dinámica vehicular_dcm (1)

8/17/2019 Dinámica Vehicular_DCM (1)

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Centro de Investigación y Desarrollo en Ingeniería Automotriz

MAESTRÍA EN SISTEMAS VEHICULARES

Dinámica vehicular

Daniel Cordero Moreno


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Historia del vehículo

• 1769: Nicholas Joseph Cugnot (1725-1804/Francia)Triciclo a vapor

• 1784: James Watt (1736-1819/Escocia)Vehículopropulsado a vapor

• 1802: Richard Trevithick (1771-1883/Inglaterra)vehículo a vapor que viajó de Cornwall a Londres(335km)

• 1865: Terminan los vehículos a vapor debido a lostrenes y límites de velocidad

• 1886: Karl Benz (1844-1929/Alemania)/GottliebDaimler (1834-1900/Alemania)Primer vehículo agasolina

• 1890-1900: Varios fabricantes como: Rene Panhard,Emile Lavessor, Armand Peugeot, Frank and CharlesDuryea, Henry Ford, Ramson Olds, Opel, Lois Renault,

Gottlieb Daimler, Karl Benz, General Motors

• 1908: La industria automotriz se afianza con el modeloT de Henry Ford (EEUU)


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Dinámica de vehículos

• Frederick William Lanchester (1868-1946) escribió uno de los primeros artículossobre un vehículo que hablaba sobre el sobre-viraje en un vehículo con timón.

• 1931: Se construyó el primer dinamómetro para medir las propiedades de losneumáticos. Con el cual varios ingenieros, entre ellos Lanchester, obtuvieron lasexplicaciones mecánicas para entender el comportamiento del vehículo y sentar lasbases de lo que se conoce hoy en día.

• “Para entender la dinámica de vehículos es esencial poseer un conocimiento de lasfuerzas y los momentos generados por los neumáticos (caucho) y el camino”


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Sistema de coordenadas del vehículo

SAE J670

ISO 70000


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Ejes coordenados en la dinámica devehículos

• Sistema de in erc ia {C0; x0,y0,z0}punto

en la tierra. Sistema de referencia global

• Sistema fi jo en el cuerpo {C; x,y,z}

Sistema de referencia local. Fijo en el CG

o cualquier otro punto en la carrocería

(ejm. Centro del eje delantero)

• Sistemas fi jos {CB; xB,yB,zB} describe el

movimiento de cualquier componente del

vehículo Bk(ejm. Motor)


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Principales movimientos en el vehículo

Movimientos Dirección Criterios

Longitudinal dirección x Conducción, frenada, capacidad de ascensoLateral dirección y, guiñada ψ Manteniendo una ruta, volcamientos, estabilidad

Vertical dirección z, balanceo φ, cabeceo θ Confort en la conducción, seguridad

x dirección x drive-manejo

y dirección y slide-deslizamiento

z dirección z lift-levantamiento

ψ (psi) alrededor de z yaw-guiñadaθ (theta) alrededor de y pitch-cabeceo

φ (phi) alrededor de x roll-balanceo

3 traslaciones

3 rotaciones


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Centro de gravedad

El c en tro d e grav edad de un cuerpo es el punto respecto al cual lasfuerzas que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos materiales que

constituyen el cuerpo producen un momento resultante nulo.

El centro de gravedad es el punto en el que se podría representar toda la

masa de un vehículo sin que cambiara su comportamiento.

El centro de gravedad de un vehículo es utilizado por los diseñadores

automotrices para distribuir las cargas dentro del auto y así garantizar la

estabilidad del mismo.


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Cómo se obtiene el centro de gravedad?

• Analíticamente

• Software

• Experimentalmente – Peso

– Suspensión


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Ejercicios

• M=890 [kg]

• l= 2350 [mm]

• M1= 595 [kg]• Mi= 495 [kg]

• Cx=?

• Cy=?


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Características del neumático

Punto de contacto con el piso.

Punto de transmisión del torque del motor al piso

Coeficiente de fricción estático μs ~0.7

Coeficiente de fricción dinámico μk~0.5


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Neumáticos: Generalidades

Los fuerzas de control críticas quedeterminan como un vehículo gira,

frena y acelera, se producen en

cuatro áreas de apoyo del tamaño

aproximado de una mano cada una.

