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Medición de ruido y vibración en neumáticos en movimiento
Para diversas condiciones de manejo; los neumáticos en movimiento estimulan una cantidad significativa de ruido que puede ser percibido dentro o fuera de la cabina.
Las formas dinámicas de desviación operativa en 3D capturadas con un vibrómetro de escaneo Xtra ayudan a revelar la fuente del ruido de los neumáticos en movimiento.
El ruido de los neumáticos debe ser considerado por tres principales razones:
- El ruido de rodadura hecho por los neumáticos en movimiento reduce la experiencia de manejo y es una molestia para los vecinos que se encuentran cerca de la carretera.
- Se esperan nuevas regulaciones para limitar el ruido de neumáticos en muchos países preocupados por el ruido del área urbana.
- Sin combustión interna, el silencio excepcional de los autos eléctricos puede ser arruinado por el ruido generado por los neumáticos.
Consecuentemente, para limitar la cantidad de ruido en el neumático, es crítico tener un mejor entendimiento del mecanismo dinámico que produce el ruido, para esto, es necesario realizar la medición precisa del comportamiento de vibración en la superficie del neumático. Las mediciones clásicas que utilizan micrófonos simples para cuantificar las amplitudes de ruido dentro y fuera de un automóvil casi no permiten conocer los orígenes físicos del ruido con exactitud. Incluso, los medidores de aceleración colocados en lugares críticos no pueden dar la resolución espacial y de frecuencia necesaria para una caracterización exacta. Básicamente, las medidas y métodos clásicos de NVH no son útiles para resolver este problema.
Medición de vibración sin contacto como solución de medición
Para las pruebas modales de los neumáticos, el vibrómetro de exploración de campo completo PSV500-3D de Polytec es la opción ideal. Este modelo cuenta con la opción Xtra para una mayor sensibilidad óptica, las mediciones se pueden hacer directamente en neumáticos de goma negra girando a una velocidad equivalente a la de un automóvil que viaja a más de 100 km/h, sin la necesidad de ninguna preparación de superficie para mejorar la reflectividad.
La tecnología Xtra está basada en una fuente de láser infrarrojo que facilita la medición en superficies no cooperativas y rotativas, ambas presentes en las pruebas de neumáticos.
El sensor del vibrómetro se caracteriza por ser un láser seguro para los ojos (clase II) y un láser de alineación visible. Para superar las propiedades ópticas y mecánicas adversas de un neumático negro giratorio con una sensibilidad óptica superior, es indispensable contar con la capacidad de recopilar y procesar suficiente luz de la muestra.
El otro desafío para la medición proviene del hecho de que se necesita medir pequeñas magnitudes de vibración superpuestas a señales muy grandes de la rotación. Técnicamente, un componente de DC alto debe separarse de un componente de AC diminuto que es responsable de las emisiones acústicas.
La solución aparente es muy simple: se debe combinar la tecnología Xtra con un filtro de seguimiento “lento” especialmente diseñado. Esta combinación cumpliría con todos los requisitos necesarios y permitiría medir directamente las formas de deflexión de los neumáticos que giran a altas velocidades, sin preparación de la superficie, lo que brinda una visión importante del origen del ruido de los neumáticos de una manera sencilla y directa.
Configuración de la prueba
Se construyó una versión de laboratorio de una “prueba de rodamiento” para verificar la solución propuesta y la capacidad del nuevo sistema del vibrómetro PSV500-3D Xtra para mejorar y simplificar la captura de datos en un neumático que realmente va rodando. El dispositivo de prueba rudimentario consistía en un pequeño neumático de 25 cm de diámetro que rodaba sobre el eje de un motor eléctrico (Figura 1). El sistema PSV500-3D Xtra tenía sus tres cabezas montadas en un marco común y colocadas en la mesa de laboratorio cerca del banco de pruebas.
Las tres cabezas de los sensores del vibrómetro están montadas en un marco común ubicado a la derecha. El banco de pruebas de rodillo está a la izquierda con el neumático en la parte superior y el motor en la parte inferior. El espejo en un marco negro y ubicado en el extremo izquierdo se utiliza para simplificar el reposicionamiento del patrón de exploración del vibrómetro.
Esta estructura común simplificó el reposicionamiento de las cabezas al cubrir diferentes partes del neumático. También se usó un espejo grande para acceder a diferentes partes del neumático sin movimiento de la estructura común.
Con esta sencilla configuración de medición, se obtuvieron resultados similares en comparación con los obtenidos con un neumático de automóvil real en un banco de pruebas de rodillos comercial. En la figura 2, se muestra el espectro promediado en todos los puntos a lo largo de las tres direcciones (vea los tres colores diferentes).
En la Figura 3, una escala ampliada muestra los detalles del espectro de 200 Hz a 400 Hz. Una característica similar a una cresta se distingue fácilmente en el espectro. Esta característica también se observa en los estudios de banco de pruebas de rodillos reales que utilizan los vibrómetros de barrido Xtra. Los picos en esta característica de cresta ocurren en múltiplos de la velocidad de rotación del neumático. Para neumáticos con un dibujo de la banda de rodadura, esto puede explicarse por el contacto periódico de las bandas y las bolsas de aire intermedias, con la superficie de la carretera. Claramente, esta configuración de medición permite la observación del efecto del diseño de la banda de rodadura en las resonancias estructurales del neumático, a diferentes velocidades y bajo diferentes condiciones de carga.
Captura simplificada de formas de deflexión
Con los cabezales de sensores Xtra, se puede medir un área mucho más grande de la superficie de rodadura en un solo escaneo. Cuando se completa la primera exploración de la superficie, las cabezas se vuelven a colocar para capturar una segunda superficie de rodadura. La segunda posición es conocida con respecto a la primera posición al usar puntos de referencia con coordenadas de posición conocidas, detectadas por un sensor de distancia incorporado.
De esta manera, los resultados de cada medición de superficie se pueden unir entre sí, lo que lleva a una forma de deflexión unificada y una animación de esa forma.
Al extender esta técnica, el neumático y su pared lateral se pueden cubrir rápidamente, aprovechando menos escaneos que cubren áreas de superficie más grandes y posteriormente se unen.
La opción Xtra permite una excelente relación señal/ruido (SNR) a pesar de la rápida rotación de la superficie del neumático negro y las áreas de escaneo más grandes. Algunas formas típicas de deflexión se muestran en la figura 4 a 396 Hz y 468 Hz. En donde podemos observar un patrón típico de varios máximos en la forma de deflexión. Como es de esperar, se obtienen resultados muy similares en los bancos de pruebas de neumáticos comerciales.
En conclusión, un vibrómetro de exploración PSV-3D que utiliza la tecnología de detección infrarroja Xtra ha capturado con exactitud los patrones espectrales y las formas de deflexión de las superficies de rápido movimiento del neumático, proporcionando información importante sobre el comportamiento de vibración de la superficie del neumático que se encuentra en el origen del ruido emitido.
Estos resultados analíticos combinados con simulaciones numéricas de neumáticos permitirán el refinamiento de los modelos FE y el control y la minimización del ruido de los neumáticos resultando en un mejor diseño.
Referencia: Polytec InFocus 2019 (inglés), Publicado en abril 22 del 2019, revista digital “Keep on rolling” Pág. 24-27 Documento en línea en https://issuu.com/polytecgmbh/docs/om_infocus_2018_e_52016 último acceso junio 2019
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