Modelización y contraste teórico experimental de amortiguadores monotubo. Aplicación al Melmac Tenroj T600 TT

Juan Alberdi Urbieta

Estado: Finalizado

Introducción:

El propósito del proyecto es la creación de un modelo que simule el comportamiento dinámico de los amortiguadores del Car Cross Melmac disponible en el laboratorio.

Para realizarlo lo primero a realizar es medir los amortiguadores y caracterizarlos, así como ensayarlos en banco para obtener las curvas reales fuerza-velocidad y fuerza-desplazamiento necesarias para la posterior modelización de los mismos.

Una vez hecho esto se procede a la implementación del modelo en Simulink. Dicho modelo se valida con los ensayos en banco por un lado, y con los resultados de las pruebas dinámicas efectuadas obtenidos gracias a los sensores que el Melmac incorpora desarrollados en el propio Laboratorio de Automoción.

Este proyecto abre una vía en la que se explorará su utilidad como modelo para una suspensión de tipo semiactivo, con la que se busca mejorar el comportamiento del vehículo. Se está trabajando también en la adecuación del hardware necesario para dicha suspensión y posteriormente se abordará la estrategia de control.

Todo esto será posible gracias al prometedor acuerdo de colaboración que con el presente proyecto se inicia entre el Laboratorio de Automoción de Tecnun y la empresa AP Amortiguadores, que aporta ante todo medios (hardware), y su dilatada experiencia en el campo de las suspensiones.

Amortiguadores del Melmac:

El sistema de suspensión del Car Cross lleva amortiguadores hidráulicos telescópicos del tipo monotubo con gas a presión, y muelles helicoidales montados coaxialmente a los mismos. El fabricante que firma los amortiguadores es Ollé.

Éstos, van provistos de un dispositivo de regulación manual, que posibilita la elección de diferentes durezas de amortiguación mediante la variación del paso de aceite en su interior. La regulación es discreta y se dispone de una treintena de posiciones diferentes seleccionables por medio de una ruedecilla situada en el propio amortiguador. Según se avance en los “click” de la ruedecilla el amortiguador se vuelve más o menos rígido.

Asimismo, tienen mecanizada una rosca en su carcasa exterior, que hace de guía de una arandela que permite variar la precarga del muelle.

Los amortiguadores llevan incorporados sensores de desplazamiento tanto delante como detrás. Además, el Melmac equipa también sensores de fuerza en un lado, los cuales miden la fuerza ejercida por los conjuntos muelle-amortiguador. Gracias al sistema de adquisición de datos, es posible monitorizar y archivar los movimientos y fuerzas generados en la suspensión del monoplaza para su posterior análisis y estudio.

Modelización:

Los modelos realizados se basan en el artículo “A Non Linear Parametric Model of an Automotive Shock Absorber” de Koenraad Reybrouck.

El primer modelo

El primer modelo se creó implementando el modelo de Reybrouck en Simulink. Los parámetros que se pusieron fueron asimismo los que venían en el “paper” a modo de ejemplo, para ver que efectivamente el modelo estaba bien programado.

Las siguientes figuras muestran los resultados obtenidos con Simulink (izquierda) en comparación con los de Reybrouck (derecha):

El segundo modelo

Una vez que se tenía un modelo de amortiguador monotubo que funcionaba bien se trataba de adaptarlo para que simulase el comportamiento de los amortiguadores del Melmac. Esta tarea no iba a resultar sencilla, ya que para ello había que ajustar los parámetros y hacía falta alguna referencia en la que basarse. Es aquí donde entra en juego la colaboración con AP Amortiguadores en lo que a este proyecto respecta.

Tras realizar los pertinentes ensayos, se recibió de AP un amplio informe con los resultados. En él estaban las curvas fuerza-velocidad y fuerza-desplazamiento de los cuatro amortiguadores a diferentes velocidades y frecuencias, y en varias posiciones de la rosca de selección de leyes. También se incluían los ensayos de fricción y las curvas fuerza-velocidad filiformes.

De estos ensayos se extrajeron las conclusiones que a continuación se transcriben:

En base a estas conclusiones se decidió ajustar el modelo únicamente para el amortiguador delantero izquierdo (el que sustituyó al roto, es decir, el más nuevo) ya que era el único que quedaba en condiciones óptimas de funcionamiento.

Se decidió además modelizar dicho amortiguador en una posición concreta de dureza. Exactamente en la posición 10 (siendo la 1 la de mayor dureza), por ser una posición intermedia y porque además esta la que se utiliza habitualmente en el Melmac cuando se realizan los ensayos en pista.

En las siguientes figuras se exponen algunas curvas fuerza-velocidad y fuerza-desplazamiento simuladas comparadas con las reales. En rojo las obtenidas en los ensayos en banco (curvas reales), y en azul las proporcionadas por el simulador en las mismas condiciones de velocidad y frecuencia (recordemos que estamos hablando de la ley 10).

El modelo definitivo

El último paso consistía en modificar el programa para poder introducir en él como entrada la señal de desplazamiento del amortiguador obtenida por el sistema de adquisición de datos del Melmac en las pruebas que se hicieran en marcha. Obviamente esta señal no iba a ser sinusoidal como la hasta ahora utilizada, sino que se trataba de una señal totalmente aleatoria. Sin periodos ni ningún tipo de uniformidad.

De esta forma, además de estudiar el comportamiento de los amortiguadores en su medio, es decir, montados en el coche, se podría validar el modelo comparando la respuesta que éste daba con la proporcionada por los sensores de fuerza instalados en el vehículo.

Lo primero fue adaptar en el modelo de Simulink la entrada de señal para que esta pudiera hacerse cargando un fichero de datos (el que se obtenía del sensor de desplazamiento) en vez de un generador de señales sinusoidales. Esto llevó a caer en la cuenta de que haría falta filtrar dicha señal de desplazamiento, puesto que ésta era susceptible de tener ruido y posibles errores de medida. Además la velocidad se obtiene derivando la señal de desplazamiento, luego e aquí otra razón más para la implementación del filtro. El filtro debía ser digital y de tipo pasa-baja para filtrar las altas frecuencias. Se consideró suficiente un Butterworth de orden 2 y frecuencia de corte de 4 Hz.

Aún se hizo alguna modificación más al simulador. Recuérdese que los sensores miden la fuerza en el conjunto muelle-amortiguador, con lo cual había que introducir la influencia del muelle en el modelo de Simulink. Puesto que se conocía la constante K de los mismos ya que había sido medida en un proyecto anterior, no resultó una tarea complicada. Obviamente se tuvo que introducir un nuevo parámetro: la K del muelle.

Para comprobar el buen funcionamiento del modelo se organizó un ensayo en AP Amortiguadores. Se ensayó el coche completo en un banco hidráulico y se registró la señal de desplazamiento y fuerza con los propios sensores del Melmac. Los resultados fueron satisfactorios. En las figuras se puede comprobar que la correlación en el ensayo de excitación tipo escalón de 50 mm es buena. (Rojo=sensores, azul=Simulink)

Las labores inmediatas pendientes de realizar son cuantificar de algún modo el error que se comete e introducir una K variable del muelle en lugar de la constante utilizada.

Material público:

Memoria de proyecto (7.861 Kb, formato PDF)
Equipo de medidas realizadas en AP (81 Kb, imagen JPG)
Car Cross en la pista de pruebas (35 Kb, imagen JPG)
Car Cross en el banco de ensayos (73 Kb, imagen JPG)
Video de pruebas en circuito (4.854 Kb, video DivX)
Video de ensayo en banco (1.908 Kb, video DivX)