ESTUDIO DE UN SISTEMA DE DIRECCIÓNINTEGRAL PARA VEHÍCULOS

Proyecto Fin de Carrera

UNIVERSIDADE DA CORUÑAEscola Politécnica Superior. Ferrol

INGENIERÍA INDUSTRIAL

Autor: Daniel Dopico DopicoTutor: Javier Cuadrado Aranda

Marzo 2002

ORIGEN DEL ESTUDIO

• Inventor: Encargo al CIS-Ferrol de estudio de patente de SDI

• CIS-Ferrol: Contacto con Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la UDC

• LIM: Solicitud de Proyecto Xunta de GaliciaImporte: 10.000.000 ptasInvestigador Principal: Javier CuadradoProyecto en colaboración con CIS-FerrolDuración: Enero 1999, Diciembre 2000

ANTECEDENTES

• Revisión bibliográfica: SAE, MAZDA, etc• Patentes• SDI actuales son sistemas que actúan las ruedas

traseras de modo hidráulico, controladas electrónicamente.

• Sistemas electrónico-hidráulicos son muy versátiles

• Sistemas completamente mecánicos más robustos pero menos versátiles

PARTES DEL PROYECTO

• ESTUDIO DE LA PATENTE– Defectos encontrados– Soluciones aportadas

• SIMULACIÓN CINEMÁTICA DEL SDI– Visualización del mecanismo en movimiento

• SIMULACIÓN DINÁMICA DEL SDI– Implementación en un vehículo virtual– Simulación por ordenador del comportamiento

del vehículo

68

5

7

9

15

11

10

22

3

4

11

12

16

17

PATENTE ORIGINAL

68

5

7

9

15

11

10

22

3

4

11

12

16

17 68

5

7

9

15

11

10

22

3

11

12

16

17

4

DESCRIPCIÓN DE LA

PATENTE

ESTUDIO Y MEJORA DE LA PATENTE

• CABLES:– Solución ineficaz– Defectos cinemáticos

• Dentados sobrantes• Problemas en el diseño de la cadena de

dirección trasera:– Condición de no-deslizamiento

ESTUDIO Y MEJORA DE LA PATENTE

• Parte delantera:– Defecto cinemático– Mecanismo inválido.

ESTUDIO Y MEJORA DE LA PATENTE

• Parte trasera– Mecanismo con cero

grados de libertad– Criterio de Grübler

( ) ( )

IIclasedepares:pIclasedepares:p

fijoelincluidoelementosnº:n0222133213

II

I

=−⋅−−=−−−= III ppnG

ESTUDIO Y MEJORA DE LA

PATENTE

B2 B3

C1

D1E1

E2

E3

E4

D2

C2

D2

D1

T1

ϕ1

desconectado

mismosentido

sentidosopuestosSOLUCIÓN

PROPUESTA

C1

D1E1

E2

E3

E4

D2

C2

D2

D1

T1

ϕ1

desconectado

mismosentido

sentidosopuestos

ϕ5

C1

D1E1

E2

E3

E4

D2

C2

D2

D1

T1

ϕ1

desconectado

mismosentido

sentidosopuestos

ϕ5

ESTUDIO Y MEJORA DE LA PATENTE

43

1 2

η1

ξ1

L

D

d

Condición de no-deslizamientoen vehículo convencional

1

11

tg1

tgtgη

ηξ

Ld

+=

ESTUDIO Y MEJORA DE LA PATENTE

2η1

ξ1

L

D

d

4

1

χ 1 κ 1

L 1L 2

3

Condición de no-deslizamiento en posición sentidos opuestos

( ) ( )

( )( )

( )( )11

11

11

11

111

tgtg1

tgtg3

tgtg1

tgtg2

1

ηχ

χκ

χη

ηξ

ηχχ

+⋅+=

+⋅+=

=

Ld

Ld

( ) ( ) ( )11 tgtg1 ηχ ⋅= k

( )( )

( )( ) 1

11

1

11

tg11

tgtg3

tg11

tgtg2

η

ηκ

η

ηξ

⋅+⋅+

⋅=

⋅+⋅+=

kLd

k

kLd( )

( )

( ) ( ) ( )11

1

11

tgtg3

tg11

tgtg2

ξκ

η

ηξ

⋅=

⋅+⋅+=

k

kLd

ESTUDIO Y MEJORA DE LA PATENTE

2η2

ξ2

L

D

d

4

1

χ2

κ2

L 2

L 1

3

Condición de no-deslizamiento en posición mismo sentido

( ) ( )

( )( )

( )( )22

22

22

22

222

tgtg1

tgtg3

tgtg1

tgtg2

1

χη

χκ

χη

ηξ

ηχχ

−⋅+=

−⋅+=

=

Ld

Ld

( ) ( ) ( )22 tgtg1 ηχ ⋅= k

( )( )

( )( ) 2

22

2

22

tg11

tgtg3

tg11

tgtg2

η

ηκ

η

ηξ

⋅−⋅+

⋅=

⋅−⋅+=

kLd

k

kLd( )

( )