El neumático tiene esencialmente 3

funciones:

• Soportan la carga axial,

absorbiendo las irregularidades de

la ruta.

• Produce fuerzas longitudinales

para acelerar y frenar

• Produce fuerzas laterales en las

curvas


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BANDA DERODAMIENTO

CARCASA TALON

FLANCO

CINTURAS

ZONA DE

HOMBRO

Neumáticos: Generalidades-Partesprincipales


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ESTRUCTURAS

Compuesta de múltiples lonastextiles embebidas en goma,forman la lona carcasa.

CONVENCIONAL RADIAL

Estructura flexible, formada por cables de acero, éstos cables,embebidos en goma, forman lalona carcasa.


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De talón a talón encontramos LONAS TEXTILESLos flancos y la

BDR sonsolidarios y

Tienen la misma

estructura.

ESTRUCTURA DIAGONALó CONVENCIONAL

La superposición delonas forman una

gruesa capa


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La carcasa está formadapor varias lonas de hilotextil, superpuestas ycruzadas en sentidodiagonal respecto alcentro de la llanta.

Flancos solidarios a

la banda derodamiento.

Una construcción«MONOBLOCK»



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Al rodar, todas las flexiones de losflancos son transmitidas a la banda derodamiento, provocando:

Una deformación importante de lasuperficie (elípse) de contacto con elsuelo.

Fricción transversal con el suelo.

CONSECUENCIAS


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CONSECUENCIAS DESGASTE RAPIDO. - Menor kilometraje

CONSUMO DE COMBUSTIBLE. - máselevado, por mayor resistencia al rodaje.

CALENTAMIENTO. - Fricción con elsuelo. Fricción entre lonas. Bajaconducción del calor del material textil

CORTES Y PINCHAZOS. - Mayor

posibilidad de tenerlos por la rigidez de lacarcasa y su material textil..


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La carcasa está compuesta por una omás lonas de cables de acero o

material textil dispuestosradialmente en relación al centro de

la llanta.

Además la BDR estáestabilizada por

«cinturónes» de 2 ó 3 lonas

de cables de acero.

ESTRUCTURA RADIAL


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ESTRUCTURA RADIAL

Los flancosestánformados por

una o máslonas decables en

sentido radial,fabricados conmaterial textil o

acero.

La estructura es indeformable ya la vez muy flexible

Los flancos y

la BDR, tienendiferente

estructura ytrabajan de

manera

independiente.


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ESTRUCTURA RADIAL

VENTAJAS Y BENEFICIOS

DESGASTE MÁS LENTO. - Aumento delrendimiento kilométrico

DISMINUCIÓN DEL CONSUMO DE

COMBUSTIBLE.

REDUCCIÓN DEL CALENTAMIENTO. - Nohay fricción entre lonas, disminución del roce

con el suelo y el acero es excelente conductor

del calor.

REDUCCIÓN DE CORTES Y PINCHAZOS.- Carcasa muy flexible y estructura de acero.


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Compuesta de múltiples lonastextiles embebidas en goma,forman la lona carcasa.

CONVENCIONAL RADIALEstructura flexible, formada porcables de acero, éstos cables,embebidos en goma, forman lalona carcasa.

Neumáticos: Generalidades-Estructura


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PRINCIPALES VENTAJAS DE LASRADIALES v/s CONVENCIONALES

• MAYOR DURABILIDAD/ KILOMETRAJE

• MEJOR COMPORTAMIENTO/ ESTABILIDAD

• ACELERADAS Y FRENADAS MAS EFICIENTES

• MEJOR ADHERENCIA

• MENOR RESISTENCIA AL RODADO

• ECONOMIA DE COMBUSTIBLE


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PRINCIPALES VENTAJASDE LAS LLANTAS TL

