Christian Miller

Formula SAE, Universidad de Florida
Introducción
Para mejorar el rendimiento de la aceleración y las estimaciones de vida de fatiga de los componentes del tren motriz y de la suspensión, es recomentable colectar los datos dinámicos de carga a través del tren de transmisión durante la aceleración inicial desde cero. Los datos de carga de un dinamómetro serían suficientes ya que no contienen datos de las cargas de impacto y las condiciones transitorias. Tales condiciones se ven a menudo durante una vuelta sobre la pista de pruebas, pero son más dramáticas al arrancar el vehículo a partir del reposo.

Para recolectar datos transitorios durante la conducción en la vía, se requieren alguna manera indirecta de medir el par en través de los componentes de la transmisión. Esto se logra a través de una galga extensométrica aplicada al eje de tracción para recoger datos de las deformaciones del eje. Una galga extensométrica es un conjunto de cuatro medidores de tensión conectados en un puente de Wheatstone, que se muestra en la Figura 1. Cuando este circuito se utiliza sobre el semi-eje, su salida corresponderá directamente al par que se aplica al semi-eje desde el motor y transmitida a través de la suspensión y el neumático.


Figura. 1. Puente de Wheatstone para torsión

Hay varias opciones para medir y registrar la salida del puente de torsión. Dado que el medio eje es un componente giratorio, el puente no se puede conectar directamente al registrador de datos del vehículo. Dos opciones son ejecutar el puente a través de un anillo deslizante al registrador de datos del vehículo, o utilizar un registrador de datos autónomo que se puede montar directamente en el semi-eje. El uso de un anillo deslizante para atar el puente en el registrador de datos del vehículo permite una sincronización de datos mucho más fácil para que los parámetros múltiples del vehículo puedan ser analizados juntos. Sin embargo, debido a la naturaleza de los anillos de deslizamiento, el ruido adicional estará presente en los datos. Dos tipos de anillos de deslizamiento que se pueden utilizar para esta aplicación son el agujero pasante y el extremo del eje. Los anillos deslizantes a través del orificio permiten que el eje giratorio pase a través del anillo deslizante, permitiendo la medición en el centro de un eje, pero es considerablemente más caro que los anillos deslizantes de extremo del eje, que como su nombre sugiere, se adhieren al final de Un eje Para esta aplicación en particular, el enrutamiento de alambre a un anillo deslizante de extremo de eje es difícil, ya que requiere el enrutamiento más allá de los cojinetes de medio eje, a través del centro del cubo y alrededor del exterior del neumático.
Una alternativa es utilizar un pequeño registrador de datos autónomo que se puede conectar directamente al eje. Los cables se dirigen directamente al registrador de datos, que está girando sobre el eje con el puente de torsión. Esto disminuye la complejidad de enrutamiento de cable y la cantidad de ruido presente en la señal. Es por estas razones que este método de registro de datos fue elegido. Se seleccionó un sistema DTS SLICE NANO debido a su tamaño extremadamente pequeño (1,0 pulgadas x 1,2 pulgadas) y masa (~ 45 gramos), y su gran índice de carga (500 G). Consulte [1] para obtener especificaciones adicionales. El sistema SLICE NANO se compone de varias rebanadas apilables, cada una con una función separada. Para estas pruebas, se utilizaron tres rebanadas: BASE, BRIDGE y END-OF-CHAIN. Esta serie de cortes permite el registro de datos, conexiones de puente de Wheatstone, recuperación de datos, activación de eventos y suministro de energía. La alimentación se suministra a través de tres baterías de 9V conectadas en paralelo, que también están conectadas al eje giratorio.

Preparación
El puente de torsión de Wheatstone instalado en el semi-eje se muestra en la Figura 2. Las figuras 3 y 4 muestran la configuración experimental utilizada en CAD y en el vehículo físico, respectivamente. El sistema SLICE NANO está alojado en una carcasa protectora para evitar daños debidos a los desechos de la pista, como se muestra en las Figuras 5 y 6.

