Problema
Idealmente, un modelo de neumático tiene que simular con precisión la dinámica del sistema y proporcionar simulaciones que se ejecuten con rapidez. Desgraciadamente, los modelos de neumáticos existentes normalmente o no son capaces de modelar el comportamiento con un alto grado de precisión o necesitan muchos recursos y son lentos en la simulación. Los investigadores en la Universidad de Waterloo querían ver si podrían desarrollar un nuevo modelo de neumático que proporcionara un mejor balance entre precisión y eficiencia.

Solución
Utilizando MapleSim, los investigadores desarrollaron un modelo de neumático volumétrico con la intención de proporcionar resultados precisos de forma más eficiente que otros modelos.

Resultado
Los resultados de las pruebas iniciales son prometedores. El nuevo modelo de neumático presenta una precisión mejorada respecto otros modelos existentes sin recurrir a enfoques con altos costes en recursos. El plan de los investigadores es utilizar datos adicionales de un Sistema de Medidas de Vehículos para poder sintonizar más fino los parámetros del modelo en MapleSim. El modelo de neumático puede entonces ser incorporado en modelos de vehículos detallados para simulaciones de sistemas de vehículo completos.

Los neumáticos son un componente crítico en el diseño de vehículos. Para ahorrar tiempo y dinero en el diseño y desarrollo de nuevos vehículos, los fabricantes de automóviles normalmente utilizan modelos para simular las relaciones dinámicas entre neumáticos y superficies de terrenos. Idealmente, un modelo de neumático debe de simular con precisión la dinámica del sistema y permitir a los diseñadores variar sus parámetros, y las simulaciones también deben de correr rápidas.

Los modelos de neumáticos existentes tienen desventajas inherentes. Algunos de estos modelos de neumáticos existentes, como el modelo de neumático con fórmula mágica Pacejka, están basados únicamente en datos experimentales. De forma alternativa, como en los modelos de elementos finitos, requieren Alternatives, such as finite element models, requieren una gran cantidad de recursos, mientras otros modelos de neumáticos representan al neumático con un objeto físico, como una cadena o un cepillo. Ninguno de estos modelos alcanza un balance ideal de precisión y eficiencia. Sin embargo, los investigadores de la Universidad de Waterloo están tomando un nuevo enfoque de modelado de neumáticos con el objetivo final de alcanzar este balance ideal.

El grupo de investigación, liderado por el Dr. John McPhee, catedrático de Ingeniería de Diseño de Sistemas, y el Dr. Joydeep Banerjee, investigador jefe, utilizó la herramienta de modelado a nivel de sistemas de Maplesoft, MapleSim, para desarrollar y verificar un modelo de neumático volumétrico. "El modelo de neumático desarrollado en MapleSim ofrece dos ventajas diferentes sobre los modelos de neumáticos existentes," dijo el Dr. Banerjee. "Como los momentos se calculan utilizando únicamente datos cinemáticos, el modelo puede programarse fácilmente para simulaciones numéricas. Además, las torsiones resistivas se calculan como funciones tanto de la carga normal como de la velocidad angular de la rueda."

Utilizando Maple, el motor de cálculo avanzado de Maplesoft, las expresiones simbólicas para la fuerza normal y la resistencia de rodadura se derivaron como una función de la posición y la orientación del neumático. Las fuerzas de fricción distribuidas se integraron simbólicamente sobre la zona de contacto del neumático para calcular las fuerzas de tracción y momentos de auto-alineamiento. Los investigadores utilizaron entonces MapleSim para desarrollar el modelo utilizando componentes personalizados derivados de las expresiones de Maple. El modelo de neumático volumétrico resultante se muestra en la Figura 1.

Figura 1 - Modelo de neumático volumétrico desarrollado en MapleSim

Para verificar la precisión del modelo de neumático volumétrico, se utilizó el modelo en una prueba de caída simulada. Se realizó una prueba de caída real con un neumático de verano MICHELIN® 195/65 R15 inflado a 33 psi. El modelo de neumático se montó para que recibiera el mismo movimiento que el test de caída real. Utilizando MapleSim, se simuló la caída y rebote del neumático. También se utilizó otro modelo de neumático disponible comercialmente, seleccionado de la amplia Librería de Neumáticos de MapleSim, para comparar los resultados. En la Figura 2 se muestra una comparación de las fuerzas simuladas y medidas. Al comparar los resultados de los dos modelos, el modelo de neumático volumétrico de MapleSim proporciona una estimación ligeramente más precisa para la posición de la rueda.

Figura 2 - Comparación de las fuerzas simuladaas y medidas en el modelo de neumático volumétrico

Los resultados iniciales indican que el modelo de neumático volumétrico de MapleSim es prometedor, para su uso no solo para neumáticos de automóviles, sino que también para ángulos de inclinación más altos, como en neumáticos de bicicletas y motos. Para aumentar la fidelidad del modelo, los investigadores planean realizar más pruebas del modelo de neumático volumétrico utilizando datos obtenidos con un Vehicle Measurement System (VMS). El VMS, mostrado en la Figura 3, proporcionará información sobre la posición, orientación y cargas sobre el neumático durante pruebas de conducción reales de un vehículo.

Figure 3 - Vehículo instrumentado con VMS

"Como que los resultados iniciales del modelo parecen prometedores, los datos obtenidos con el VMS podrán utilizarse para sintonizar mejor los parámetros del modelo de neumático," dijo el Dr. McPhee. "Utilizando MapleSim, podemos realizar más análisis incorporando fácilmente el modelo de neumático en modelos de vehículos detallados para realizar simulaciones de sistemas de vehículos completos."

*En el momento de la realización de este estudio de investigación, el Dr. Joydeep Banerjee era miembro de el equipo de investigación del Dr. McPhee en la Universidad de Waterloo. Actualmente está empleado en Maplesoft como ingeniero de aplicaciones.