Validación en condiciones reales: las galgas extensométricas garantizan el diseño seguro de componentes del coche de carreras de AMZ

El Academic Motorsports Club Zurich (AMZ) lleva muchos años participando en competiciones de Fórmula Student por todo el mundo. La Fórmula Student es un formato de competición integrado por coches fabricados por estudiantes. En la Fórmula Student es muy importante que la construcción de los vehículos sea inteligente e innovadora. Por supuesto, también se deben alcanzar grandes velocidades.

AMZ ocupa con frecuencia la pole position, sobre todo en tecnología. El equipo de Zurich obtuvo el "Best Engineering Award" en las cuatro carreras de Fórmula Student de 2013: todo un récord.

Estos resultados, que son fruto del esfuerzo de los estudiantes, se basan en una planificación y unos ensayos exhaustivos de unos vehículos que, por cierto, son de propulsión íntegramente eléctrica. Para ello, el equipo AMZ realiza ensayos exhaustivos con galgas extensométricas de HBM durante la elaboración de modelos y la validación de simulaciones MEF.

Objetivo: validación de modelos y simulaciones MEF

¿Por qué? Los resultados obtenidos de las simulaciones MEF de muchos componentes dependen directamente de la modelización. Dado que los modelos incorporan múltiples simplificaciones y supuestos, es posible que se acumulen errores. Estos errores se trasladan directamente a la simulación que, a su vez, influye directamente en el componente final. 

La simulación MEF también incluye numerosas incógnitas, dada la complejidad del comportamiento de las cargas dinámicas y las incertidumbres del material. Es fácil que un ingeniero sin experiencia saque conclusiones falsas de los análisis MEF y que termine por poner en circulación componentes insuficientemente dimensionados. En el caso de AMZ, si los componentes son demasiado pequeños no solo corre peligro el vehículo, sino también el conductor.

Hasta la fecha, el modelo utilizado por AMZ no había sido validado. Ese fue uno de los motivos del experimento. Otra de las razones fue la validación del coeficiente del empuje descendente aerodinámico. Los alerones del vehículo se prueban inicialmente durante la fase de desarrollo mediante una simulación CFD por ordenador. Esto plantea un problema: la totalidad del conjunto solo se puede validar una vez que se ha construido el coche de carreras.

Si se quiere mejorar la aerodinámica de futuras generaciones de vehículos es extremadamente importante verificar los cálculos, para determinar de manera fiable hasta qué punto es bueno el conjunto desarrollado. Por un lado, el conjunto se prueba en un túnel de viento; por otro, las pruebas con galgas extensométricas pueden demostrar las propiedades exactas del vehículo en la pista de carreras. El túnel de viento es útil para hacer comparaciones directas entre distintas configuraciones (debido a la uniformidad de las condiciones de la prueba), pero no es lo más adecuado para medir los valores de empuje descendente que se necesitan durante una carrera. Estos parámetros se pueden calcular directamente cuando se conocen las fuerzas del empujador que intervienen durante el funcionamiento.

Todas estas razones constituyeron un incentivo para llevar a cabo mediciones adecuadas con galgas extensométricas. Los errores del modelo y las fuerzas del empujador que se necesitan para determinar los valores de empuje descendente aerodinámicos se obtuvieron mediante galgas extensométricas y análisis experimental de tensiones.

Secuencia de medición

La totalidad del proceso de medición con galgas extensométricas era de vital importancia para el éxito del proyecto AMZ para Fórmula Student. Para garantizar que resultados plausibles, es imprescindible hacer, cuando menos, un trabajo mecánico minucioso. Sobre todo en lo que respecta a la aplicación de las galgas extensométricas. El día antes del ensayo también se llevó a cabo una calibración completa de las galgas extensométricas.

Procedimiento de prueba

Se llevaron a cabo cuatro pruebas en el circuito de Hockenheim, que abarcaban todas las fuerzas necesarias para la validación:

  • Conducción en curva
  • Frenado
  • Autocross
  • Conducción en línea recta

Para la prueba de conducción en curva se utilizaron curvas con tres radios de curvatura diferentes. Eso hizo posible medir diferentes aceleraciones transversales. Durante la prueba de drenado, el vehículo se aceleró hasta su velocidad máxima para después frenar a fondo. En la prueba de Autocross se circuló por una pista rápida de autocross. Esta pista incluía todos los elementos esenciales presentes en las carreras de Formula Student y que se requerían para el ensayo. En concreto un eslalon, una curva rápida en cuyo interior se debía frenar, un tramo recto donde el vehículo podía acelerar al máximo y otros elementos menores. La longitud de la pista era de 422 m. Por último, se llevaron a cabo varios ensayos en el tramo recto de la pista a velocidades constantes.

Para validar los casos de carga era necesario medir la curva de aceleración, como información adicional al gradiente de tensión. Este se midió directamente por medio de sensores G integrados en el vehículo. Como las lecturas de estos sensores se registraban en un ordenador de medición independientemente, fue preciso sincronizar la hora de los dos módulos. Para ello se ejerció presión sobre el vehículo cuatro veces al inicio de cada medición.

De este modo fue posible registrar la tensión en la galga extensométrica y un cambio en el potenciómetro del amortiguador. Con ello se sincronizaron las dos horas durante el análisis de los datos.

Diferencias significativas a partir de los valores de simulación

Módulos de adquisición de datos QuantumX: CX22-W y MX1615

 

Gracias a estas mediciones se pudieron validar los casos de carga en la suspensión y los coeficientes de empuje descendente.

En los casos de carga se midieron cargas un 15 % más altas que las calculadas. La razón de que fueran más elevadas se debía a los picos de tensión originados por las vibraciones del vehículo como consecuencia de las irregularidades de la carretera... algo que no se había tenido en cuenta en los modelos. Por lo tanto, se corrigieron los factores de seguridad de la suspensión en función de la validación del caso de carga, para tener en cuenta esos picos de tensión y mejorar la seguridad frente a los fallos.

Durante la medición del coeficiente de empuje descendente, los valores fueron un 10 % menores que los medidos en el túnel de viento. De nuevo, esta diferencia se debía a las vibraciones en los vehículos y a las irregularidades del firme, que no eran iguales a las condiciones de laboratorio del túnel de viento.

En conjunto, se puede afirmar que las mediciones con galgas extensométricas han mejorado el conocimiento del comportamiento del vehículo en la pista. Los datos obtenidos facilitarán el diseño de un nuevo coche para la próxima temporada de competición.

Durante sus investigaciones y ensayos, AMZ no solo recurrió a las galgas extensométricas de HBM: también utilizó el sistema de adquisición de datos de medición QuantumX MX1615 para las mediciones con galgas extensométricas, junto con el módulo registrador de datos CX22-W que se utiliza para el almacenamiento local de los datos medidos.

El amplificador de puente QuantumX MX1615 permite conectar hasta 16 galgas extensométricas por módulo. Gracias a su tecnología de frecuencia portadora, el módulo proporciona resultados de medición fiables, incluso en condiciones difíciles.

Acerca de AMZ

Los estudiantes de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich fundaron el Academic Motorsports Club Zurich (AMZ) en 2006. Se trata del único equipo de Suiza que participa en Fórmula Student y todos los años desarrolla un prototipo que acude a varias competiciones en Europa.

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