores monotubo constan de dos cámaras principales. Una contiene aceite y la otra gas a presión y están separadas por un pistón flotante que no posee válvulas, al contrario que el pistón principal. [7] Figura 48: Amortiguador estructura Monotubo 73 2.Tipos de suspensiones Una clasificación general de los tipos de suspensiones puede realizarse atendiendo a diferentes criterios, pero dado que en la práctica se encuentran un número indefinido de tipos casi similar al número de vehículos en el mercado. Una clasificación general se puede dividir en dos grandes grupos: suspensiones de eje rígido o dependiente y suspensiones independientes. La diferencia conceptual principal entre ellos es que, en los primeros, el movimiento de una rueda afecta al de la otra, por estar ambas conectadas entre sí rígidamente, cosa que no sucede en los sistemas independientes, por lo que el movimiento de una rueda no depende del de la otra. [8] Figura 49: Suspensión rígida vs Suspensión independiente 2.1.Sistemas de suspensión de eje rígido Esta suspensión tiene unidas las ruedas mediante un eje rígido formando un conjunto. En este tipo de suspensiones la parte no suspendida tiene un peso importante y, por tanto, el comportamiento del vehículo será peor. La principal ventaja de las suspensiones por eje rígido es que la caída de las ruedas no se ve afectada por el balanceo del coche, por lo que se obtiene un contacto más uniforme entre la rueda y la carretera y, con ello, una mejor adherencia, minimizándose así el desgaste de los neumáticos. Por contrapartida es muy susceptible de sufrir vibraciones en la dirección. Figura 50: Sistema de suspensión de eje rígido El principal uso de esta disposición de suspensión se realiza sobre todo en vehículos industriales, autobuses, camiones y vehículos todo terreno. Las suspensiones de eje rígido han dejado paso a las del tipo independiente en la actualidad. [8] 80 Aumento del 20% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=2700Ns/m. Figura 59: Función Bode para el aumento del 20% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 81 Aumento del 30% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=2800 Ns/m. Figura 60: Función Bode para el aumento del 30% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 82 Aumento del 40% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=2900Ns/m. Figura 61: Función Bode para el aumento del 40% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 83 Aumento del 50% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=3000 Ns/m. Figura 62: Función Bode para el aumento del 50% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 84 Aumento del 60% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=3100Ns/m. Figura 63: Función Bode para el aumento del 60% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 85 Aumento del 70% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=3200Ns/m. Figura 64: Función Bode para el aumento del 70% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 86 Aumento del 80% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=3300Ns/m. Figura 65: Función Bode para el aumento del 80% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 87 Aumento del 90% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=3400Ns/m. Figura 66: Función Bode para el aumento del 90% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 88 Aumento del 100% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=3500 Ns/m. Figura 67: Función Bode para el aumento del 10 0% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 89 Aumento del 110% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=3600 Ns/m. Figura 68: Función Bode para el aumento del 110% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 96 Aumento del 180% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=4100 Ns/m. Figura 75: Función Bode para el aumento del 180% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 97 Aumento del 190% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2 = 4200 Ns/m. Figura 76: Función Bode para el aumento del 190% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. 98 Aumento del 200% de la masa no suspendida Figura 77: Función Bode para el aumento del 200% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=4300 Ns/m. 99 Aumento del 300% de la masa no suspendida Figura 78: Función Bode para el aumento del 300% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de amortiguamiento, C2=5100 Ns/m. 101 II-2. Influencia del coeficiente de rigidez de la amortiguación. Aumento de un 10% de la masa no suspendida Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=72000 N/m. Aumento de un 20% de la masa no suspendida Figura 80: Función Bode para el aumento del 20% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2 = 84500 N/m. Figura 79: Función Bode para el aumento del 10% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. 102 Aumento de un 30% de la masa no suspendida Figura 81: Función Bode para el aumento del 30% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=93000 N/m. Aumento de un 40% de la masa no suspendida Figura 82: Función Bode para el aumento del 40% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=105000 N/m. 103 Aumento de un 50% de la masa no suspendida Figura 83: Función Bode para el aumento del 50% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=114000 N/m. Aumento de un 60% de la masa no suspendida Figura 84: Función Bode para el aumento del 60% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=122000 N/m. 104 Aumento de un 70% de la masa no suspendida Figura 85: Función Bode para el aumento del 70% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=130000 N/m. Aumento de un 80% de la masa no suspendida Figura 86: Función Bode para el aumento del 80% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=138000 N/m. 105 Aumento de un 90% de la masa no suspendida Figura 87: Función Bode para el aumento del 90% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=145000 N/m. Aumento de un 100% de la masa no suspendida Figura 88: Función Bode para el aumento del 100% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez de la suspensión. Valor del nuevo coeficiente de rigidez de la suspensión, K2=152000 N/m. 112 Aumento de un 70% de la masa no suspendida Figura 99: Función Bode para el aumento del 70% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático. Valor del nuevo coeficiente de rigidez del neumático, K1=148000 N/m. Aumento de un 80% de la masa no suspendida Figura 100: Función Bode para el aumento del 80% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático. Valor del nuevo coeficiente de rigidez del neumático, K1=142000 N/m. 113 Aumento de un 90% de la masa no suspendida Figura 101: Función Bode para el aumento del 90% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático. Valor del nuevo coeficiente de rigidez del neumático, K1=140000 N/m. Aumento de un 100% de la masa no suspendida Figura 102: Función Bode para el aumento del 100% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático. Valor del nuevo coeficiente de rigidez del neumático, K1=136000 N/m . 114 Aumento de un 125% de la masa no suspendida Figura 103: Función Bode para el aumento del 125% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático. Valor del nuevo coeficiente de rigidez del neumático, K1=130000 N/m. Aumento de un 150% de la masa no suspendida Figura 104: Función Bode para el aumento del 150% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático Valor del nuevo coeficiente de rigidez del neumático, K1=124000 N/m. 115 Aumento de un 175% de la masa no suspendida Figura 105: Función Bode para el aumento del 175% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático. Valor del nuevo coeficiente de rigidez del neumático, K1=120000 N/m. Aumento de un 200% de la masa no suspendida Figura 106: Función Bode para el aumento del 200% de masa suspendida en comparación con diferentes valores del coeficiente de rigidez del neumático. Valor del nuevo coeficiente de rigidez del neumático, K1=116000 N/m.