Análisis del sistema de dirección de un automóvil mediante Multibody de Simulink

200 Pages·2015·9.02 MB·Spanish

Departamento de Ingeniería Mecánica

PROYECTO FIN DE CARRERA

Análisis del sistema de dirección
de un automóvil mediante
MULTIBODY de SIMULINK

Autor: Fernando Celada Sanz

Tutor: D. José Antonio Calvo Ramos
Leganés, de

Título: Análisis del sistema de dirección de un automóvil mediante MULTIBODY de

SIMULINK

Autor: Fernando Celada Sanz
Director: D. José Antonio Calvo Ramos

EL TRIBUNAL

Presidente:

Vocal:

Secretario:

Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el día __ de _______
de 20__ en Leganés, en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de
Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIÓN de

VOCAL

SECRETARIO PRESIDENTE
ii
iii
Agradecimientos
A mis padres, por su paciencia.
A ti Sole, por tus ánimos y tu ayuda.
A mi tutor, por sus consejos en la solución de problemas.

iv
Resumen
Este proyecto versa sobre la aplicación de un método de análisis de mecanismos con el
objetivo de realizar una simulación del funcionamiento y comportamiento de un sistema
mecánico complejo, que en el caso que nos ocupa, se trata de un sistema de dirección y
suspensión de un vehículo automóvil.

La realización de esta simulación se basa en la teoría conocida como Multibody, la cual
permite realizar un análisis dinámico de un sistema mecánico compuesto por varios cuerpos o
segmentos. Gracias a ello se pueden analizar mecanismos completos sin necesidad de estudiar
cada componente por separado. No obstante, la utilización de esta teoría arrastra un problema
significativo, que no es otro la complejidad de cálculo alcanzada en mecanismos con un
importante número de componentes.

Por ello, y como solución a este problema, se recurre a herramientas de cálculo que
sean aptas para aplicar esta teoría (ADAMS, CARsim, SIMULINK) y eliminan por completo el
cálculo manual. En este proyecto se recurre al uso de Simulink, una herramienta de Matlab, y
más en concreto a SimMechanics, que es la herramienta preparada para la aplicación de la
teoría Multibody, ya que contiene los conceptos y sistemas de cálculo necesarios para ello.

Aparte de las herramientas de cálculo, Multibody necesita una serie de datos previos de
cada uno de los componentes del sistema a analizar. En concreto, es necesario conocer las
propiedades físicas y dinámicas de los componentes (peso, momentos de inercia, posición del
centro de gravedad) y posición de los nexos entre componentes y puntos significativos que
puedan tener cada uno de ellos.
v
Para la obtención de estos datos previos necesarios se tomaron medidas de los
componentes sobre un vehículo real, para a continuación, modelar cada componente en un
programa de CAD (en este caso SolidEdge) con el objetivo de que el programa calculase y
proporcionase esos datos previos.

Con todo esto, se puede realizar el modelo virtual del sistema y realizar las simulaciones
bajo condiciones reales y procesar los resultados con el objetivo de realizar estimaciones sobre
el funcionamiento de los sistemas de dirección y suspensión del vehículo.

Palabras clave: Multibody, Simulink, Matlab, SolidEdge, dinámica, suspensión,
dirección, automóvil, simulación, convergencia, caída, ángulo de salida, amortiguación, resorte.

vi
Abstract

This thesis talks about the application of a mechanisms analysis method with the aim of
making a simulation of the real motion and behavior of a complex mechanical system, which is, in
the present case, a steering and suspension system of a real vehicle.

The realization of this simulation is based on the theory known as Multibody, which allows a
dynamic analysis of a mechanical system composed by several bodies or segments. As a result,
a mechanical system can be analyzed as a complete set, instead of study each component
separately. However, the used theory generates a significant problem, which is simply the
computation complexity achieved in mechanisms with a large number of components.

Therefore, as a solution to this problem, suitable calculation tools are necessary to apply this
theory (like Adams CARsim, SIMULINK) and to avoid manual calculation process. In this case,
Simulink (a Matlab tool) was used, and more particularly SimMechanics. This program is
prepared for the application of Multibody theory because it contains the concepts and operation
systems required for this aim.

