El rodamiento de los neumáticos es una de las fuentes de generación de ruido; por lo que es de suma importancia un mejor entendimiento del mecanismo dinámico que produce este ruido; en esta nota te decimos cómo es posible hacerlo usando vibrometría láser.

Formas operacionales de deflexión 3D dinámicas capturados con un Vibrómetro Láser Xtra; ayudan a revelar la fuente de ruido por la rotación de los neumáticos

Debido a una amplia gama de condiciones de conducción; el rodamiento de los neumáticos transmite una cantidad significativa de ruido (NVH). Hacia la parte interior y exterior de la cabina de pasajeros. Este ruido por rotación de los neumáticos se debe normalizar debido, principalmente a tres factores importantes:

  • El ruido de la carretera ocasionado por rotar los neumáticos reduce la experiencia de conducción y pudiera, en su caso; perturbar a los vecinos a lo largo del camino.
  • Las nuevas reglamentaciones que limitan el ruido de neumáticos están siendo exigidas en muchos países. Interesados en reducir el ruido en zonas urbanas.
  • Sin el ruido del motor de combustión interna; la excepcional tranquilidad y comodidad de los vehículos eléctricos puede ser demeritada por el ruido generado de sus neumáticos.

Por lo tanto, para limitar la cantidad del ruido de neumático; es sumamente importante una mejor comprensión del mecanismo dinámico que produce este ruido y para dicho entendimiento; es necesario la medición exacta del comportamiento de vibraciones de la rotación de la superficie del neumático. Las clásicas mediciones que se utilizan con micrófonos sencillos para cuantificar las amplitudes del ruido dentro y fuera de un vehículo; casi no proporcionan una visión exacta del origen físico del ruido. Incluso con acelerómetros colocados en puntos críticos no se puede obtener la resolución espacial; (finura de detalles) y de frecuencia necesarias para una caracterización exacta. Básicamente, las mediciones de NVH [Noise (ruido), Vibration (vibración) y Harshness (dureza)]. Y otros métodos clásicos no son útiles para resolver este problema.

Vibrometría con escaneo 3D sin contacto como una solución de medición

Para una prueba modal de neumáticos, un escaneo con vibrometría de campo completo es la elección ideal. Y en esta aplicación en especial, al añadir la sensibilidad Xtra óptica se logra mostrar todo su potencial; permitiendo realizar mediciones directamente sobre el caucho negro sin la necesidad de la preparación de la superficie. Aquí, con los Vibrometros Xtra de Polytec; se obtuvo una medición sobre los neumáticos con una velocidad de rotación de giro equivalente a una velocidad de unos 100 km/h. Polytec desarrollo su Vibrómetro Xtra utilizando una fuente de rayos láser infrarrojos para facilitar la medición sobre superficies poco accesibles.

Vibrometro

El Vibrometro Xtra sigue siendo del tipo seguro para los ojos (clase II), tiene un láser piloto visible y tiene sensibilidad extra, así como un aumento de 2,5 x en velocidad máxima hasta 30 m/s. Ahora, el escaneo con el vibrometro con la tecnología opcional Xtra puede medir las formas de deflexión de rotación de los neumáticos de una manera mucho más simple, más rápida y exacta, dando una visión clara del origen del ruido de los neumáticos.

 

Imagen 1: Montaje en el laboratorio. Las tres cabezas de vibrómetro son montadas en una estructura (lado derecho de la imagen). El banco de prueba con rodillos se encuentra del lado izquierdo con el neumático encima. El espejo ubicado en el extremo izquierdo es usado para simplificar el reposicionamiento del láser del vibrómetro.

