Identificación experimental de la rueda.

Aug 27, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 16015 (2022) Citar este artículo

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Dado que la interacción de las ruedas con ciertos casos de terreno (asfalto, hormigón) se conoce y se describe bien en caso de movimiento directo y condiciones de curvas antideslizantes y resbaladizas, es necesario analizar el caso de los vehículos de ruedas con dirección deslizante. Se debe investigar el deslizamiento lateral para varios ángulos de ataque. La principal área de interés de investigación que se muestra en el proyecto es el cálculo de la demanda energética de los vehículos de ruedas con dirección deslizante en diversas condiciones del terreno. Ciertos casos de vehículos totalmente eléctricos con motores eléctricos individuales por rueda exigen una evaluación precisa de las fuerzas longitudinales y laterales para realizar el giro totalmente controlado. El soporte experimental diseñado y desarrollado por los autores permite probar la interacción entre la rueda y la superficie para diversas condiciones del terreno y diferentes direcciones de conducción. Se adquirieron datos de prueba para arena seca y húmeda y pavimento de granito. Las fuerzas de tracción y laterales se adquirieron y utilizaron para identificar los parámetros del modelo de interacción rueda-suelo para la rueda no propulsada. Los resultados en forma de series de tiempo que incluyen fuerzas longitudinales y laterales muestran la relación entre el ángulo de ataque, la carga y las condiciones de la superficie en términos de fenómeno de adherencia y deslizamiento que es esencial para los cálculos de dinámica de dirección deslizante. Los resultados de la medición se utilizan luego para el cálculo de los coeficientes de fuerzas longitudinales y laterales en función del ángulo de ataque y la carga vertical. Las pruebas se realizaron en un entorno natural, por lo que se ven afectadas por condiciones cambiantes. Se utilizan múltiples ejecuciones para la eliminación de esa influencia. Los experimentos descritos son parte del proyecto que incluye la generalización de los resultados utilizando el modelo FEM validado por prueba. El trabajo descrito no pretende desarrollar nuevos modelos de interacción suelo-neumático, se centra en el método de cálculo del esfuerzo de tracción numéricamente eficiente para diversas condiciones, incluido el modo pasivo: rueda sin propulsión.

Los vehículos todo terreno, especialmente las máquinas no tripuladas y autónomas, se optimizan para minimizar las dimensiones y el peso. Como consecuencia, se utilizan sistemas de dirección y transmisión menos complejos en el diseño de vehículos no tripulados pequeños, medianos y pesados. La solución más común son la suspensión elástica y la dirección deslizante mediante motores de tracción eléctricos o hidráulicos. En el caso de vehículos todoterreno con sistema de propulsión eléctrica, el parámetro vital es el volumen del depósito de energía. Para un sistema de propulsión eléctrica con alta capacidad de sobrecarga, es vital evaluar el par y la potencia continuos medios y también los parámetros de rendimiento máximo que permitirán ajustar correctamente la central eléctrica, el sistema de almacenamiento de energía y los motores de propulsión. El análisis adecuado del consumo de energía en varios terrenos y la definición exacta de la misión permitirán optimizar el sistema de baterías, lo que permitirá utilizar baterías de diseño modular configuradas de acuerdo con las demandas de la misión. Para evaluar la demanda de energía es esencial crear el método numérico universal y rápido para la predicción del uso de energía.

El trabajo descrito en este artículo es parte del proyecto enfocado en el desarrollo de una metodología universal para el diseño, optimización y análisis de sistemas de propulsión modernos para varios tipos de vehículos y condiciones del terreno. Dado que el comportamiento y el rendimiento del vehículo en carretera están bien descritos, existe una falta de conocimiento accesible sobre el rendimiento fuera de carretera de varios tipos de vehículos. Los métodos para evaluar el esfuerzo de tracción se basan en modelos teóricos complejos ya menudo inadecuados, por un lado, y en pruebas experimentales de cierto tipo de vehículos, por el otro. La metodología propuesta en este trabajo es una combinación de métodos experimentales, teóricos y numéricos que permitirán realizar un cálculo rápido del esfuerzo de tracción con una precisión aceptable. El aspecto más importante de la investigación fue la predicción de fuerzas laterales y longitudinales para ruedas sin propulsión. Como se observó en investigaciones anteriores realizadas para vehículos con orugas, existe la posibilidad de recuperar energía de la vía interna y, como se investigará en investigaciones posteriores, para vehículos con ruedas. El más sencillo y exigente en cuanto al par generado por los motores eléctricos será el de giro cero. En el caso de varios giros totalmente controlados, es vital investigar las fuerzas resistentes de la rueda sin propulsión para diferentes ángulos de ataque y calcular el posible nivel de recuperación de energía.

