La mayor competencia en el mercado del automóvil ha obligado a las empresas a investigar estrategias alternativas a los sistemas de suspensión pasiva clásicos. Con el fin de mejorar la manipulación y el rendimiento de confort, en lugar de un sistema de muelles y amortiguadores estáticos convencionales, se están desarrollando diferentes sistemas electrónicos:
Sistemas adaptativos. Utilizan amortiguadores electrónicos con válvulas variables.
Sistemas niveladores de carga. Utiliza amortiguadores neumáticos en la parte trasera para compensar la carga del vehículo.
Sistemas Activos. Utiliza actuadores hidráulicos, así como muelles y amortiguadores.
La suspensión activa se encarga de controlar de forma independiente la amortiguación en cada una de las ruedas para conseguir el óptimo contacto con el suelo y mejorar la estabilidad junto a la adherencia del vehículo, independientemente de las condiciones del asfalto por el que ruede el modelo. A través de sensores, situados en el automóvil, se registran en tiempo real factores como el peso del vehículo, velocidad, ángulo de dirección, fuerza de frenado, y la aceleración. Estas mediciones se envían a una ECU dedicada al control de suspensiones. La ECU envía las órdenes de forma independiente a cada uno de los amortiguadores para asegurar mejor desempeño del vehículo. De esta manera, se tiene un mayor confort al conducir y se obtiene una gran mejora respecto a los sistemas de seguridad convencionales. Entre los más destacados, están el sistema Bose y el Dynamic Drive de BMW, entre otros.
Preguntas detonadoras o de reflexión:
¿Cómo es posible garantizar el control del vehículo y confort de los pasajeros actuando de forma activa sobre las suspensiones del mismo?
Explicación
11.1 Sensores y actuadores especiales para control de suspensiones
La suspensión activa se refiere a todos los sistemas necesarios para gestionar y controlar independientemente los amortiguadores en cada una de las cuatro ruedas, eliminando así las variaciones del movimiento vertical (heave), cabeceo (pitch) y balanceo (yaw) de los sistemas de a bordo en muchas situaciones de manejo, tales como curvas, aceleración, frenado y superficie desigual del camino, consiguiendo un óptimo contacto con el suelo, y una mejora en la estabilidad y adherencia del vehículo.
La tecnología de control activo de suspensiones ha sido inicialmente aplicada en automóviles de lujo, ofreciéndoles un mayor confort de conducción y manejo del vehículo. La suspensión activa consiste en muelles, amortiguadores y un actuador.
Figura 1. Sistema de suspensión.
Imagen obtenida de http://www.mecanicaymotores.com/sistema-de-suspension.html. Sólo para fines educativos.
El actuador puede ser de diferente naturaleza; por ejemplo hidráulico o eléctrico.
La suspensión está equipada con sensores de movimiento para recoger y enviar cantidad de información a la unidad de control del motor a bordo para calcular la señal de control para los actuadores.
Los actuadores generan una fuerza apropiada para compensar las variaciones del movimiento vertical, cabeceo y balanceo para lograr un mejor rendimiento comparado con una suspensión pasiva.
El sistema de control de suspensiones constituye un típico sistema de control distribuido en varias ECU conectadas en red. Todos los sensores, actuadores y controladores se comunican a través de un bus compartido. Este tipo de arquitectura ofrece muchas ventajas, tales como reducir la complejidad de cableado, menor costo de instalación, permitir funcionamiento móvil y fácil para el diagnóstico y solución de problemas. Sin embargo, el empleo de tal arquitectura da lugar a nuevos problemas, los cuales son el retardo de tiempo y la deserción de datos que puede degradar el rendimiento del control.
Un ejemplo de red CAN para suspensiones activas se representa en la figura 3. Esta figura presentada por el productor de circuitos integrados Freescale, muestra cómo se organiza la red de comunicación entre ECU. Se puede notar que cada “cuarto de automóvil” tiene su ECU dedicada. Es decir, cada suspensión viene controlada a través de su ECU. En cada ECU se encuentra el sistema de alimentación para el microprocesador y la interfaz CAN, el microcontrolador es driver para el actuador, una serie de sensores entre los cuales un acelerómetro.
Para garantizar la estabilidad del vehículo, es importante que los cuatro amortiguadores trabajen de manera conjunta. Por esto se desarrolla una red CAN entre las cuatro ECU de cada suspensión y una ECU central que utiliza otros sensores como aceleración, velocidad y pose del vehículo. Considerada la importancia del tiempo de respuesta en este tipo de control, se están proponiendo configuraciones conectadas a través de la red FlexRay que permite tiempos de muestreo más rápidos.
Figura 2. Ejemplo de red CAN para suspensiones activas.
Imagen obtenida de http://www.freescale.com/webapp/sps/site/application.jsp?code=APLSASP&fsrch=1&sr=1&pageNum=1. Sólo para fines educativos.