• MAYOR ESTABILIDAD DEL VEHÍCULO

• DESGASTE UNIFORME DE BANDA DE RODAMIENTO

• MAYOR RENDIMIENTO KM

• MEJOR VENTILACIÓN

• MAYOR FACILIDAD DE MONTAJE / DESMONTAJE

• PERDIDA DE PRESION LENTA CUANDO ES PERFORADO

• CÓDIGO DE VELOCIDAD MAYOR


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VENTAJAS DEL RADIAL

- MENOR CALENTAMIENTO- ECONOMIA DE COMBUSTIBLE- MEJOR ADHERENCIA

- MEJOR ESTABILIDAD- MAYOR KILOMETRAJE-MAYOR RESISTENCIA A PERFORACIONES-(EN LA BANDA DE RODADO)

NEUMATICO

CON CARGA

...... DIAGONAL

___ RADIAL

AREA DE CONTACTO EN CURVAS

DIAGONAL

RADIAL


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DIMENSIONES BASICAS

ANCHO DE SECCION

ANCHO DE LLANTA

RADIO BAJOCARGA ESTATICO

ALTURA DE SECCION

H = RELACION DE ASPECTOC

C

H

D DIAMETRO DE LLANTA

L

MARCACIONES


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M + S

13

Treadwear

Traction

Temperature

11 Max load Max Press

10

Capas:

Sidewall = F lanco Tread = Banda de Rodado

8

País de fabr icación

9

2 Fábrica

3 Medida

4 Nomenclatura interna

5 Semana/Año de fabricación

6

T.W.I .

Tread Wear I ndicator 5

Tubeless Tube Type

4

I ndice de carga Código de velocidad

3 Dimensiones y construcción

2

Modelo del Neumático

1

Nombre del Fabr icante 1ALogotipo deFábr ica

MARCACIONES


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INDICADORES DE DESGASTE

ALTURA DE LOS

INDICADORES =1,6 mmTWI = TREAD WEAR INDICATOR

PROFUNDIDAD

NORMAL


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INDICE DE CARGA

70 335 90 600 110 1060 130 1900 150 335071 345 91 615 111 1090 131 1950 151 345072 355 92 630 112 1120 132 2000 152 355073 365 93 650 113 1150 133 2060 153 365074 375 94 670 114 1180 134 2120 154 3750

75 387 95 690 115 1215 135 2180 155 387576 400 96 710 116 1250 136 2240 156 400077 412 97 730 117 1285 137 2300 157 412578 425 98 750 118 1320 138 2360 158 425079 437 99 775 119 1360 139 2430 159 437580 450 100 800 120 1400 140 2500 160 450081 462 101 825 121 1450 141 2575 161 462582 475 102 850 122 1500 142 2650 162 475083 487 103 875 123 1550 143 2725 163 4875

84 500 104 900 124 1600 144 2800 164 500085 515 105 925 125 1650 145 2900 165 515086 530 106 950 126 1700 146 3000 166 530087 545 107 975 127 1750 147 3075 167 545088 560 108 1000 128 1800 148 3150 168 560089 580 109 1030 129 1850 149 3250 169 5800

INDICECARGA(KG)

INDICE INDICE INDICE INDICECARGA(KG)

CARGA(KG)

CARGA(KG)

CARGA(KG)


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“CODIGO DE VELOCIDAD”(SPEED SYMBOL)

El “simbolo de

velocidad”

indica lavelocidad

maxima a queel neumáticopuede sersometido

S.V. km/hr S.V. km/hr

A1 5 G 90

A2 10 J 100

A3 15 K 110

A4 20 L 120

A5 25 M 130

A6 30 N 140

A7 35 P 150

A8 40 Q 160

B 50 R 170

C 60 S 180

D 65 T 190

E 70 U 200

F 80 H 210

V 240

W 270

Y 300

ZR >240

SIMBOLOS DE VELOCIDAD SIMBOLOS DE VELOCIDAD


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Neumáticos: Presión de inflado

Sobre inf lado: Aumentarigidez del neumático,

mayores vibraciones, pérdida

de confort.

Sub inf lado : Aumenta

resistencia a la rodadura.

