MONOGRÁFICO 2015/2016
INGENIERIA MECÁNICA Comportamiento dinámico, construcción y reglamentación de vehículos
REPORTAJES EXTRAÍDOS DE LA REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA UMHSAPIENS
MONOGRÁFICO INGENIERÍA MECÁNICA
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|| Mecánica Aplicada: Ingeniería y Mapas de Ruido || Frenada sobre Rodillos ITV
GRUPO DE MECÁNICA-APLICADA: Ingeniería acústica y de vehículos para mejorar los mapas de ruido
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os beneficios medioambientales que genera un vehículo eléctrico son conocidos en la sociedad. Además de reducir la contaminación, varios estudios avalan que este tipo de vehículos tienen una eficiencia energética que dobla a los de combustión interna. En cuestiones de contaminación acústica, un estudio llevado a cabo en la Universidad Miguel Hernandez (UMH) de Elche ha analizado los efectos sonoros que los vehículos eléctricos pueden generar sobre el ruido de tráfico rodado.
Velasco. Como cuenta Héctor Campello, para estudiar las ventajas que genera un vehículo eléctrico dentro de un cómputo urbano, primero era necesario insertar la variable matemática al modelo de simulación con el que se generan los mapas de ruido: “El primer paso fue averiguar cuánto ruido emite un vehículo eléctrico; después, se destriparon los modelos de predicción y se introdujo la variable nueva correspondiente al vehículo eléctrico. Con estos resultados pudimos medir cuánto afecta que haya un caudal de eléctricos en un núcleo urbano”.
El Grupo de Ingeniería Mecánica Aplicada, liderado por el profesor de la UMH Emilio Velasco, investiga alrededor de dos grandes Debido a silencio relativo de los motores eléctricos cuando líneas de trabajo: la ingeniería de vehículos —en la que se investi- son empleados en vehículos suponen una peligrosidad añadiga en torno a cuestiones relacionadas con neumáticos de vehícu- da al tráfico, puesto que tanto peatones como ciclistas están los— y la ingeniería acústica—en la que, además de otras cues- acostumbrados a agudizar el oído, junto a la vista, para advertiones, se elaboran mapas de ruido de las ciudades, que suponen tir la presencia de un vehículo cualquiera aproximándose a él. Varios grupos de investigación estudian este el documento legal con el que un ayuntamiento El equipo genera riesgo real a nivel mundial, con la intención de puede medir la cantidad de ruido existente en las mapas sonoros de crear sonidos “amigos” con el que aumentar calles de una ciudad y en el que se contemplan toentornos urbanos la percepción acústica del vehículo eléctrico. das las variables posibles como el tráfico, la époEstos sonidos provocarán un ruido no molesca del año, franja horaria, etc. —. La tesis doctoral del profesor de la UMH Héctor Campello aúna ambas líneas de to sobre el vehículo eléctrico para alertar a los peatones y ciinvestigación para desarrollar un proyecto que parte de la ventaja clistas, con el objetivo de dar seguridad a la circulación urbade la ausencia de ruido que ofrece un vehículo eléctrico y, a par- na”, expresa Velasco. Esta variable también fue contemplada tir de ahí, incorpora ese beneficio a los modelos de predicción de por Héctor Campello en su tesis y ha demostrado que, aunque ruido con los que generar mapas sonoros de entornos urbanos. se incorpore un ruido de advertencia, el sonido que emite un vehículo eléctrico es menor que el de un vehículo de combusLa novedad tecnológica del estudio radica en la circulación tión interna, lo que ayuda a reducir la contaminación acústica. cada vez más frecuente de vehículos eléctricos en las áreas urbanas. “La emisión de ruido de los vehículos eléctricos no Tras numerosos ensayos y estudios de casos, se ha llegado a estaba contemplada en los modelos matemáticos de cálcu- la conclusión de que la disminución de ruido en los vehículos lo con los que se elaboran los mapas de ruido”, explica Emilio eléctricos es notoria en velocidades urbanas por debajo de los
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30 km/h. Por encima de esta velocidad, el ruido que arrojan todos los vehículos corresponde más a la rodadura que al motor. Por tanto, como expresa Campello, “el vehículo eléctrico no va a afectar al cómputo total de tráfico en un mapa urbano, aunque sí aportaría beneficios en un casco histórico donde la velocidad es limitada y no se permite el paso a vehículos pesados”. Se puede trabajar, sin embargo, para reducir la contaminación acústica si se contemplan otras variables. “En las nuevas zonas urbanas se puede edificar pensando en minimizar el impacto de los ruidos de los vehículos, a través del diseño de aceras am-
LA UMH LIDERA UN PROYECTO EUROPEO La profesora del Grupo de Ingeniería Mecánica Aplicada de la UMH Nuria Campillo coordina un proyecto europeo que estudia las técnicas de medición y simulación de ruido y vibraciones para vehículos eléctricos. La investigación, que finaliza en abril de 2016, cuenta con la participación de más de 30 entidades, entre universidades y empresas. Para optimizar el desarrollo del estudio, se han organizado 4 grupos de trabajo, como
plias y edificios bajos”, puntualiza el director del grupo de investigación. Además, como se plantea en la tesis de Campello, se puede limitar la velocidad a 30 km/h en las zonas urbanizadas, restringir la entrada de vehículos en algunas áreas y reducir el número de carriles en las avenidas, entre otras medidas. Por otro lado, si se reduce el ruido de la rodadura también se aportan beneficios al tráfico. Algunas investigaciones del Grupo de Ingeniería Mecánica Aplicada estudian actualmente estas variables, con los datos obtenidos hasta ahora se puede afirmar que ciertos neumáticos reducen el impacto sonoro e incluso el tipo de asfalto utilizado permite también minimizar el ruido.