11.2 Caso: suspensiones activas Bose
La Bose Corporation es una empresa estadounidense de multimedia fundada en 1964 por un exprofesor de la Massachusetts Institute of Technology, Amar G. Bose. La empresa fabrica componentes de HiFi como altavoces y amplificadores, aunque se le conoce principalmente por sus soluciones completas de audio como los sistemas de Home Theatre.
Los estudios con los problemas de oscilación de todo tipo en los laboratorios de Bose resultaron en 2005 en un nuevo sistema para el control active de suspensiones para vehículos. Bose ha sido pionera en esta área de la electrónica automotriz, por ello resulta relevante estudiar su caso.
El reto tecnológico que Bose enfrentó se resume en la pregunta: ¿es posible optimizar el confort y la estabilidad de un vehículo trabajando sobre su sistema de suspensión?
En un sedán de lujo las suspensiones están generalmente diseñadas con un énfasis en la comodidad, sin embargo, el precio que se paga es un control pobre en frenada y en curva especialmente a altas velocidades. En los automóviles deportivos, donde el énfasis está en el control, la suspensión está diseñada para reducir el balanceo y cabeceo, pero la comodidad está sacrificada. Los ingenieros de Bose tomaron un enfoque único para la solución de este problema, y el resultado es un enfoque completamente nuevo a diseño de la suspensión.
En 1980, el fundador de Bose y CEO, Dr. Amar Bose, llevó a cabo un estudio matemático para determinar el rendimiento óptimo posible de una suspensión del automóvil, haciendo caso omiso de las limitaciones de cualquier hardware de suspensión existente. Este estudio de 5 años indicó que era posible lograr un rendimiento que fue un gran paso por encima de cualquier cosa disponible. Después de evaluar los sistemas de muelle / amortiguador convencionales y variables, así como los enfoques hidráulicos, se determinó que ninguna tenía la combinación de velocidad, la fuerza y la eficacia necesarias para proporcionar los resultados deseados. El estudio identificó el electromagnetismo como el enfoque que podría ofrecer características óptimas de suspensión.
La suspensión Bose requiere avances significativos en cuatro disciplinas principales:
Motores lineales electromagnéticos
Amplificadores de potencia
Algoritmos de control
Velocidad de cálculo
Bose asumió el reto de las tres primeras disciplinas y apostó por los desarrollos que la industria podría hacer en el cuarto punto. Los prototipos del sistema de suspensión Bose han sido instalados en los vehículos de producción estándar. Estos vehículos de investigación han sido probados en una amplia variedad de caminos, en las pistas y en los cursos de durabilidad.
El sistema de suspensión Bose incluye un motor lineal electromagnético y amplificador de potencia en cada rueda, y un conjunto de algoritmos de control. Esta combinación patentada de hardware y software de control de suspensión hace posible, por primera vez, para combinar confort superior y un control superior en el mismo vehículo.
Figura 3. Sistema de suspensión Bose
Imagen obtenida de http://www.bose.com.hk/?content=734. Sólo para fines educativos.
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Motor Lineal Electromagnético
Un motor electromagnético lineal está instalado en cada rueda de un vehículo equipado Bose. Dentro del motor electromagnético lineal están imanes y bobinas de alambre. Cuando se aplica energía eléctrica a las bobinas, el motor se retrae y se extiende, creando movimiento entre el cuerpo de la rueda y el automóvil. Una de las ventajas clave de un enfoque electromagnético es la velocidad. El motor electromagnético lineal responde lo suficientemente rápido para contrarrestar los efectos de los golpes y baches, mantener una conducción cómoda. Además, el motor ha sido diseñado para la fuerza máxima en un paquete pequeño, lo que le permite aplicar la fuerza suficiente para evitar que el automóvil pierda estabilidad durante maniobras agresivas.
Amplificador de Potencia
El amplificador de potencia suministra potencia eléctrica al motor en respuesta a señales procedentes de los algoritmos de control. Los amplificadores se basan en tecnologías de conmutación de amplificación por primera vez por el Dr. Bose en el MIT en la década de 1960 y las tecnologías que condujeron a la fundación de Bose Corporation en 1964. Los amplificadores de potencia regenerativos permiten que la corriente fluya en el motor electromagnético lineal, y deje el poder para ser devueltos por el motor. Por ejemplo, cuando la suspensión Bose encuentra un bache, la energía se utiliza para extender el motor y aislar los ocupantes del vehículo de la perturbación. Al otro lado del bache, el motor funciona como generador y devuelve la energía a través del amplificador. Al hacerlo, la suspensión Bose requiere menos de un tercio de la potencia del sistema de aire acondicionado de un vehículo típico.
Algoritmos de Control
El sistema de suspensión Bose está controlado por un conjunto de algoritmos matemáticos desarrollados durante décadas de investigación. Estos algoritmos de control operan mediante la observación de las mediciones del sensor tomadas de alrededor del automóvil y el envío de comandos a los amplificadores de potencia instalados en cada esquina del vehículo. El objetivo de los algoritmos de control es permitir que el automóvil se deslice suavemente sobre las carreteras y eliminar balanceo y cabeceo durante la conducción.