Neumático con excesiva

carga, aumento de

combustible y pérdida de

maniobrabilidad


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10 LB/PUL² MENOS EN LA PRESION RECOMENDADAAUMENTAN LA TEMPERATURA INTERNA DE 5º A 10ºC

NEUMATICO 175/70R13 P400CIRCUNF. ROTACION = 1,809 mt552 FLEXIONES/ Km EN CADA PUNTO (HISTERISIS)

Aumento de la flexión y temperatura


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APROX. UN 35% DE LAS LLANTAS RUEDAN CONPRESIONES MENORES A LAS RECOMENDADAS

REVISAR PRESIONES UNA VEZ POR SEMANA

REVISAR LAS TAPAS DE VALVULAS

Presión


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APROX. UN 30% DE LOS VEHICULOS PRESENTANALINEACION FUERA DE LAS ESPECIFICACIONES

Desgaste irregular


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CONTROL EFICIENTE = KILOMETRAJE MAYOR EN UN 10%

MEDIR LAS PRESIONES

PROCEDIMIENTOS• NEUMATICOS FRIOS

• CALIBRADORES EXACTOS

• AL MENOS UNA VEZ POR SEMANA

• TAPITA EN LAS VALVULAS

Recomendaciones

N áti G lid d G ió


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Neumáticos: Generalidades-Generaciónde fuerzas

Debido al comportamiento visco-elástico, lapresión se mueve hacia adelante. La fuerzaproducida por este aumento de presión noestá alineado con el eje de giro, por lo quese genera una resistencia a rodar(resistencia a la rodadura)

Las fuerzas en un neumático son la resultante de los esfuerzos normales ycortantes distribuidos en la huella de contacto.

La distribución de presiones no es uniforme..


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Neumáticos: Generalidades-Agarre

El mecanismo físico de agarre de la goma con el suelo es una mezcla de rozamiento mecánico ( un"enganche" nivel milimétrico similar al de un engranaje ) con una adhesión en las que influye lacomposición del neumático (se ve afectada con el piso mojado).

El giro de la rueda va haciendo avanzar el punto

del neumático por la huella. A medida que avanza,va soportando menos carga, volviendo a

expandirse hacia el radio inicial de la rueda y la

huella se va estrechando ligeramente hasta que

por fin se separa del suelo.

Esta expansión no es instantánea sino que tarda

un cierto tiempo ( piense en una goma espuma

"perezosa" que se expande lentamente trasaplastarla ). Además, no devuelve toda la energía

que recibió al comprimirse, sino que una parte se

pierde en forma de calor y sonido, esto es lo que

se conoce como histéresis.


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Neumáticos: Propiedades de tracción

Para acelerar o frenar un vehículo, se deben producir fuerzaslongitudinales en el neumático. Cuando se acelera o frena, se observa undeslizamiento en los elemento del caucho de las ruedas, mientras éstos sedeforman para producir y mantener la fuerza de fricción.

Deslizamiento (%)= 1 − *100r= radio dinámico

ω= Velocidad angular de la rueda

V= velocidad del vehículo


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Neumáticos: Propiedades de tracción


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Neumáticos: Propiedades de giro

Una de las funciones principales del neumático es producir fuerzas

laterales, necesarias para el control de la dirección de un vehículo.

Estas fuerzas se producen por el ángulo de deriva y/o por el ángulo de

caída del neumático


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Cuando tomamos una curva, le pedimos a nuestro neumático que genere una fuerzalateral hacia el interior de la misma que evite que salgamos hacia el exterior.

La parte delantera ( que es "aplastada" contra el suelo por el giro de la rueda ) resisteel efecto de la curva y mantiene prácticamente la dirección de giro. Sin embargo laparte trasera, que soporta menos presión, cede ante la fuerza lateral y se "retuerce"un cierto ángulo deslizando ligeramente sobre el asfalto.

Este ángulo es el ÁNGULO DE DERIVA.


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Neumáticos: Frenado y giros combinado

Las fuerzas producidas en un neumático cuando trabaja en condiciones dedeslizamiento lateral y longitudinal simultáneo son diferentes a un análisisindependiente de éstas.