explica la coordinadora: “El grupo 1 ha analizado el estado del arte, es decir, una revisión de todos aquellos desarrollos tecnológicos sobre ruido y vibraciones realizados en vehículos tanto de combustión interna como eléctricos; el grupo 2, evalúa las técnicas experimentales que existen; el grupo 3, revisa y evalúa las técnicas numéricas para realizar las simulaciones computacionales; el grupo 4, analiza las particularidades y preferencias de los usuarios para adaptarlos al consumidor. También en este último grupo se trabajan los warning sounds, un conjunto de sonidos de advertencia para aplicar a los vehículos eléctricos ante la presencia de peatones
u otras circunstancias que pongan en peligro la vida”. Los investigadores de la UMH trabajan activamente en todos los grupos, ya que además de la coordinación por parte de la profesora Campillo, en el proyecto también participan los profesores Ramón Peral, que es líder del grupo de trabajo 2, y Miguel Sánchez, que es representante de la UMH dentro del Management Committee del proyecto. Para culminar el proyecto, el próximo mes de abril se realizará un congreso en el campus de Elche de la UMH con la intención de que asistan los participantes del proyecto y aquellos investigadores interesados en el tema. 5
La frenada de vehículos sobre rodillos de ITV La profesora Carolina Senabre, premio a la mejor tesis doctoral
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a ITV analiza los defectos que pueden darse en el coche, con el objetivo de garantizar la seguridad de la conducción. La profesora de la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche Carolina Senabre investiga cómo el sistema de la ITV testa la capacidad de frenada sobre rodillos, “puesto que alrededor del 10% de los defectos que se detectan en la ITV están relacionados con los frenos y con los neumáticos”, señala la profesora. La Asociación Española de Ingeniería Mecánica ha otorgado a Senabre el premio a la mejor Tesis Doctoral por su trabajo, titulado “Estudio y modelización del comportamiento de frenada de vehículos sobre banco de rodillos de ITV”, dirigido por el profesor de la UMH Emilio Velasco Sánchez. Se supone que los neumáticos del vehículo que acude a la ITV tienen la presión recomendada por el fabricante, pero en el manual de la ITV no existe un control de las ruedas antes de realizar la prueba de freno. De manera que esto queda en manos del conductor, cuando es algo que, según la investigación de Senabre, influye y puede hacer variar los datos obtenidos. Por ejemplo, la tesis apunta que para neumáticos del tipo Continental Contact e ITVs con unas características específicas, si los neumáticos tienen una presión de un bar, el vehículo no pasaría la prueba, mientras que si cuentan con una presión de tres bares sí pasaría sobradamente en las tres ITV utilizadas en el trabajo de campo. Este es uno de los parámetros que intervienen en la frenada y que puede variar los resultados, de todos los que cuentan en la medición y que han sido analizados en la tesis premiada.
