Diseño y fabricación de una célula de carga para la suspensión de un vehículo tipo fórmula

Martínez Martín, Enrique (2016). Diseño y fabricación de una célula de carga para la suspensión de un vehículo tipo fórmula. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Diseño y fabricación de una célula de carga para la suspensión de un vehículo tipo fórmula
Autor/es:
  • Martínez Martín, Enrique
Director/es:
  • Paez Ayuso, Francisco Javier
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Septiembre 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

Texto completo

[img]
Vista Previa
PDF (Document Portable Format) - Se necesita un visor de ficheros PDF, como GSview, Xpdf o Adobe Acrobat Reader
Descargar (6MB) | Vista Previa

Resumen

Tras ingresar en el equipo UPM Racing, se dio la opción de desarrollar un proyecto basado en la realización de un sistema electromecánico basado en galgas extensiométricas, especialmente diseñado para la medición de esfuerzos estáticos y dinámicos en la barra actuadora de la suspensión del vehículo monoplaza que se va a presentar a las competiciones de Formula Student Germany y Formula Student Spain, el UPM 13C. Este sistema electromecánico consiste en un sensor de fuerza o célula de carga, diseñada y fabricada específicamente para ello. Este proyecto surge de la necesidad de cuantificar para cada instante de la carrera, las fuerzas que se transmiten entre el amortiguador y el neumático. Estos esfuerzos viajan entre estos dos elementos a través de una barra actuadora de la suspensión (barra Push-Rod). El planteamiento inicial se basa en insertar la célula de carga en dicha barra y cuantificar así los esfuerzos de tracción y compresión generados. Este proyecto consistirá en la investigación acerca de las clases de galgas extensiométricas y las células de carga que existen en el mercado, el diseño y análisis de diferentes elementos deformables que determinan la geometría de la célula de carga, la realización y fabricación del circuito electrónico integrado para el acondicionamiento de la señal y por último la calibración del sensor, obteniendo los errores y validando los cálculos realizados en la fase de diseño. En las primeras fases del proyecto, para entender el funcionamiento de las células de carga, se usaron diversos fundamentos teóricos: la teoría de galgas extensiométricas, el funcionamiento del puente de Wheatstone, el procedimiento de optimización de diseño de experimentos inventado por Taguchi, la curva de Wöhler para el diseño de elementos mecánicos resistentes a la fatiga y, por supuesto, los fundamentos de elasticidad y resistencia de materiales adquiridos a lo largo del grado. En la fase de investigación se indagó acerca de los tipos de galgas extensiométricas atendiendo a sus características constructivas, de las que destacan los materiales de las que están hechas, su longitud, su anchura, su patrón de rejilla, entre otras. Además se estudiaron sus características funcionales, que determinan su correcto funcionamiento en servicio, como pueden ser la no-linealidad y la histéresis. Todas estas características fueron tomadas en cuenta a la hora de seleccionar las galgas, las cuales fueron proporcionadas por la empresa patrocinadora del equipo, Omega Engineering. Posteriormente se realizó una búsqueda de las principales geometrías constructivas que componen las células de carga comerciales para así hallar inspiración a la hora de realizar los diseños propios. Además se investigó acerca de la instrumentación electrónica de sensores utilizada para analizar una determinada señal y cuantificar los diversos errores que se producen en la medición de la misma. Una vez finalizada la fase de investigación y fundamentos teóricos comenzó el diseño por ordenador de diferentes células de carga. Antes del diseño propiamente dicho hubo que establecer unas condiciones de diseño: la fuerza máxima que va a tener que soportar de acuerdo a los máximos valores de aceleración lateral y longitudinal en el vehículo, el material a utilizar, el peso máximo que puede alcanzar, entre otros. Una vez establecidas las premisas se eligió el programa para el diseño. El software