Tecnología HBK para optimizar la horquilla de suspensión de un coche

La Fórmula Student es una competición internacional en la que equipos de estudiantes de facultades y escuelas universitarias y se enfrentan en varias disciplinas con vehículos que ellos mismos diseñan y construyen.

Uno de esos equipos es el "High Speed Karlsruhe", de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Karlsruhe, siempre en busca de nuevas ideas para conseguir la vuelta más rápida.

Desafío

El vehículo del equipo High Speed Karlsruhe debe rebajar su peso para reducir sus tiempos de vuelta al mínimo. Para ello, el equipo quiere reducir las masas no amortiguadas y, entre ellas, el peso de las horquillas de la suspensión.  

Solución

La idea era fabricar unas horquillas totalmente en plástico reforzado con fibra de carbono. Se llevaron a cabo simulaciones para analizar los efectos en la horquilla, que ahora deben validarse con ensayos físicos de tracción y compresión.  

Resultado

Se utilizaron galgas extensométricas HBK para determinar la correlación entre las fuerzas reales y los resultados de la simulación. Los resultados sirven de base para otros ensayos del vehículo y para el diseño de futuras horquillas.

La idea: una horquilla de suspensión de plástico reforzado con fibra de carbono

Para reducir el peso del vehículo, se propuso reducir las masas no amortiguadas situadas entre los neumáticos y los amortiguadores. Eso incluye, entre otras cosas, las horquillas que conectan las manguetas de dirección con el chasis.  Se fabricaron unas horquillas más ligeras, totalmente en plástico reforzado con fibra de carbono, que aportan varias ventajas:

  • Menor peso
  • Control a lo largo del proceso de producción interna
  • Mayor estabilidad

Para explotar al máximo estos beneficios, debía analizarse en detalle el comportamiento de las horquillas, para lo cual se llevaron a cabo simulaciones. Seguidamente, para verificar las simulaciones se llevaron a cabo ensayos con galgas extensométricas para determinar la correlación entre las fuerzas reales y los resultados de la simulación.

Preparación del ensayo: instalación sencilla de galgas extensométricas con el Kit de iniciación de HBK

Para realizar un ensayo de tracción en un banco de ensayos, lo primero fue preparar los brazos de la suspensión del vehículo. Para medir las fuerzas en juego de forma óptima, debían instalarse galgas extensométrica en la dirección de aplicación de la fuerza a lo largo de la horquilla. Se utilizó para ello el Kit de iniciación de HBK, que contiene todo el material necesario para la instalación.

El primer paso para instalar galgas extensométricas correctamente consiste en limpiar la superficie con un producto de limpieza químicamente puro (por ejemplo, RMS1, incluido en el kit de iniciación). El kit incluye también gasas de material no tejido, ideales para este paso de limpieza. A continuación, se debe desbastar la superficie dándole varias pasadas con papel de lija, después de lo cual se limpia de nuevo con producto RMS1.  La galga extensométrica se instala en la horquilla con la ayuda del adhesivo rápido Z70 y la lámina de fluoropolímero incluida.  

El Kit de iniciación es ideal para los primeros experimentos con galgas extensométricas. Incluye además un manual con información valiosa sobre las galgas extensométricas y los circuitos de medición. Como complemento extra, la página web de HBM ofrece vídeos tutoriales.

Configuración y ejecución de la medición

Los ensayos de tracción y compresión se llevan a cabo en los laboratorios de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Karlsruhe. En concreto, se hacen pruebas de la adhesión de las galgas extensométricas al tubo de plástico reforzado con fibra de carbono y se evalúan futuros ensayos con el vehículo en movimiento.  

Los brazos de la suspensión se sujetan en la máquina de ensayos. Para ello se utiliza un dispositivo especial que sujeta de forma óptima el brazo de la suspensión.  

La salida de tensión de los amplificadores analógicos HBK se mide con un multímetro y después se compara con los resultados de la máquina de ensayos de tracción.  

Como en cada medida solo se utiliza una de las barras, la segunda galga extensométrica se utiliza con fines de compensación térmica, con un circuito de cuarto de puente. Para ello, se introducen en el amplificador de medida los valores de las galgas extensométricas —que figuran en sus hojas de características— y se ajustan con un potenciómetro integrado.

Resultados de medida y su interpretación

El ensayo se llevó a cabo siguiendo un principio de linealización; se aplicaron distintas fuerzas con la máquina de ensayo y se obtuvieron los desplazamientos correspondientes. El objetivo era determinar si las galgas extensométricas registran una curva de fuerza proporcional a la aplicada por la máquina.

Se llevó a cabo un ensayo de tracción en el que se aplicó tensión entre el estado relajado y 20 kN, en incrementos de 5 kN. Se eligieron estos valores porque, en otros ensayos anteriores, los brazos de la suspensión se dañaban por encima de 25 kN.

Datos medidos en los ensayos de tracción

En el ensayo de compresión, se partió del estado de reposo y se aplicó fuerza de compresión hasta 7,5 kN en pasos de 2,5 kN. De nuevo, se observó una progresión relativamente lineal.

Medición de datos del ensayo de compresión

En un ensayo de tracción, se aplicó fuerza hasta destruir el montaje del brazo de la suspensión. Sin embargo, se puede observar claramente el comportamiento lineal de la curva de fuerza.

Datos medidos de la unidad de tracción durante un ensayo de rotura

 

En resumen, los resultados obtenidos en las pruebas proporcionan una base para abordar otros ensayos del vehículo y han aportado información útil para el diseño de nuevas horquillas.


Acerca de High Speed Karlsruhe

Desde hace 10 años, el proyecto "High Speed Karlsruhe" de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Karlsruhe compite en la Fórmula Student con desarrollos especiales.  

La Fórmula Student ofrece a los estudiantes de tecnología y economía la posibilidad de convertir sus conocimientos teóricos en experiencia práctica en condiciones reales. El desafío consiste en que cada equipo de estudiantes desarrolle, construya y produzca de forma independiente un coche de competición en un plazo un año.  En la actualidad, 44 estudiantes de distintas disciplinas, junto con ex alumnos de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Karlsruhe, colaboran en el desarrollo y la producción de vehículos.


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