La dinámica de los vehículos de ruedas en condiciones de carretera ha sido ampliamente descrita y se proponen varios modelos para describir el comportamiento rueda-carretera. El fenómeno más importante es el mecanismo stick-slip que se consideró utilizando varios modelos de fricción1. Los modelos también se utilizan para evaluar la deformación de los neumáticos en varios casos: carga vertical en estado estable, fuerza longitudinal y lateral (transversal). Los métodos de modelado analítico y numérico en la mayoría de los casos ignoran la deformación de la rueda bajo la carga lateral a pesar de su contribución al aumento de la resistencia a la rodadura2. Se pueden utilizar modelos empíricos, métodos FEM y modelos de rueda de resorte-amortiguador para lograr resultados más precisos3. Como el enfoque más complejo, la interacción neumático-suelo se basó principalmente en pruebas experimentales de parámetros del suelo. La prueba de cono se utilizó para medir la resistencia al corte, la tensión y la extensión del suelo4,5. La tecnología de prueba en tierra fue introducida por primera vez por Bekker6. El método de Bekker se basó en dos pruebas: prueba de hundimiento de placa y prueba de corte. Se utilizaron placas con dimensiones normalizadas para medir el hundimiento y anillos de corte o placas para medir el corte. Como resultado, se calcula la relación entre la presión y la deformación del suelo como lo indica el hundimiento.

donde, \(\sigma\) es la presión normal, kc, kϕ, n son los parámetros de las propiedades del suelo, z es el hundimiento del suelo, B es el ancho del neumático, ϕ es el ángulo libre de resistencia al corte del suelo, τ es el esfuerzo cortante , kcohesion es la cohesión del suelo, j es el desplazamiento por cortante.

El modelo Bekker7 basado fue el primer método complejo de cálculo de tensión en el área de contacto del neumático con el suelo y debajo. La ecuación de Bekker permite calcular la presión normal en función del hundimiento (Ec. 1), la ecuación de Coulomb modificada (Ec. 2) se utiliza para calcular el esfuerzo cortante teniendo en cuenta parámetros como el desplazamiento cortante, la cohesión y la deformación cortante del suelo8.

El modelo de Bekker y otros enfoques tempranos ignoran la influencia de la deformación del neumático en la dinámica de la superficie de la rueda debido a la suposición de rigidez de la rueda. Los modelos desarrollados recientemente permiten tener en cuenta la deformación del neumático (Schmid9). La investigación moderna se centra en el análisis de elementos finitos.

Los sistemas de propulsión hidráulica y eléctrica permiten impulsar cada rueda individualmente, de modo que se disponga de una distribución precisa del par. Existen varios enfoques para las pruebas de rueda-suelo con el uso de un banco de pruebas de rueda10,11. Las investigaciones analizadas incluyen bancos de pruebas de ruedas propulsadas12 con control del ángulo de ataque en condiciones de laboratorio. También hay casos de ruedas bloqueadas y no propulsadas descritos y probados12,13. El objetivo de la investigación es encontrar el método más eficiente para la locomoción eléctrica todoterreno que pueda implementarse en la unidad de control del vehículo. Como fue descrito por Flippo y Miller14, existe la necesidad de realizar pruebas con soportes de una sola rueda, especialmente en el caso de la investigación descrita en este documento basada en una rueda de tamaño completo. La mejora de los métodos de cálculo de las cargas de resistencia es esencial para el diseño de UGV con el fin de optimizar los sistemas de control y la precisión teniendo en cuenta la minimización de las demandas de energía para propulsar los vehículos15.

