Tecnología HBK para optimizar el brazo transversal articulado de un coche

Numerosas universidades de todo el mundo participan en la competición de Formula Student. Una de ellas es el equipo FaSTDa, de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Darmstadt, en Alemania. La competición consiste en crear el mejor coche de carreras en términos de construcción, prestaciones y costes.

Los equipos compiten en varias categorías: vehículos con motor de combustión, de propulsión eléctrica y de conducción autónoma. ¿Qué ganan los estudiantes? Una experiencia práctica en el desarrollo, la producción y la financiación de vehículos que supera con mucho las posibilidades de sus programas de estudios.

Desafío

En el contexto de la competición de Fórmula Student, el equipo de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Darmstadt tenía que optimizar el peso de un brazo transversal articulado y su capacidad para soportar cargas.

Solución

Los estudiantes diseñaron una configuración de medida utilizando galgas extensométricas, un sistema de adquisición de datos y software de HBK, con el que determinaron las cargas normales que recibe el brazo transversal articulado y su capacidad máxima para soportar cargas de flexión, a partir de la geometría del chasis.

Resultado

Los resultados que obtuvo el equipo con la ayuda de la tecnología de alta precisión de HBK han servido de base para aligerar el diseño del brazo transversal.

Aplicación

Como parte de la competición, los estudiantes de Darmstadt debían optimizar el peso y la capacidad para soportar carga de un componente muy concreto del chasis: el brazo transversal articulado.

Cada uno de estos brazos articulados se conecta directamente al chasis y a una de las ruedas del vehículo; su misión consiste en alinear y estabilizar la rueda. Un brazo articulado completo consta de dos tirantes, una "A" con una rótula incorporada y dos botones esféricos que se fijan al chasis.

La primera tarea fue determinar la carga normal real que se aplica al brazo articulado, así como la capacidad máxima para soportar cargas de flexión, a partir de la geometría del chasis. Para ello, los estudiantes diseñaron una configuración de medida con galgas extensométricas, un sistema de adquisición de datos y software de visualización y análisis de datos, todo ello suministrado por HBK.

El sistema de medida, perfectamente adaptado a la aplicación, se instaló en el vehículo con el fin de recoger datos en distintas condiciones de funcionamiento, y evaluarlos. Las conclusiones debían servir al equipo como base para introducir cambios en el diseño del brazo transversal articulado.

Configuración de medida

Los tirantes se identificaron como el punto más débil, en donde podía medirse la deformación de manera más clara. Cualquier deformación como, por ejemplo, la flexión o compresión de un componente, provoca un cambio en la resistencia eléctrica de las galgas extensométricas, de manera proporcional a la carga aplicada.

En este escenario de ensayo, los estudiantes hicieron el siguiente montaje:

  • Dos galgas extensométricas en el brazo articulado, desplazadas 90° entre sí, para medir las cargas de tracción/compresión.
  • Otras dos galgas extensométricas en lados opuestos del brazo articulado para medir la deformación por flexión.

Se utilizaron galgas extensométricas estándar lineales y autocompensadas, con configuraciones de medio puente y en condiciones ambientales normales.

Las galgas extensométricas se cablearon y calibraron de acuerdo con las fuerzas normales previstas. Durante esta calibración, se estableció una correspondencia entre los valores de fuerza causantes de la deformación y las variaciones en la tensión.

 

 

 

Fig. 2: Galgas extensométricas lineales con circuitos de medio puente para medir deformaciones por tracción/compresión (derecha) y por flexión (izquierda)

El proceso de medición

Una vez que se volvieron a montar en el vehículo los brazos articulados instrumentados con las galgas extensométricas, el equipo procedió a realizar mediciones en condiciones lo más realistas posibles, con el objetivo de obtener resultados plausibles y transferibles. Los ciclos de medición se llevaron a cabo en condiciones ideales y con buenas condiciones meteorológicas en una pista de karts, con una superficie asfaltada y un trazado comparable al de un circuito de carreras.

El equipo definió tres situaciones de conducción diferenciadas con las que producir una deformación máxima en los tirantes:

  1. Dar varias vueltas a la pista
  2. Conducción "a tirones" acelerando y frenando al máximo
  3. Tomar curvas frenando

Para adquirir y analizar los datos de medida, el equipo de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Darmstadt utilizó distintos módulos del sistema de adquisición de datos QuantumX y el software de adquisición de datos catman, todo ello de HBK.

Los amplificadores de galgas extensométricas de la familia QuantumX son especialmente idóneos para adquirir datos de medida de galgas extensométricas con configuraciones de puente completo, medio puente y cuarto de puente. De hecho, son una opción ideal siempre que se miden fuerzas y deformaciones en situaciones en las que la temperatura ambiente tiene una influencia significativa. Cuando se combinan con un registrador de datos QuantumX y con el software catman preinstalado, se obtiene un sistema de adquisición de datos altamente preciso y fiable, apto para aplicaciones móviles. Además, todos los pasos del proceso resultan sencillos: desde la configuración y la visualización a la automatización y la evaluación, sin olvidar la gestión de datos y la elaboración de informes.

Conclusión

El análisis de las medidas de fuerzas de tracción/compresión y de flexión adquiridas durante la conducción del vehículo reveló valores plausibles; en otras palabras, se puede asumir que esas son efectivamente las fuerzas en juego. Igualmente, las medidas de deformación por flexión demostraron que el brazo transversal articulado solo recibe una carga de flexión mínima.

Estos resultados, obtenidos por la tecnología de medida de alta precisión de HBK, pueden ahora emplearse como base para aligerar el diseño del brazo transversal articulado.

Acerca de FaSTDa Racing

El equipo FaSTDa Racing fue fundado en 2007 por un pequeño grupo de estudiantes de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Darmstadt. Al empezar la temporada 2020, el equipo ya contaba con 50 miembros, procedentes de ramas técnicas y empresariales muy variadas. Las capacidades de los distintos miembros se complementan entre sí, para que el conjunto trabaje de forma armoniosa y eficiente. El objetivo es construir en equipo un coche de carreras de altas prestaciones en un plazo de 8 meses. Cada temporada, FaSTDa Racing se abre a nuevos miembros y participa en las competiciones internacionales de Formula Student.


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