( ) ( ) ( )22

2

22

tgtg3

tg11

tgtg2

ξκ

η

ηξ

⋅=

⋅−⋅+=

k

kLd

Diseño de la cadena trasera de dirección

• Problema de síntesis cinemática:– Datos: r1, r2

– Incógnitas: r3, r4, β

r 2

r 4

r3φ

r1

βα

ψ

nnn αβψφ

αβψφαβψφ

+−=→

+−=→+−=→

M222

111

– Posiciones de precisión

conocidos,,,,,,, 2121 nn αααφφφ LL

Diseño de la cadena trasera de dirección

( )[ ] ( )[ ]

( )[ ]

( )[ ]

( )[ ] ( ) ( )[ ]{ }⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛=

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⋅−−⋅−+⋅−−⋅⋅

−+⋅−

−+⋅−

+

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−⋅⋅−−⋅

∑

∑

∑

∑∑

∑

∑∑

=

=

=

==

=

==

000

sensencossensencos

coscos

coscoscos

sensencossensen

cos

coscos

1222

12

12

3

1

12

12

1

11

2

n

iiiiiiiiii

n

iiii

n

iiiii

n

iiii

n

iiiii

n

ii

n

ii

n

ii

kkk

k

k

kk

kk

n

ψψφψφψψφψ

ψφψ

ψφψφ

ψφψφψφψ

φ

φφ( )( )( )

42

24

23

22

21

34

11

3

3

3

1

3

2

3

2

1

2

1

3

1

1

1

3

2

11

3

1

1

3

1

313

312

311

2;

fff

fff

fff

siendo

fff

0,,f0,,f0,,f

rrrrrrk

rrk

kk

kk

kk

kk

kk

kkkkkk

iii

⋅+−+

==

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛⋅−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛⇒

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

===

−

+

β

β

β

βββββ

i

i

J

J

SIMULACIÓN CINEMÁTICA

MODELIZACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO

• Coordenadas mixtas

PROBLEMA DE VELOCIDAD

PROBLEMA DE POSICIÓN

PROBLEMA DE ACELERACIÓN

qΦΦqΦΦ qTqq

Tq &&&& −=

( ) ( ) ( )iTqi1iiq

Tq qΦΦqqqΦΦ −=−⋅ +

0=qΦΦ qTq &

SIMULACIÓN CINEMÁTICA

[ ][ ] 1−−−= v2v1p1p2v2v1p1p2A

SIMULACIÓN CINEMÁTICA

VIDEO CINEMÁTICO

SIMULACIÓN DINÁMICA

SIMULACIÓN DINÁMICA

Obtener el movimiento del sistema conocidas las fuerzas que actúan sobre él

Predecir el comportamiento del sistema (vehículo) a lo largo del tiempo, sin necesidad de construir un prototipo

Ecuaciones de la dinámicaEcs. LAGRANGE en

coordenadas dependientes:Sistema de ecs.diferenciales-

algebraicas (DAE) 0=

=+

Φ

QλΦqM qt&&

Sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias

(ODE)

Formulación dinámica

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

Δ+

Δ−=+

Δ=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +Δ

−=+Δ

=

++

++

nnnnnnn

nnnnnn

ttt

tt

qqqqqqq

qqqqqq

&&&&&&&&&

&&&&

44ˆconˆ4

2ˆconˆ2

2121

11

Regla trapezoidal implícita de paso simple

Integración numérica

1**

1

*

++ +=

=++

iii

tt

Φλλ

QλΦΦΦqM qq

α

α&&

Lagrange aumentado con proyecciones de velocidades y aceleraciones

SIMULACIÓN DINÁMICA

[ ][ ] 1−−−= v2v1p1p2v2v1p1p2A

Maniobras realizadas

Cambio de sentido

Aparcamiento

Maniobras a baja velocidad: Mejoras en la maniobrabilidad

Maniobras realizadas

Curva rápida (60 km/h)

Maniobras a gran velocidad: Mejoras en el comportamiento

Rotonda (75 km/h)

Herramientas Informáticas

• Rutinas de cálculo implementadas en FORTRAN

• Modelización de sólidos en I-DEAS

• Salida gráfica: Utilización de la librería gráfica OPEN INVENTOR v2. Programación en C++

Publicaciones derivadas

• CEIG 2001– TÍTULO: Estudio de un Sistema Mecánico de Dirección Integral

para Vehículos Todoterreno– REFERENCIA: Actas del congreso, pp. 337-340– LUGAR: Gerona, España. AÑO: Jul 2001

• Artículo enviado a revista internacional– TÍTULO: A Fully Mechanical Rear Axle Steering System for

Ground Vehicles– REVISTA: Vehicle System Dynamics

• Artículo enviado a XV Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (a celebrar):– TÍTULO: Sistema Mecánico de Dirección Integral para Vehículos– LUGAR: Cadiz, España. AÑO. Dic.2002

Publicaciones derivadas

Conclusiones• Se ha conseguido que funcione y se ha mejorado el

mecanismo. Mecanismo que funciona y es robusto• Se ha realizado la simulación cinemática que permite ver el

funcionamiento del mecanismo• Se ha realizado la simulación dinámica que permite ver las

ventajas del sistema. Se distinguen:– Maniobras a baja velocidad: Relaciones de giro elevadas en las

ruedas traseras. Giro a sentidos opuestos o mismo sentido– Maniobras a alta velocidad: Relaciones de giro pequeñas para las

ruedas traseras. Giro a mismo sentido

• Jugando con los engranajes se puede conseguir un mecanismo que compita en versatilidad con los electrónico-hidráulicos.