El método, descrito en el documento, es parte del proyecto centrado en proporcionar un modelo preciso del esfuerzo de tracción para varias configuraciones de vehículos. Hay dos bases de datos que contienen las condiciones de la carretera y la configuración del vehículo. Las condiciones de la carretera incluyen el tipo de terreno, la trayectoria demandada, la velocidad y el rendimiento del vehículo. La configuración del vehículo incluye masa, mecanismo de dirección, número de ruedas y su diseño. Sobre la base de un análisis preliminar, se seleccionaría el modelo. Para casos simples de comportamiento en carretera, se seleccionará el modelo teórico. Para condiciones todoterreno, se aplicará un modelo basado en pruebas experimentales y análisis FEM. Para diversas condiciones y diferentes configuraciones de ruedas, se calcularán las fuerzas de tracción. Los datos del modelo se validan con los resultados de las pruebas de campo (Fig. 1).

Modelo de interacción de los neumáticos con el suelo.

Con base en la prueba de campo y los resultados del análisis numérico, se calculará la resistencia a la rodadura del vehículo y, especialmente para el momento de giro del vehículo con dirección deslizante. Dado que los autores se centran en el diseño simplificado de vehículos no tripulados, se tiene en cuenta la dirección deslizante. Eso permite aprovechar las capacidades del sistema de propulsión eléctrica: ruedas propulsadas individualmente, capacidad de giro cero, alta relación de sobrecarga.

Como representación de cada rueda durante las pruebas, se diseñó el soporte de laboratorio y se utilizó para la simulación de diferentes condiciones geométricas y de la carretera. El movimiento de la rueda se realizaba mediante un sistema de propulsión externo. En el caso de las pruebas presentadas, no había ningún motor eléctrico que impulsara la rueda. La construcción contiene dos elementos básicos: riel y marco. El riel es responsable de mantener la dirección adecuada de la motivación de las ruedas y el marco transfiere la carga de la rueda al suelo a través de transductores de fuerza. Los transductores están conectados a las varillas lo que permite aislar dos direcciones de medición de carga: longitudinal y lateral definidas en el sistema de coordinación del marco. Es posible girar la rueda en el eje vertical para conseguir diferentes direcciones de propulsión (Fig. 2).

Puesto de experimentación.

El soporte experimental permite lograr la configuración de varios parámetros de rendimiento de la rueda para condiciones de suelo diferentes y específicas. El ángulo de ataque (ángulo entre el plano de simetría vertical de la rueda y la dirección del movimiento) se puede cambiar de 0° a 90°. Otros parámetros que se pueden cambiar son: carga de la rueda, presión de los neumáticos. El soporte es una construcción móvil y se puede utilizar en el campo para medir las fuerzas en condiciones naturales. El diseño único del soporte permite medir la fuerza longitudinal y lateral en el sistema de coordenadas del carro en movimiento. Para la prueba se utilizó la rueda roscada todoterreno de tamaño 20 × 10,00–8″. En la Fig. 4 se muestra la geometría de las ruedas durante la maniobra de dirección deslizante y las fuerzas medidas.

Basándose en la medición directa, es posible calcular fuerzas relacionadas con la geometría de la rueda. Las fuerzas Flong y Flat son la proyección de la fuerza F resultante de Flong y Flat en el sistema de coordenadas de la rueda. Las fuerzas de la rueda Flong y la rueda plana se pueden derivar utilizando la transformada de Park, suponiendo que el eje x define las fuerzas laterales en el sistema de coordenadas unido al marco.

En relación con la Fig. 3, las fuerzas longitudinales y transversales totales relacionadas con los ejes geométricos de la rueda se pueden expresar de la siguiente manera:

Modelo geométrico de la rueda, vista superior. x–y: los ejes de coordenadas se relacionan con la dirección del movimiento, xwheel–ywheel: los ejes de coordenadas se relacionan con la geometría de la rueda, Flong: la fuerza longitudinal medida se relaciona con la dirección del movimiento, Flat: la fuerza lateral se mide con respecto a la dirección del movimiento, F: la resultante fuerza relacionada con los ejes de coordenadas de la dirección del movimiento, rueda Flong: componente longitudinal de la fuerza relacionada con los ejes de las ruedas geométricas, rueda plana: componente lateral de la fuerza relacionada con los ejes de las ruedas geométricas, αw: ángulo de deslizamiento (entre la dirección del movimiento y el sistema de coordenadas de la rueda) dieciséis.

