Análisis del comportamiento a vuelco de un autobús mediante un sistema activo de balanceo (VUELBUS)

Última actualización: 09/01/2009

Aumentar Tamaño del texto Disminuir Tamaño del texto

VUELVUS: Análisis del comportamiento a vuelco de un autobús mediante un sistema activo de balanceo

Financiado por la Comunidad de Madrid y la Universidad Carlos III de Madrid a través de proyecto [CCG06-UC3M/DPI-0688]

Duración: 2007-2008

Investigador principal: Beatriz López Boada

 

Objetivos

Hoy en día, las investigaciones que se realizan dentro del campo de los autobuses, se centran en dos grandes líneas: por una parte reducir el consumo y por otra mejorar su seguridad a vuelco. La reducción del consumo se realiza principalmente dismuyendo el peso de la estructura, y la mejora de la seguridad utilizando un sistema de control activo.
Los dos objetivos principales que se marcaron en este proyecto fueron:

  1. Mejorar el comportamiento en carretera de un autobús introduciendo un control de balanceo.
  2. Optimizar la estructura de un autobús con objeto de reducir el consumo de combustible manteniendo la seguridad frente al vuelco. Para ello, se tendrá en cuenta las perturbaciones que introduce el sistema de control en su comportamiento.
Subir
 

Fases

Fase I: Diseño de un sistema de control de balanceo basado en lógica fuzzy
En esta fase se han diseñado dos controladores activos de balanceo: uno basado en lógica fuzzy y otro basado en redes neuronales. Esto se ha realizado para poder comparar los resultados obtenidos empleando ambas técnicas.

Las características que debían cumplir ambos controladores en su diseño era que:

  • La transferencia de carga entre los neumáticos de un mismo eje tenía que estar comprendida entre [-1,+1]. Valores fuera de este rango implican que una de las dos ruedas despega y por lo tanto que se empieza a producir el vuelco del vehículo.
  • El ángulo de balanceo producido entre la masa suspendida y la masa no suspendida no fuera superior a 6º-7º por cuestiones de diseño de la propia suspensión del autobús.


Fase II: Estudio de sensibilidad de los elementos de la estructura del autobús


La estructura de un autobús está formada por una gran cantidad de elementos. Realizar un proceso de optimización considerando todos estos elementos puede resultar un proceso muy laborioso y costoso computacionalmente, dando lugar muchas veces a resultados que no son los óptimos. Por ello, antes de realizar el proceso de optimización se ha realizado un estudio de sensibilidad para comprobar qué elementos afectan principalmente a los dos parámetros siguientes: peso y rigidez a torsión. En este caso nos interesa reducir el peso sin disminuir la rigidez, con ello se mejora tanto el consumo como la seguridad del vehículo. El estudio de sensibilidad se ha llevado a cabo empleando la herramienta de elementos finitos (EF) ANSYS.

Para ello se ha realizado un modelo de EF de la estructura de un autobús que ha sido cedida por la empresa CASTROSUA, S.A. (Figura 5). Las vigas de acero que forman la estructura han sido modeladas mediante elementos tipo BEAM, que permiten la rotación y traslación en las tres direcciones del espacio y cargas de torsión, flexión y axiales. Las propiedades del material son:

  • Módulo de elasticidad: 200 GPa.
  • Coeficiente de Posion: 0.3
  • Densidad: 7850 kg/m3.


Las vigas son huecas con una sección rectangular.

Para simplificar el estudio de sensibilidad se estudiaron diferentes tipos de secciones que se caracterizan cada una de ellas por tener el mismo tipo de viga. Para la estructura de estudio el número de secciones diferentes es igual a 53. El estudio de sensibilidad se ha realizado modificando el espesor de todas las vigas que componen una sección y se calcula como influye esta variación en el peso global de la estructura y en la rigidez torsional.

Fase III: Optimización de la estructura de un autobús


En esta fase se ha optimizado la estructura del autobús utilizando algoritmos genéticos (AG). Se ha decidido utilizar AG porque permiten obtener una solución buena del problema para una muestra del conjunto de soluciones posibles consiguiéndose una reducción del tiempo de cálculo. Para llevar a cabo esta optimización se ha utilizado la toolbox de algoritmos genéticos de MATLAB y el programa de elementos finitos ANSYS.

Los parámetros a optimizar son los espesores de las vigas que forman la estructura para reducir el peso sin que rompa o disminuya mucho su rigidez a torsión, es decir, manteniendo el índice de seguridad del autobús dentro de unos límites. La rigidez a torsión representa la resistencia que ofrece un vehículo a volcar. Las vigas a optimizar son aquellas que se han obtenido del estudio de sensibilidad.

Después del proceso de optimización, se ha conseguido una reducción de peso de 34.983 kg, lo que trae consigo una serie de ventajas:

  • Una menor consumo en el vehículo debido a que no se necesita tanta energía para mover el autobús al pesar este menos.
  • Un coste de producción menor, dado que habrá menos cantidad de material.
  • Una mejora en las prestaciones derivada del menor peso del global.


También se ha conseguido un leve incremento de la rigidez a torsión de la estructura (0,225%), por lo que las prestaciones a nivel de rigidez estructural apenas varían. Aún así toda mejora en este aspecto siempre es positivo para la mejora de seguridad del vehículo.

Fase IV: Comprobar el efecto del sistema activo de control en la estructura del autobús


En esta fase se ha pretendido estudiar como afecta el sistema activo de control desarrollado en las fases anteriores en el comportamiento de la estructura. Un sistema activo debe actuar rápidamente para obtener un comportamiento deseado del vehículo cuando éste se está desplazando. Esto provoca que este sistema de control genere unos esfuerzos muy variables en el tiempo que van a afectar a su estructura. En este caso ha sido necesario realizar un estudio dinámico (los esfuerzos que afectan a la estructura varían en el tiempo) por lo que se ha utilizado un programa de EF dinámico como es el LS-DYNA.

Subir
 

Publicaciones

  • Active roll control using reinforcement learning for a single unit heavy vehicle. M.J.L. Boada, B.L. Boada, A. Gauchía, J.A. Calvo and V. Diaz. International Journal of Heavy Vehicle Systems. Aceptado en 2008 para ser publicado en el 2009.
  • Bus Weight and Torsion Stiffness Optimization. A. Gauchia, V. Díaz, M.J.L. Boada and B.L. Boada. FISITA World Automotive Congress. Munich, Germany. September 14-19. 2008.
  • A genetic-based optimization of a bus structure as a design methodology. B.L. Boada, A. Gauchía, M.J.L. Boada and V. Díaz. The 12th World Congress in Mechanism and Machine Science (IFTOMM'07). Besançon, FRANCE. June 17-21. 2007.
  • Active roll control using reinforcement learning for a single unit vehicle. M.J.L. Boada, B.L. Boada, A. Gauchía, A. Quesada and V. Díaz. The 12th World Congress in Mechanism and Machine Science (IFTOMM'07). Besançon, FRANCE. June 17-21. 2007.
  • Fuzzy-based roll control for a single unit heavy vehicle. M.J.L. Boada, B.L. Boada, A. Gauchia and V. Díaz. 8th Biennial ASME Conference on Engineering Systems Design and Analysis (ESDA 2006). Torino, Italia. July 4-7. 2006.
Subir
Información de contacto