Fig. 2. Puente de Wheatstone de la torsión instalado en halfshaft

Fig. 3. Configuración experimental en CAD

Fig. 4. Configuración Experimental en el Vehículo

Fig. 5. Montaje DTS NANO en CAD

Fig. 6. Ensamblaje DTS NANO

Calibración
La figura 7 muestra cómo se calibró el puente de torsión. Se sujetó un brazo al cubo y se suspendió un peso conocido a una distancia conocida de la línea central del cubo. A partir de esto, se calculó el par aplicado y se comparó con la salida de tensión del puente. Se determinó una gama de valores de par y se registraron sus salidas de tensión correspondientes, como se muestra en la Tabla 1. Para tener en cuenta la deflexión del ajuste de calibración debido al par aplicado, se determinó la deflexión angular del montaje y se usó como una corrección al cálculo del par aplicado, como se muestra en la Figura 8.

Fig 7. Calibración del puente de torsión

Fig 8. Deflexión Angular del Brazo de Calibración

TABLE I

TORSION BRIDGE CALIBRATION

Applied Torque (lb-ft) Bridge Output (mv)
-133.8 -8.132
-73.0 -3.733
-5.4 0.661
0.0 1.030
5.4 1.445
73.4 5.960
136.0 10.436
195.7 14.630

Los datos de la Tabla I se trazaron y se realizó un ajuste lineal para determinar la pendiente de calibración, como se muestra en la Figura 9. Se encontró que la pendiente de la curva era 0,0687 mV / lb-ft. Para determinar el coeficiente de calibración a utilizar, la pendiente de la curva debe dividirse por la tensión de excitación utilizada al tomar los datos de calibración. Se utilizó un voltaje de excitación de 5 voltios, por lo que el coeficiente de calibración es 0,01374 mV / V / lb-ft.

Fig 9. Datos de Calibración del Puente de Torsión

Resultados

Varios conjuntos de datos se tomaron con diferentes presiones de neumáticos, tasas de muelles y ajustes de amortiguadores, como se muestra en la Tabla II. La figura 10 muestra el par motor del eje medido durante una carrera de aceleración. Los datos mostrados en la Figura 10 son típicos para todos los conjuntos de datos, con pequeñas diferencias en la amplitud y frecuencia en las oscilaciones que están presentes desde cero a dos segundos. La Figura 11 muestra sólo la sección limitada de tracción de la carrera en la Figura 10, donde hay las diferencias más grandes entre las pistas. La Tabla III proporciona estadísticas sobre la sección limitada de tracción de cada conjunto.

TABLE II

VEHICLE SETTINGS

Set Tire Pressure (psi) Spring (lb/in) Damper Setting
1 12 350 Full Soft
2 8 350 Full Soft
3 6 350 Full Soft
4 6 350 Full Stiff
5 6 200 Full Stiff
6 6 200 Full Soft
7 6 550 Full Soft
8 6 550 Full Stiff

Fig 10. Torque durante la Corrida de Aceleración

Fig 11. Torque en el Eje Durante la Sección de Tracción Limitada

TABLE III

TRACTION LIMITED STATISTICS

Set Area Under the Curve (lb-ft-s) Standard Deviation

(lb-ft)

1 513.0 106.2
2 461.7 109.8
3 476.7 108.5
4 444.1 104.4
5 500.0 116.1
6 448.5 104.4
7 459.5 104.1
8 441.7 109.4

Discusión

El par medido a lo largo del tiempo durante una carrera de aceleración se muestra en la Figura 10, y es típico de los datos reunidos para todos los conjuntos de datos. Todas las carreras comienzan con un gran pico de par seguido por oscilaciones que están presentes durante aproximadamente dos segundos. Una carrera de aceleración puede dividirse en dos secciones, limitada a la tracción y limitada en potencia. En la sección limitada de tracción de la carrera, el esfuerzo de tracción producido por el motor supera el agarre disponible en los neumáticos traseros, lo que resulta en una gran cantidad de deslizamiento de la rueda. En la sección de potencia limitada, el agarre disponible en los neumáticos traseros supera el esfuerzo de tracción producido por el motor, lo que resulta en pequeñas cantidades de deslizamiento de la rueda. Se ha observado que las oscilaciones observadas en los dos primeros segundos de la figura 10 están presentes en la sección limitada de tracción de la carrera y desaparecen después de que se ha producido la transición a la sección de limitación de potencia de la carrera.