Para el caso que se muestra en la Fig. 4, para el sistema de coordenadas elegido, la fuerza de la rueda plana tiene un valor negativo. En el caso de un ángulo máximo de giro de la rueda, αw = 90°, el eje de la rueda x es paralelo al eje y y el eje de la rueda y será, en consecuencia, paralelo al eje x, por lo que:

Fuerzas longitudinales y laterales relacionadas con la geometría de la rueda para αw = 0° para superficie de granito.

La fuerza longitudinal resultante de la rueda Flong, es responsable de la generación del par de tracción. Se puede suponer que la rueda Flong es una fuerza de esfuerzo de tracción. Cada rueda genera la fuerza resistente causada por el deslizamiento causado por el momento de giro que permite realizar el giro en el caso de un vehículo con dirección deslizante.

Se realizaron pruebas para 4 ángulos de ataque αw = 0°, 30°, 60° y 90°. La presión en el neumático era de 0,15 MPa y la carga vertical de la rueda era de 80 kg. La rueda fue impulsada sobre la superficie de nieve y granito con una velocidad de 0.5 m/s. Los resultados para las condiciones de estado estacionario se muestran en los gráficos a continuación.

En los higos. 4 y 5 se muestran los casos menos exigentes. El ángulo de ataque es igual a 0, por lo que las fuerzas laterales deben alcanzar el mínimo. Se pudo observar variación de las fuerzas longitudinales provocadas por las imperfecciones de la superficie. Experimentos adicionales mostrados en las Figs. 6, 7, 8, 9 y 10 muestran el aumento de la fuerza lateral debido al aumento del ángulo de ataque. En el caso de 90° hay una mayor contribución de la fuerza longitudinal y la fuerza lateral es igual a 0. Las Figuras 8 y 10 muestran los datos brutos de los experimentos. Como se pudo observar, existen fenómenos periódicos de stick-slip que deben investigarse más a fondo.

Fuerzas longitudinales y laterales relacionadas con la geometría de la rueda para αw = 0°. En la forma de onda izquierda: nieve suelta; en la forma de onda derecha: nieve compactada.

Fuerzas longitudinales y laterales relacionadas con la geometría de la rueda αw = 30°. En la forma de onda superior izquierda: granito seco; en la forma de onda superior derecha: granito húmedo. En la forma de onda inferior izquierda: nieve suelta; en la forma de onda inferior derecha: nieve compactada.

Fuerzas longitudinales y laterales relacionadas con la geometría de la rueda para αw = 60°. En la forma de onda superior izquierda: granito seco; en la forma de onda superior derecha: granito húmedo. En la forma de onda inferior izquierda: nieve suelta; en la forma de onda inferior derecha: nieve compactada.

Fuerzas longitudinales y laterales relacionadas con la geometría de la rueda para αw = 60°. A la izquierda, datos brutos de forma de onda para granito seco; a la derecha, datos brutos de forma de onda para el granito húmedo.

Fuerzas longitudinales y laterales relacionadas con la geometría de la rueda para αw = 90°. En la forma de onda superior izquierda: granito seco; en la forma de onda superior derecha: granito húmedo. En la forma de onda inferior izquierda: nieve suelta; en la forma de onda inferior derecha: nieve compactada.

Fuerzas longitudinales y laterales relacionadas con la geometría de la rueda para αw = 90. A la izquierda, datos brutos de forma de onda para la nieve suelta; a la derecha datos brutos de forma de onda para nieve compactada.