 

Configuración de la prueba

Se construyó una versión de laboratorio de un “banco de prueba con rodillos” para comprobar la capacidad del nuevo vibrómetro 3D Xtra, así como para mejorar y simplificar la captura de datos del neumático en un sistema real de rotación. El accesorio de prueba consistía en un pequeño neumático de 25 cm de diámetro que rodaba sobre el eje de transmisión de un motor eléctrico. El vibrómetro de escaneo láser 3D Xtra tenía sus tres cabezas montadas en una estructura que se colocaba en la mesa del laboratorio cerca del banco de pruebas. Esta estructura simplificó el reposicionamiento de las cabezas para cubrir diferentes partes del neumático. También se usó un espejo grande para acceder a diferentes partes del neumático sin mover la estructura con el vibrómetro.

configuración

Con esta configuración de medición tan simple, se obtuvieron resultados similares a los obtenidos con un neumático en un banco de pruebas de rodillo comercial. En la imagen 2, se muestra el espectro promediado sobre todos los puntos a lo largo de las tres direcciones (ver los tres colores diferentes).

 

Imagen 2: Promedio del espectro sobre todos los puntos. La vibración ortogonal x,y,z, está representada en colores separados.

 

En la imagen 3, la ampliación de la escala muestra los detalles del espectro de 200 Hz a 400 Hz. Es fácil distinguir una forma de onda tipo peine en el espectro. Esta forma también se observa en estudios reales con bancos de prueba con rodillos que utilizan el vibrometro láser Xtra. Los picos en esta forma de onda ocurren en múltiplos de la velocidad de rotación del neumático. Para el caso de los neumáticos con dibujo de banda de rodadura, esto puede explicarse por el contacto periódico de las bandas de rodadura (y las bolsas de aire intermedias) con la superficie de la carretera. Con el uso de esta configuración de medición, claramente se permite ver el efecto del diseño de la banda de rodadura sobre las resonancias estructurales del neumático a diferentes velocidades y bajo diferentes condiciones de carga.

Imagen 3: Espectro detallado de la figura 2 que muestra el centro cercano de 300 Hz

 

Captura simplificada de formas de deflexión

Con las cabezas del sensor 3D Xtra, se puede medir un área mucho más grande de la superficie de rodadura. Cuando se completa la primera medición, las cabezas se reposicionan para capturar la segunda superficie en rotación. La segunda posición es conocida con relación 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 la superficie se pueden unir, lo que da lugar a una sola forma de deflexión completa y una animación. El uso de esta técnica permite incluir incluso, la medición de la pared lateral, facilitada por el espejo.

Al extender esta técnica, el neumático puede cubrirse rápidamente con porciones unidas de superficie relativamente grandes, medidas con los cabezales del vibrómetro Xtra. Esta opción permite una excelente relación señal/ruido (SNR) a pesar de la superficie negra del neumático en rotación rápida y de las áreas de medición más grandes. Algunas formas típicas de deflexión se muestran en la imagen 4 a 396 y 468 Hz, respectivamente. Se puede observar claramente el patrón típico de varios máximos en la superficie de rodadura. Además, se obtienen resultados muy similares en soportes comerciales de prueba de neumáticos.

 

Imagen 4: Formas de deflexión medidas a 396 y 468 Hz

 

 

Conclusión

En conclusión, la tecnología de detección infrarroja opcional para vibrómetros de escaneo 3D; capta claramente los patrones espectrales y las formas de deflexión de las superficies de rodamiento rápido. Proporcionando información importante sobre el comportamiento de vibración de la superficie del neumático que es el origen del ruido emitido. Estos resultados con alta exactitud, combinados con simulaciones numéricas de los neumáticos; permitirán la verificación y validación del análisis con modelos de elemento finito (FE) con alta densidad de datos; así como el control y la minimización del ruido provocado por los neumáticos en rotación a través de un mejor diseño.


Referencia: Polytec. Aplications, “Understanding Road Noise Xtra 3D Scanning Vibrometry on Rolling Tires” [documento en línea https://www.polytec.com/fileadmin/d/Vibrometrie/OM_AN_VIB_C_008_Tire_Testing_E_42457.pdf acceso: noviembre de 2017]. 

 

 


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