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Carolina Senabre investiga en el Grupo de Ingeniería Mecánica Aplicada
Senabre demuestra con su trabajo que determinados parámetros, algunos incluso ajenos a la propia frenada del vehículo, influyen en su medición. Además de la presión en la rueda intervienen: tanto la distancia entre los rodillos (que puede variar hasta un 11%), como la rugosidad de los rodillos del frenómetro (hasta un 27,7%) -datos que dependen del banco de ITV al que se acceda- pero también el tipo de neumático, si es más rígido o más elástico (con un porcentaje de influencia en torno al 16%). El peso sobre el eje también condiciona la frenada. Con incrementos de hasta 54 kilos sobre cada una de las ruedas, se observa que aumenta el valor de fuerza de frenada medida dependiendo, de nuevo, del tipo de neumático y de su presión, con diferencias de hasta un 12%. Por último, el ángulo de convergencia y divergencia de las ruedas de un mismo eje también modifica la medida de frenada con diferencias, esta vez, de hasta un 10%. La prueba que realiza la ITV para testar los frenos consiste en situar el vehículo sobre un sistema de rodillos, donde los rodillos hacen girar la rueda por arrastre a 5 km/h, a continuación se pisa el pedal de freno hasta que se produce un deslizamiento total, momento en el que el vehículo es arrastrado
fuera del sistema de rodillos. La normativa indica que para pasar la prueba el vehículo debe cumplir un valor mínimo de eficacia, fuerza de frenada dividido entre el peso, el mismo para todos los coches B1 de España, que es del 50%. “Mi objetivo era encontrar un modelo matemático que reprodujera el movimiento de frenada de un vehículo sobre rodillos ya que, hasta el momento, nadie había modelizado esta curva”, señala la investigadora. Sobre plano sí existen diversos modelos matemáticos que indican cuál es la curva de deslizamiento, pero en la ITV se efectúa la prueba sobre rodillos por cuestiones de espacio, de practicidad y seguridad, en comparación con la pista. Senabre se apoyó en la Fórmula de Pacejka para llevar a cabo su investigación, ya que la también conocida como ‘fórmula mágica’ le permitía utilizar datos experimentales y tener en cuenta todos los parámetros que entran en juego en la frenada longitudinal. “Se parte de que la frenada en pista y la de rodillos pueden aportar valores diferentes a la fórmula. La pregunta es: ¿Cómo de diferentes? ¿Cómo varía en uno y otro caso la curva de frenada-deslizamiento?”, se cuestionó la investigadora.
Un modelo matemático inexistente hasta el momento
Para despejar el interrogante estudió todos los parámetros que entran en juego en la frenada sobre rodillos, que son distintos cuando se habla de frenada sobre rodillos o sobre pista. En concreto, aquellos que entran en juego solo en la frenada sobre rodillos son: la rugosidad de los rodillos y la separación existente entre los mismos, que puede variar de una planta a otra. El resto de parámetros que intervienen en ambos tipos de frenada son: la presión del neumático, su grado de desgaste y el tipo; la velocidad mínima que se debe alcanzar para deslizar el neumático; el ángulo de convergencia y divergencia existente entre las ruedas delanteras y la carga que soporta el eje. El trabajo de campo se llevó a cabo en tres plantas de ITV diferentes -en las que variaba la distancia entre sus rodillos- y con el mismo vehículo para conocer la influencia de este parámetro. La profesora calibró los
tres bancos con el mismo sistema de palanca y utilizó su propio sistema de adquisición de datos directamente del sensor de la ITV. Además, ubicó un sensor de presión en el circuito de freno: “No solo se tenía en cuenta el grado de frenada que recibía el banco, sino también la que se producía en el sistema de frenos del vehículo”, señala la investigadora. Así se obtuvo también datos referentes al rendimiento de frenada de las ITV. Se trataba por tanto de averiguar cuánto es capaz de medir el frenómetro de la ITV de lo que realmente se está frenando. De hecho, la investigadora señala que el sensor de frenos de la ITV recibe tan solo un 18% de la fuerza que se aplica en la rueda. De la misma manera, cuando se compara la frenada en pista con la de rodillo, en el mejor de los casos, se está recogiendo solo un 12% de la frenada real, según los datos de la investigadora. La causa de un porcentaje tan bajo
es el deslizamiento que se produce entre la rueda y los rodillos. Para la medición del deslizamiento, Senabre utilizó dos sensores de “velocidad angular” o encoders, a diferencia del sistema que aplican los propios bancos de ITV, con un sensor óptico, menos preciso en comparación. Se consideraron diferentes tipos de neumáticos, en los que también se modificó el desgaste. Senabre demostró que si utiliza un neumático más elástico, se adapta mejor a la forma del rodillo y el incremento de presión favorece a la disminución de deslizamiento, mientras que si es un neumático más rígido ocurre todo lo contrario. Y respecto al parámetro de la rugosidad de los rodillos también se observó una influencia notable, hasta el punto de poder afirmar que cuando haya ITV muy desgastadas, cuya rugosidad sea muy baja, los vehículos tendrán más dificultades para pasar la prueba de frenos, debido al incremento de deslizamiento neumático-rodillo. El objetivo de la investigación se cumplió al alcanzar las distintas curvas de frenada sobre rodillos basada en los datos obtenidos en la experimentación, lo que permitió a la profesora diseñar un modelo matemático inexistente hasta el momento.
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