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Neumáticos: rotación


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Tren motriz de un vehículo

L on gi t u d i n al

T

r an s v er s al

= ∗ ∗ = ∗ = ∗ η


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Dinamómetro de chasis

Mide la potencia de salida de un vehículoTipos

Fricción seca Fricción hidráulica

Corrientes de Eddy

• MIS (Mechanical Inertia Simulation)

• EIS (Electrical Inertia Simulation)


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Variables mecánicas

• Mide: – Velocidad del eje [rad/s]

– Fuerza [N]

Calcula:

Torque [Nm]

Power [kW]

Variables de estado de la energía en tres dominios

Dominio Mecánica Eléctrica Química

Variable de esfuerzo Fuerza o torque Voltaje LHV

Variable de flujoVelocidad o

velocidad angularCorriente Flujo másico


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Dinámica del vehículo (consumo energético)

= + + +

= ∗

= 12 = = =

E= ∗ ∆

Ciclos de Conducción

Diagrama velocidad contra tiempo

No incluyen altitud


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Ciclo de conducción

• Diagrama velocidad vs tiempo que representa el comportamiento típicode manejo de una ciudad o región.

• Diseño de un vehículo. ¿qué quiero que haga el coche?

• El ciclo de conducción describe lo que hace o quiero que haga el vehículo

• En función del ciclo obtengo potencia necesaria, Velocidad y aceleración


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Importancia de los ciclos de conducción


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Tipos de ciclos

• Secuencia develocidadconstante del motor

y modos de carga.

• Estado estacionario: • Transitorios:

• Velocidad del vehículoy carga del motorcambiancontinuamente.

• Derivado demediciones reales.

Ciclo: ECE 154

Ciclo: FTP 754


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Debilidades y necesidades

• ¿Cómo selecciono el ciclo? Diseño o evaluación

– Ciclos de conducción estándar. Diseño de vehículos multipropósito. Comparativo

• Son representativos del uso real del vehículo?

• No incluyen altitud

• ¿Cómo mejorar la representatividad del ciclo? Diseño o evaluación

– Diseño de un vehículo, dimensionamiento de componentes

• Incluir Capacidad de aceleración y velocidad máxima

• Pendiente máxima a superar

• Peso máximo – Obtención de un ciclo típico de conducción que incluya altitud (región especificada)

– Obtención de ciclo típico de conducción para rutas fijas que incluya altitud


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Fuerza de arrastre (Drag force)

• Drag Force

Fuerza de arrastre

• Es la fuerza que ejerce el aire sobre elvehículo en la dirección opuesta almovimiento

• Where:

– Cd= Drag CoefficientCoeficientede arrastre [-]

– ρa = Air density Densidad delaire [kg/m³]

– A= Frontal area Area fontal [m²]

– V= speedVelocidad [m/s]

= 12


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Downforce/Lift –Drag

F1 DRS (Drag Reduction System)


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Obtención del Cd

CFD (Computational Fluid Dynamics)

Túnel de viento

Pruebas en pista


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Area frontal

A: Area Frontal Fotografía, Software CAD, obtención del área

Características del vehículo


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Resistencia a la rodadura

• Rolling resistance Resistencia ala rodadura

• Es la resistencia que tiene elneumático a rodar, producida porla deformación del mismo

• Where: – fr= Rolling resistance

coefficientCoeficiente deresistencia a la rodadura [-]

– M = MassMasa [kg]

– g = Gravity gravedad [m/s²] – θ = road angleInclinación

del camino [°]

=

Coeficiente de resistencia a la rodadura


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Coeficiente de resistencia a la rodadura(fr-Crr)

b ió d l f


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Obtención del fr

Pruebas en laboratorio

Equipo laboratorio

Pruebas en pista

R di di á i d l á i


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Radio dinámico del neumático

Donde,

rc: Radio estático bajo carga

rd: Radio dinámico de la

rueda

rd= 97-98 % del rnDonde,

rn= radio nominal

Peso de la unidad y selección de


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Peso de la unidad y selección deescenarios para el análisis

Obtención del Cd y fr mediante pruebas en


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y ppista

Determinar el coeficiente de arrastre-Cd y el coeficientede resistencia a la rodadura- fr de manera experimental mediante pruebas de Coast-down.

P b C t d C t b j


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Pruebas Coast down-Cuesta abajo

La prueba “Coast down” es un procedimiento que consiste enacelerar el vehículo hasta ~125 km/h, soltar el acelerador,desengranar la transmisión (neutro) y dejar que el vehículo sedetenga por la acción del viento () y la resistencia a la rodadura().