elegido fue CATIA, ya que el equipo disponía de la licencia correspondiente y se tenían bastantes nociones de uso ya que había sido estudiada en la asignatura optativa de Aplicación del análisis por elementos finitos al diseño de máquinas con CATIA y NX. Se realizaron los diversos diseños en el módulo de Part Mechanical Design y fueron simulados por elementos finitos en el módulo de Structural Analysis. Antes de comenzar las simulaciones en CATIA se plantearon las ecuaciones de campo de tensiones y deformaciones para cada diseño con objeto de tener un orden de magnitud de los resultados y evitar así que el método de los elementos finitos posteriormente realizado suponga un error. Además, durante las simulaciones se trató de realizar un tamaño de malla fino con geometría tetraédrica para minimizar que los excesos de energía en las iteraciones de cálculo que realiza el programa, provoquen una concentración de tensiones mecánicas en puntos de la pieza donde no debe aparecer dicha concentración. En puntos de las piezas en las que se esperaba una alta concentración de tensiones se realizó un mallado local aún más fino. Las geometrías diseñadas y estudiadas fueron: modelo axil puro, modelo binocular, modelo tipo S, modelo tipo doble cruz y, finalmente, el modelo cruz. Por su robustez, su orden de magnitud de tensiones obtenidas y por otros motivos que se detallan en la memoria, se eligió el modelo cruz para ser optimizado mediante el método de Taguchi. Aplicando este procedimiento basado en arreglos ortogonales, simulando en CATIA y obteniendo resultados teóricos por medio de las ecuaciones de campo, se llegó a un diseño final mediante un proceso iterativo y se realizaron los planos. El modelo teórico de la geometría tipo cruz está basado en la obtención del campo de tensiones y deformaciones en vigas biempotradas a las que se le aplica un determinado desplazamiento vertical en uno de sus extremos, manteniendo nulos los giros en los empotramientos. Además, se diseñó un soporte que permitiera la unión roscada entre el sensor y la Push-Rod. Con lo que el sensor está compuesto de dos piezas unidas: el cuerpo del sensor, al que se pegarán las galgas y un soporte. Se barajaron diferentes tipos de acoplamientos para unir el cuerpo de la célula de carga con el soporte: soldadura TIG, pegado empleando adhesivos, unión atornillada, entre otros. Finalmente se decidió efectuar la unión mediante una unión por interferencia efectuando un ajuste a presión eje-agujero. Se calcularon las tolerancias de fabricación y se realizaron los plano, dando por terminado el diseño completo del sensor. Sin embargo, hubo uno de los contratiempos a los que todo ingeniero industrial especializado en mecánica seguramente se vaya a enfrentar: la pieza diseñada es demasiado cara. Este encarecimiento del precio no fue debido a la excesiva complejidad de fabricación, sino que fue fruto de que el tornero al que se le encargó la pieza dijo que los radios de acuerdo entre los cambios de sección eran demasiado pequeños, y ello supondría la rotura de la fresa destinada a realizarlos. Por ello, hubo que volver a rediseñar los cambios de sección para radios de acuerdo mayores. Debido al temor de que la pieza no llegase a tiempo a estar fabricada para ser calibrada antes de la fecha de entrega del proyecto, se tomó la decisión de realizar un prototipo mediante el uso de la técnica de impresión 3D empleando PLA (ácido poliláctico) como material. La idea consistió en realizar el ensayo de calibración y validación de resultados sobre la pieza en PLA, como si de acero se tratase, dado que a bajos rangos de carga este termoplástico ofrece una región elástica. Teniendo en cuenta los módulos de Young de ambos materiales, se obtuvo la fuerza máxima a ejercer sobre la célula con objeto de obtener unas deformaciones semejantes. Ésta resultó ser de unos 5 Kg. Se procedió al pegado de las galgas extensiométricas sobre la célula y se realizó el puente de Wheatstone utilizando un soldador de estaño y fundas termo retráctiles para proteger las uniones soldadas. Posteriormente se preparó el ensayo para ser realizado utilizando una prensa hidráulica, del