Hay una gran variación en la amplitud y frecuencia de la medición de par en el segmento de tracción limitada, después de lo cual la medición de par es bastante consistente (con la excepción de los puntos de cambio donde la medición del par de picos). El análisis se limitará a la sección de tracción limitada, ya que es donde los cambios entre los ajustes del vehículo muestran las mayores variaciones en la medición del par. Además, la variación en la ubicación de los puntos de cambio en esta sección de los datos dificultaría el análisis significativo.

Una medida de evaluar cuánto torque fue “puesto al suelo” es el área bajo el par de torsión / tiempo. La Tabla III muestra el área bajo cada curva de par tomada en un punto antes de que la carrera más corta terminara. Dado que cada una de las ejecuciones permaneció en la sección limitada de tracción de la carrera durante un período de tiempo diferente, se hizo una comparación mientras todas las pistas estaban todavía en la sección limitada de tracción. Esto se supone que es una comparación válida ya que la pendiente de los datos es estable cuando se realiza la comparación, por lo que el resultado no cambiaría aunque todas las ejecuciones duraran la misma cantidad de tiempo. La Tabla V ordena las ejecuciones con el conjunto con la mayor área bajo la curva primero y se establece con la menor área bajo la última curva.

A continuación se realizó una Transformada de Fourier Rápida (FFT) en los datos para comparar el contenido de frecuencia de cada ejecución. La Figura 12 muestra las gráficas FFT para los conjuntos 1-3 para comparar el efecto de la presión de los neumáticos. La Figura 13 muestra las gráficas FFT para los conjuntos 3 y 4 para comparar el efecto de los ajustes del amortiguador. La Figura 14 muestra las gráficas FFT para los conjuntos 3, 6 y 7 para comparar el efecto de las tasas de resorte con amortiguadores blandos completos. La Figura 15 muestra los gráficos FFT de los conjuntos 4, 5 y 8 para comparar el efecto de las tasas de muelle con los amortiguadores rígidos completos.

Fig 12. Conjuntos 1-3 FFT

Fig 13. Conjuntos 3 y 4 FFT

Fig 14. Conjuntos 3, 6 y 7 FFT

Fig 15. Conjuntos 4, 5 y 8 FFT

TABLE IV

RANKED DATA SETS

Set Tire Pressure (psi) Spring (lb/in) Damper Setting
1 12 350 Full Soft
5 6 200 Full Stiff
3 6 350 Full Soft
2 8 350 Full Soft
7 6 550 Full Soft
6 6 200 Full Soft
8 6 550 Full Stiff
4 6 350 Full Stiff

Las Figuras 12 – 15 indican que una componente de frecuencia grande para las oscilaciones de par es de 12 – 13 Hz. Se cree que este pico se debe al sistema neumático / muelle / amortiguador. Comparando las Figuras 14 y 15, se indica que cuando el ajuste del amortiguador se cambia de completamente blando a completamente rígido, aparece un pico adicional en el gráfico FFT a aproximadamente 5 Hz y el pico a 12 – 13 Hz ha disminuido ligeramente. Los datos clasificados en la Tabla IV muestran que, en general, los conjuntos en los que el amortiguador se ajustó a suavizado completo mejor que los conjuntos con el amortiguador ajustado a rigidez completa (con la excepción del conjunto 5). Una explicación posible de esto es que el neumático es capaz de amortiguar oscilaciones de par en frecuencias más altas mejor que en frecuencias más bajas. Cuanto menor sea la frecuencia del par de entrada, más largo será el neumático para reaccionar a la oscilación y hacer un cambio correspondiente en el par aplicado al suelo. Cuanto mayor sea la frecuencia del par de entrada, mejor será el neumático para compensar eficazmente la oscilación y proporcionar una entrega más constante del par al suelo. Parece que una mayor presión de los neumáticos puede resultar en más par de torsión al suelo, pero no hay suficientes datos para apoyar esto. Además, no parece haber correlación en la tasa de primavera y los resultados en la Tabla IV.

