Ruedas dinamométricas de bajo coste: programación y electrónica

Hernández Fraile, Álvaro (2016). Ruedas dinamométricas de bajo coste: programación y electrónica. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Ruedas dinamométricas de bajo coste: programación y electrónica
Autor/es:
  • Hernández Fraile, Álvaro
Director/es:
  • García de Jalón de la Fuente, Francisco Javier
  • Bueno López, José Luis
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: 2016
Materias:
Palabras Clave Informales: Rueda dinamométrica, estimación de esfuerzos en el contacto neumático-calzada, instrumentación de ruedas, llanta, estimación del ángulo girado por la rueda, filtro de Kalman, calibración, proyecto de investigación, deformaciones.
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Matemáticas del Área Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Estas ruedas dinamométricas se caracterizan porque se obtienen a partir de ruedas convencionales, instrumentándolas adecuadamente. La ventaja de este tipo de ruedas dinamométricas frente a otras comerciales es que no se modifica la dinámica del vehículo ensayado. Además, los costes de fabricación se reducen notablemente con respecto a los modelos actuales comerciales. La función de cualquier rueda dinamométrica es medir las fuerzas que se producen en el contacto de dicha rueda con la calzada o superficie de rodadura. Esto permite ensayar vehículos y caracterizar con mayor precisión su comportamiento dinámico. Este Trabajo Fin de Grado se centra en ruedas dinamométricas para automóviles, aunque todo lo expuesto es trasladable a otros tipos de vehículos. Las ruedas dinamométricas desarrolladas en este proyecto de investigación realizan la estimación de los esfuerzos a partir de las deformaciones sufridas en distintos puntos de la llanta, que se combinan linealmente para obtener otras señales en las que se ha eliminado la dependencia del ángulo girado por la rueda. El procedimiento de instrumentación que se debe llevar a cabo para convertir una rueda convencional en dinamométrica consiste en la instalación de galgas extensométricas para medir las deformaciones en la llanta y de la electrónica necesaria para adquirir las señales de las galgas, realizar la conversión a esfuerzos aplicados y transmitir los resultados mediante algún sistema de telemetría. Además, se requiere una metodología que permita conocer en todo momento el ángulo girado por la rueda. El sistema electrónico empleado para adquirir y procesar la información de las galgas consta de una etapa de amplificación y de un microcontrolador. La etapa de amplificación “lee” la deformación del punto de medida al que esté asociada (en forma de variación de resistencia de la galga o galgas de dicho punto de medida), la mide mediante un puente de Wheatstone y la amplifica utilizando un amplificador operacional para disminuir los efectos del ruido electromagnético sobre los cables que llevan las señales al microcontrolador. El microcontrolador tiene la función de recibir las señales de deformación de todas las etapas de amplificación y a partir de ellas, aplicando las combinaciones lineales que procedan, obtener los esfuerzos aplicados en el contacto entre el neumático de la rueda y la calzada. Para esto, el microcontrolador ejecuta un software desarrollado para implementar el método de transformación de deformaciones a esfuerzos. Por último, un módulo WiFi envía los datos que se consideren de interés (en principio solo los esfuerzos y el ángulo) de manera que se puedan recibir en un ordenador para su visualización y almacenamiento con el sistema de adquisición de datos que corresponda. Un aspecto importante en cuanto a la instrumentación de ruedas se refiere, es el diseño de un sistema mecánico que fije la electrónica a la llanta. Como es lógico, todos los componentes que no deban estar colocados en los radios han de situarse en el centro de la llanta para así reducir las fuerzas centrífugas a las que estarán sometidos cuando la rueda gire a velocidades elevadas. Para tal fin se fabrica una caja en la que alojar estos componentes y un sistema de anclaje que fije dicha caja al eje de la llanta. La primera versión del sistema mecánico descrito se realizó en aluminio, pero la segunda ya se está fabricando con una impresora. Esto permite aligerar peso, conseguir una rueda mejor equilibrada y tener una mayor libertad para crear un diseño que se adapte a las necesidades de la rueda dinamométrica. La fijación de los componentes electrónicos que deben situarse en los radios de la llanta se realiza utilizando adhesivos, por la sencillez del pegado y el bajo peso de la unión, entre otras razones. En el presente Trabajo Fin de Grado se han abordado con responsabilidad directa los siguientes aspectos del desarrollo de la rueda dinamométrica descrito: 1) Programación general del microcontrolador, con especial atención al cálculo de esfuerzos a partir de las señales de las galgas y de la transmisión de los resultados, y 2) Estimación precisa del ángulo girado por la rueda. Este segundo aspecto presenta más dificultades de lo que cabría suponer. Para estimar la posición angular de la rueda en cada instante se utilizan las señales de un sensor de velocidad angular (integrado en una IMU) y de sensores inductivos colocados en la parte interior de los radios de la rueda, que detectan el paso por un imán situado en la pinza de freno. Esta información se procesa utilizando un algoritmo de estimación del ángulo basado en el filtro de Kalman y que distingue entre velocidades bajas, medias y altas. El diseño de este algoritmo constituye uno de los principales objetivos del presente Trabajo Fin de Grado. El último paso en lo que respecta a la estimación del ángulo consistió en ver la influencia que el error en el ángulo tiene sobre la estimación de esfuerzos. Esto permitió confirmar que la precisión teórica (obtenida previamente mediante simulación) proporcionada por el algoritmo de estimación de ángulo es suficiente para la precisión requerida en la estimación de los esfuerzos. Una vez que se ha instrumentado correctamente una rueda dinamométrica, es preciso llevar a cabo un procedimiento de calibración que permita obtener los coeficientes de las combinaciones lineales mediante las que se hallan esfuerzos a partir de las deformaciones medidas por las galgas. Estos coeficientes dependen de los puntos de medida en los que se hayan colocado las galgas extensométricas y de la llanta en concreto que se haya instrumentado. Además, son función del ángulo girado por la rueda, motivo por el cual es preciso conocer este dato en todo momento. El procedimiento de calibración consiste básicamente en aplicar esfuerzos de valor conocido (utilizando un banco de ensayos fabricado con este objetivo) y adquirir las deformaciones que se producen en la llanta como consecuencia de dichos esfuerzos. Más adelante se procesan conjuntamente los datos de todos los ensayos de calibración y se obtienen los coeficientes que se han comentado antes. Tras finalizar la calibración de una rueda, se debe comprobar que la estimación de ángulo y la estimación de esfuerzos funcionan correctamente antes de dar por finalizado el procedimiento de fabricación de la rueda dinamométrica. Estas comprobaciones de validación se realizan a partir de ensayos estáticos y dinámicos. El procedimiento completo que se debe seguir para obtener una rueda dinamométrica funcional a partir de una llanta convencional incluye la instrumentación, calibración y comprobaciones del funcionamiento. El desarrollo del presente Trabajo Fin de Grado ha permitido llegar hasta la realización de ensayos dinámicos de estimación de ángulo girado por la rueda. Los resultados obtenidos para la estimación de esfuerzos y de ángulo no han alcanzado por el momento la precisión deseada, pero son prometedores y muestran que los programas, algoritmos y métodos implementados funcionan correctamente. Por lo tanto, la continuación del proyecto en el futuro próximo consistirá principalmente en disminuir los errores de estimación.

Más información

ID de Registro: 42940
Identificador DC: http://oa.upm.es/42940/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:42940
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 22 Sep 2016 06:27
Ultima Modificación: 13 Oct 2016 15:04
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