taller mecánico del INSIA, que ejerciese peso sobre la célula de carga a calibrar, y otra célula de carga comercial como sensor patrón, con objeto de cuantificar con mayor precisión la fuerza. Se imprimió en PLA un acoplamiento especial para ambas células. Sin embargo, la prensa se averió, con lo que hubo que pensar un sistema alternativo para poder ejercer peso gradualmente. La idea final consistió en emplear pesas calibradas de precisión de 1 kilo, añadirlas una a una y registrar el voltaje a la salida del circuito empleando un multímetro digital. Para ello hubo que fabricar un soporte en acero para conseguir que el peso se aplicase de manera correcta sobre la célula. A este soporte se le soldó una tuerca para que fuera roscada en una zona determinada del sensor consiguiendo así un correcto acoplamiento. Una vez estaba clara la idea del ensayo, se pensó el circuito electrónico para amplificar la señal de salida del puente de Wheatstone y acondicionar la señal de entrada al mismo. El circuito constó de un convertidor DC/DC para estabilizar el voltaje de entrada al puente, otro convertidor para la estabilización del voltaje de entrada al amplificador, y un amplificador de instrumentación de ganancia regulable a la salida del puente de Wheatstone. Además se empleó una fuente de alimentación de corriente continua de 12 V y un multímetro para registrar el voltaje de salida. Para obtener una primera aproximación del ensayo y para observar cuál era la precisión en la medida, se montó el circuito en una placa de pruebas y se registró el voltaje a la salida del amplificador y a la salida del puente. Se observó una buena aproximación a una recta, con lo que se decidió integrar el circuito electrónico en una PCB (printed circuit board). El diseño del circuito se realizó en el software OrCad y se fabricó en una placa virgen a capas de fibra de vidrio y cobre mediante el método de foto-revelado con luz ultravioleta y empleando productos químicos para conseguir el atacado de la superficie. Posteriormente se soldaron con estaño los componentes electrónicos. Finalizada la preparación del ensayo, se procedió a su realización. Consistió en obtener las curvas de calibración del sensor para las dos posibles direcciones de fuerzas a las que podría estar sometido, a compresión o a tracción, y obtener la recta de calibración de cada una de ellas. Además se realizaron varios ciclos de cargar y descargar pesas, para así poder obtener de forma cuantitativa los errores típicos que vienen indicados en las hojas de especificaciones de los sensores de fuerza comerciales, estos son: la no-linealidad, la histéresis y la repetitividad. Además de su cuantificación, estos datos fueron de gran utilidad para identificar los rangos de carga en los que el sensor ofrecía una mayor o menor varianza respecto de la recta de regresión obtenida. Por un lado se determinaron que los errores de no-linealidad son bastante bajos, equiparables a los ofrecidos por los sensores comerciales. Por otro lado se registraron valores más elevados de histéresis y repetitividad desde 0 hasta 2 kilos y unos registros más bajos de los mismos entre 2 y 5 kilos. Una vez identificados los rangos de medición más precisos, se tomó uno de esos valores para realizar una comparación entre las deformaciones detectadas por las galgas en el modelo real, el modelo simulado por elementos finitos y el modelo teórico planteado. De esta forma se validó el modelo planteado en las 3 fases de desarrollo de un proyecto técnico: planteamiento del modelo teórico, simulación, fabricación, ensayo y validación.

Más información

ID de Registro: 43911
Identificador DC: http://oa.upm.es/43911/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43911
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 16 Nov 2016 06:44
Ultima Modificación: 16 Nov 2016 06:44
  • Open Access
  • Open Access
  • Sherpa-Romeo
    Compruebe si la revista anglosajona en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Dulcinea
    Compruebe si la revista española en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Recolecta
  • e-ciencia
  • Observatorio I+D+i UPM
  • OpenCourseWare UPM