El enfoque propuesto en trabajos anteriores y en este artículo conduce al modelo empírico de cálculo del esfuerzo de tracción para vehículos de dirección deslizante. El modelo permitirá calcular el momento de guiñada para vehículos de ruedas con dirección deslizante en varias superficies y en diversas condiciones del terreno. El primer paso fue el cálculo de las fuerzas de resistencia que permitirán calcular la fuerza de tracción de cada rueda.

Los parámetros de entrada para el modelo son16.

ángulo de deslizamiento,

Fuerza normal (carga vertical de la rueda),

presión de la rueda,

patrón de tierra.

Parámetros de salida del modelo.

Fuerza longitudinal: contribución a la resistencia a la tracción del vehículo,

Fuerza lateral: contribución a la resistencia a la tracción del vehículo,

Fuerza de rueda longitudinal: genera resistencia a la tracción para cada rueda,

Fuerza lateral de la rueda: genera un momento de flexión para la rueda y cargas para el sistema de suspensión.

El modelo se basa en patrones de carga derivados experimentalmente para las cargas que actúan sobre cada rueda del vehículo. Las Figuras 11, 12, 13 y 14 muestran los resultados de una prueba promediada en función del ángulo de deslizamiento para las condiciones de prueba realizadas.

Valores de esfuerzos longitudinales y laterales en función del ángulo de deslizamiento (ataque)—granito seco.

Valores de las fuerzas longitudinales y laterales calculadas en función del ángulo de deslizamiento (ataque)—granito húmedo.

Valores de fuerzas longitudinales y laterales en función del ángulo de deslizamiento (ataque)—nieve suelta.

Valores de las fuerzas longitudinales y laterales calculadas en función del ángulo de deslizamiento (ataque)—nieve compactada.

La resistencia a la tracción resultante podría derivarse como se muestra en la ecuación. (7)

donde, ft es el coeficiente de resistencia a la tracción, pt es el coeficiente de presión de los neumáticos, gm es la carga de la rueda.

Para generalizar los resultados, se introducen dos coeficientes: coeficiente de resistencia longitudinal y lateral (Ecs. 8, 9).

donde, G es el peso del vehículo (mg).

El método presentado en el artículo es parte del proyecto enfocado en el cálculo aproximado de las fuerzas de tracción para vehículos no tripulados en caso de modo de ruedas no propulsadas.

Las pruebas se realizaron en condiciones naturales y se vieron afectadas por la discontinuidad de la nieve, las imperfecciones geométricas del pavimento y las condiciones climáticas. Se recomienda que la prueba se realice de dos maneras separadas: en un entorno totalmente controlado de laboratorio y en el campo con el uso de un vehículo de 4 a 6 ruedas. El trabajo futuro se centrará en el diseño de instalaciones de laboratorio y vehículos de prueba.

El modelo FEM validado con los resultados del experimento se utilizará para generalizar el modelo. Los resultados presentados son una contribución al modelo general de interacción rueda-suelo desarrollado por los autores.

La metodología no pretende desarrollar nuevos modelos de interacción suelo-neumático, sino que se centra en el método de cálculo del esfuerzo de tracción numéricamente eficiente.

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Esta investigación fue financiada por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo. Proyecto número DOBR-BIO/083/13431/2013.

Departamento de Mecánica Aplicada, Universidad Tecnológica de Silesia, Facultad de Ingeniería Mecánica, Akademicka 2A, 44-100, Gliwice, Polonia

Tomasz Czapla

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Universidad Tecnológica de Silesia, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Akademicka 2A, 44-100, Gliwice, Polonia

Marcin Fice y Roman Niestrój

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TC diseñó el stand de laboratorio y formuló la metodología de prueba, RN fue responsable del software de recopilación de datos y la configuración del sistema, MF fue responsable de la recopilación de datos y la discusión de resultados. Los autores han leído y aprobado el manuscrito final. Las contribuciones de los autores son iguales.

Correspondencia es Tomasz Czapla.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Czapla, T., Fice, M. & Niestrój, R. Identificación experimental de los parámetros del modelo de superficie de rueda: diversas condiciones del terreno. Informe científico 12, 16015 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19829-7

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Recibido: 03 Diciembre 2021

Aceptado: 05 septiembre 2022

Publicado: 26 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19829-7

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