In addition with the calculation tools, Multibody needs some previous data of each system
component which it is going to be analyzed. In particular, it is necessary to know the physical and
dynamic properties of components (weight, inertial properties, centre of gravity location…) Also,
Multibody needs to know the location of different connections between components and important
points of every component.

vii
To obtain these required previous data, measures of every part were taken in the real
vehicle and later, each component was modeled in a CAD program (in this case SolidEdge and
AutoCAD). So CAD program calculate and provide the data that Simulink needs

Considering these aspects, the virtual model of the system can be made, and simulations
can be performed under real conditions. The results can be processed, in order to make
estimates about the functioning of steering and suspension systems of the vehicle.

Keywords: Multibody, Simulink, Matlab, SolidEdge, vehicular dynamic, suspension,
steering system, vehicle, simulation, camber, kingpin, toe in, coil, coilover, damper.

viii
Índice general
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .........................................................................................1
1.1 INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................1
1.2 ESTRUCTURA DEL PROYECTO ................................................................................3
1.3 OBJETIVOS .................................................................................................................5
2. SISTEMA DE DIRECCIÓN ..................................................................................................6
2.1 DEFINICIÓN DEL SISTEMA DE DIRECCIÓN .............................................................6
2.1.1 CARACTERÍSTICAS QUE DEBE REUNIR UN SISTEMA DE DIRECCIÓN (1) .......8
2.2 FUNCIONAMIENTO (1)..............................................................................................10
2.3 CONDICIÓN DE ACKERMAN (1) (2) .........................................................................12
2.4 TRAPECIO DE JEANTAUD O TRAPECIO ARTICULADO ........................................16
3. SISTEMA DE SUSPENSIÓN .............................................................................................23
3.1 DEFINICIÓN SISTEMA DE SUSPENSIÓN ................................................................23
3.2 CARACTERÍSTICAS QUE DEBE REUNIR EL SISTEMA DE SUSPENSIÓN ...........25
3.3 ANÁLISIS DINÁMICO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN (3) ....................................26
ix
3.3.1 MODELO 1: Chasis con sistema de resorte y amortiguador. .................................26
3.3.2 MODELO 2: Masa suspendida, masa no suspendida y neumático. .......................29
3.3.3 MODELO 3: Se incluye el comportamiento del asiento ..........................................30
3.4 TIPOS DE SUSPENSIÓN SEGÚN SU GEOMETRÍA ................................................31
3.4.1 GEOMETRÍAS DE SUSPENSIÓN DELANTERAS.................................................31
3.4.2 GEOMETRIAS DE SUSPENSIÓN TRASERAS .....................................................32
4. PARÁMETROS DEL SISTEMA .........................................................................................33
4.1 ÁNGULO DE CAÍDA (1) .............................................................................................33
4.2 ÁNGULO DE SALIDA O INCLINACIÓN DEL PIVOTE DE DIRECCIÓN (1) ...............35
4.3 RADIO DE GIRO ........................................................................................................37
4.4 AVANCE O CASTER..................................................................................................38
4.5 ÁNGULO COMPRENDIDO ........................................................................................40
4.6 CONVERGENCIA ......................................................................................................41
4.6.1 Divergencia de las ruedas delanteras en los virajes ...............................................42
4.7 AMORTIGUAMIENTO Y RIGIDEZ DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN (1) .................44
4.7.1 Resonancia .............................................................................................................45
4.7.2 Amortiguación crítica ..............................................................................................45
5. TEORÍA MULTIBODY. CONCEPTOS Y APLICACIÓN. ...................................................47
5.1 INTRODUCCIÓN A MULTIBODY (6) .........................................................................47
5.2 SISTEMAS MULTIBODY: CLASIFICACIÓN (7) .........................................................49
5.3 ELEMENTOS QUE FORMAN LOS SISTEMAS MULTIBODY (7) ..............................51
5.3.1 SISTEMAS DE REFERENCIA................................................................................51
5.3.2 CUERPOS O BODIES ............................................................................................53
5.3.3 JUNTAS O JOINTS ................................................................................................54
5.3.4 ELEMENTOS DE FUERZA ....................................................................................58
5.4 ECUACIONES DE MOVIMIENTO ..............................................................................59
6. INTRODUCCIÓN A SIMULINK¿QUÉ ES SIMULINK? (8) ................................................60
6.1 BIBLIOTECA DE BLOQUES SimMechanics ..............................................................62
6.1.1 BODIES ..................................................................................................................63
6.1.2 CONSTRAINTS & DRIVERS ..................................................................................64
6.1.3 FORCE ELEMENTS ...............................................................................................64
x