En muchos de los vehículos de producción de hoy en día el sistema de suspensión comprende módulos de suspensión delantera y trasera que se empernan a la parte inferior del vehículo. La suspensión Bose toma ventaja de esta configuración mediante la creación de módulos de suspensión delantera y trasera de reemplazo. Con este enfoque, el equipo de investigación ha sido capaz de adaptar la suspensión Bose en vehículos de producción existentes con modificaciones mínimas.
Los módulos de suspensión delantera de Bose utilizan una estructura McPherson modificada, y los módulos de la suspensión trasera utiliza un enlace de doble horquilla para conectar un motor electromagnético lineal entre la carrocería del vehículo y cada rueda. Los resortes de torsión son utilizados para soportar el peso del vehículo. En adición, la suspensión Bose incluye un amortiguador de rueda en cada rueda para mantener el neumático de rebote a medida que avanza por la carretera. A diferencia de los amortiguadores convencionales, que transmiten vibraciones a los ocupantes del vehículo y sacrifican la comodidad, el amortiguador de la rueda en el sistema Bose funciona sin empujar contra la carrocería del vehículo, manteniendo el confort de los pasajeros.
Los vehículos equipados con la suspensión Bose han sido probados en una variedad de caminos y bajo muchas condiciones diferentes, lo que demuestra los conductores de confort y control de beneficios se encontrará durante la conducción del día a día. Además, los vehículos han sido sometidos a manipulación y ensayos de durabilidad en el campo de pruebas independientes.
Cuando los conductores de prueba ejecutan maniobras en curvas agresivas como un cambio de carril, la eliminación de la inclinación de la carrocería se aprecia de inmediato. Del mismo modo, los conductores notan rápidamente la eliminación de la afinación del cuerpo durante una frenada brusca y aceleración. Pilotos de pruebas profesionales han informado de una mayor sensación de control y confianza que resulta de estos comportamientos. Cuando los conductores de prueba toman la suspensión Bose por caminos llenos de baches, que reportan una reducción en el movimiento del cuerpo en general y las vibraciones discordantes, lo que resulta en una mayor comodidad y control.
Por primera vez, la suspensión Bose demuestra la capacidad de combinar en un automóvil una conducción mucho más suave que cualquier sedán de lujo, y menos balanceo y cabeceo que en cualquier auto deportivo. Este desempeño resulta de una combinación patentada de hardware suspensión y algoritmos de control.
La tecnología de control activo de suspensiones ha sido inicialmente aplicada en automóviles de lujo, ofreciéndoles un mayor confort de conducción y manejo del vehículo. La suspensión activa consiste en muelles, amortiguadores y un actuador.
Figura 4. Comparación entre una suspensión convencional (izquierda) y una suspensión activa de Bose (derecha). Imagen obtenida de Bose Corporation. Sólo para fines educativos.
Revisa el siguiente artículo en el cual encontrarás más información acerca del sistema de suspensión Bose:
Rufino. (2007). Suspensión activa para coches de Bose.
Recuperado de http://www.sologadgets.com/suspension-activa-coches-bose-28546
Un ejemplo de los resultados que el sistema Bose puede alcanzar se muestra en la figura 4. En la figura se muestran dos fotografías de la parte trasera del mismo vehículo, instrumentado respectivamente con suspensiones activas y suspensiones convencionales.
Las fotos están tomadas cuando el vehículo entra en una curva. Este instante es uno de los más críticos para la estabilidad del vehículo, ya que debido a las fuerzas en juego este tiende a salir de su trayectoria. Este fenómeno se enfatiza a altas velocidades. En el vehículo de la izquierda, instrumentado con suspensiones pasivas, se nota claramente que el automóvil se recarga hacia un lado. En el vehículo instrumentado con suspensiones activas, el automóvil persiste estable en curva.
Cierre
La solución involucra el conocimiento de la dinámica del vehículo, las técnicas de medición de variables físicas como velocidades y aceleraciones, el control y la comunicación en red de múltiples ECU.
Esta aplicación representa como tecnologías electrónicas, informáticas y de red se pueden combinar con la mecánica para empujar los límites más allá de lo convencional.
El control activo de suspensiones ha abierto nuevos horizontes en el sector automotriz. La principal ventaja es el aumento de seguridad y confort a mayores velocidades. Esta ventaja habilita los productores de automóviles en producir modelos siempre más rápidos y seguros, garantizando el confort de los pasajeros.
Revisa a continuación el Checkpoint:
Asegúrate de comprender:
El impacto de las suspensiones de un vehículo en el confort de los pasajeros y su estabilidad.
Las suspensiones activas ofrecen mejor desempeño que las suspensiones pasivas.
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Motor Lineal Electromagnético