A las oscilaciones de par es de 12 – 13 Hz. Se cree que este pico se debe al sistema neumático / muelle / amortiguador. Comparando las Figuras 14 y 15, se indica que cuando el ajuste del amortiguador se cambia de completamente blando a completamente rígido, aparece un pico adicional en el gráfico FFT a aproximadamente 5 Hz y el pico a 12 – 13 Hz ha disminuido ligeramente. Los datos clasificados en la Tabla IV muestran que, en general, los conjuntos en los que el amortiguador se ajustó a suavizado completo mejor que los conjuntos con el amortiguador ajustado a rigidez completa (con la excepción del conjunto 5). Una explicación posible de esto es que el neumático es capaz de amortiguar oscilaciones de par en frecuencias más altas mejor que en frecuencias más bajas. Cuanto menor sea la frecuencia del par de entrada, más largo será el neumático para reaccionar a la oscilación y hacer un cambio correspondiente en el par aplicado al suelo. Cuanto mayor sea la frecuencia del par de entrada, mejor será el neumático para compensar eficazmente la oscilación y proporcionar una entrega más constante del par al suelo. Parece que una mayor presión de los neumáticos puede resultar en más par de torsión al suelo, pero no hay suficientes datos para apoyar esto. Además, no parece haber correlación en la tasa de primavera y los resultados en la Tabla IV.
Conclusión
Ahora que se ha obtenido la carga transitoria del tren de transmisión, se incorporará a las estimaciones de la vida de fatiga para mejorar el diseño de los componentes. Esto se hará a través de un programa de conteo de ciclo de flujo de lluvia para calcular las relaciones de tensión y el número de ciclos. Se encontró una correlación entre los ajustes del amortiguador y el rendimiento de la aceleración; Sin embargo, no es concluyente ya que los parámetros del vehículo tales como la temperatura del neumático no se mantuvieron completamente constantes entre cada carrera. Para comparar mejor los datos del puente de torsión y los parámetros del vehículo, como la aceleración longitudinal, las velocidades de las ruedas y la posición del amortiguador que se registran en la unidad de adquisición de datos del vehículo, estos ensayos deben repetirse con los datos del puente de torsión alimentados directamente al registrador de datos del vehículo mediante Un anillo deslizante. Esto permitirá que los datos de par se muestren lado a lado con todos los demás parámetros del vehículo. Adicionalmente, los tiempos de funcionamiento específicamente dentro de la sección limitada de tracción proporcionaría otro método para evaluar el efecto de cada ajuste del vehículo.

Agradecimientos
El autor quisiera agradecer a Huy Nguyen en Diversified Technical Systems, Inc. por organizar el patrocinio de la unidad SLICE NANO de préstamo que fue utilizada para la adquisición de datos durante estas pruebas.

Agradecimientos especiales a: Max Koessick, John Meek, Karl Scherer y Santiago Ruiz en Sikorsky Aircraft por la instalación de los puentes de torsión y asistencia técnica en la implementación, ejecución y análisis de estas pruebas.

Referencias

[1]

  1. T. Systems, “SLICE MICRO and SLICE NANO,” [Online]. Available: http://dtsweb.com/library/esensing/DTS_Datasheet-SLICE_NANO_MICRO_2016-03.pdf. [Accessed 1 2017].

Más información http://kimeca.com.mx/index.php/productos/dts/