Se registra el valor de la velocidad y el tiempo

Variables para obtener demanda


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penergética

Fuerza de tracción en la rueda


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(Generada)

C id d d l ió


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Capacidad de aceleración

Límite de

adherencia

Motor

Tiempo que tarda un

vehículo en acelerar

de 0 a x velocidad

Modelo de capacidad de aceleración en


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pplano y pendiente

Ti d T i ió


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Tipos de Transmisión

Caracterización de vehículos


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Caracterización de vehículos


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FRENADO

Ecuaciones básicas

Energía y potencia de frenado

Frenos-ABS-ESP

Ejemplos-ejercicios

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Frenado: Generalidades


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Frenado: Generalidades

• La función del sistema de frenado consiste en ralentizar, detener einmovilizar el vehículo.

• El frenado debe efectuarse en las siguientes condiciones:

– Eficacia

– Estabilidad

– Progresividad

– Confort

• El frenado crea una fuerza que se opone al movimiento del vehículo.

• Tres factores influyen en el frenado (figura 2):

1. Un factor fisiológico

2. Un factor mecánico

3. Un factor físico

Frenado: Ecuaciones fundamentales


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• Segunda ley de Newton

F=Ma• Aceleración

M*g

DCL DMA



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80


• Frenada

80

M*g

DCL DMA



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• Desaceleración constante

• = = − • Dx=Desaceleración (-ax)

• Fb=Fuerza de frenado (Constante)

• M=Masa

− =

= −

=

2 =

2

− 2 =

t=

=

=

Frenado: Otras cargas


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Frenado: Otras cargas

• Incluir resistencia aerodinámica, resistencia a la rodadura ypendiente.

∗ D = + + +

=

+ + +

+ + + = 0

= 2 + + +

Si se dupl ica la velocidad, se

dupl ica el tiempo de frenada

y se cuadr ipl ica la distancia

de frenada

Frenado: Desaceleración reportada a la


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norma

• Norma mexicana NMX-D-5-1980• =

Frenado: Energía y potencia


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Energía cinética =

(−)Depende de la masa y la velocidad



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• La potencia absorbida varía con lavelocidad, siendo equivalente a lafuerza de frenado por la velocidaden un instante dado.

• La disipación de potencia es mayor

al inicio de la frenada cuando lavelocidad es la máxima.

• Durante la frenada el promedio dela absorción de energía será igual ala energía dividida entre el tiempode frenada.

= 2 ∗

Pb=Potencia de frenada

M=Masa

Vo=Velocidad inicial

t=tiempo de frenada

Frenado: Sistema de Frenos


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Frenado: Sistema de Frenos

Freno de disco

Freno de tambor

Frenado: Sistema de frenos


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Freno de tambor Freno de disco



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1. un pedal de freno,

2. un servofreno,

3. una bomba de frenos,

4. mordazas,

5. tambores.

Frenado: Circuitos hidráulicos


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Frenado: Circuitos hidráulicos

Frenado: Fuerza de frenado


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Frenado: Fuerza de frenado

Pa= Punto donde se aplica la fuerza

P= Pivotee= distancia perpendicular desde la acción

de la fuerza hasta el pivote

NA= Fuerza normal entre la zapata y el

tambor

n= distancia perpendicular entre la zapata y

el pivote

m= distancia perpendicular entre la fuerzanormal y el pivote

= ∗ + ∗ F = τb= Torque de Frenado

FbA= Fuerza en la zapata A

rt= Radio del tambor

FbB= Fuerza en la zapata B

Fb= Fuerza de frenado

rd= radio dinámico

Frenado:Técnicas de frenado


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Frenado:Técnicas de frenado

1. Umbral

2. ABS

3. Bloqueo4. Cadencia

Frenado: ABS


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Frenado: ABS

Frenado: Ejercicios


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Frenado: Ejercicios

• M=2000 kg• Fb= 9800 N

• Vo= 100 km/h

• Encontrar:

– Desaceleración de la norma

– Distancia de frenado

– Tiempo de frenado

– Energía disipada

– Potencia máxima de los frenos

– Potencia promedio de los frenos durante la frenada

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