UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERIA TÉCNICA INDUSTRIAL: MECÁNICA OPTIMIZACIÓN DEL MODELO BOUC-WEN DE UN AMORTIGUADOR MAGNETO- REOLÓGICO MEDIANTE ALGORITMOS GENÉTICOS AUTOR: D. DIEGO OVIEDO GUTIÉRREZ TUTOR: Dra. BEATRIZ LÓPEZ BOADA Dra. Mª JESÚS LÓPEZ BOADA Abril 2010 1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 7 1.1. Objetivos ............................................................................................................... 7 1.2. Organización del proyecto .................................................................................. 7 2. LA SUSPENSIÓN .................................................................................................... 10 2.1. El pasado ............................................................................................................ 11 2.2. El presente .......................................................................................................... 13 2.2.1 Características que debe reunir la suspensión ............................................. 13 2.2.2 Influencia de la carga en la suspensión ........................................................ 14 2.2.3 Efectos de un elemento de flexibilidad variable ............................................ 14 2.3. Componentes de la suspensión ......................................................................... 15 2.3.1 Elementos de suspensión simples .................................................................. 15 2.3.2 Barras estabilizadoras ................................................................................... 18 2.3.3 Silentblocks y cojinetes elásticos ................................................................... 19 2.3.4 Rótulas ........................................................................................................... 19 2.3.5 Mangueta y buje ............................................................................................ 20 2.3.6 Trapecios o brazos de suspensión ................................................................. 20 2.3.7 Tirantes de suspensión .................................................................................. 21 2.3.8 Topes de suspensión ...................................................................................... 21 2.3.9 Amortiguadores ............................................................................................. 21 2.4. Tipos de suspensión mecánica .......................................................................... 22 2.4.1 Suspensiones rígidas ..................................................................................... 22 2.4.2 Suspensión semi-rígida .................................................................................. 24 2.4.3 Suspensión independiente .............................................................................. 25 2.5. Suspensiones regulables o pilotadas ................................................................. 31 2.5.1 Suspensiones activa ....................................................................................... 32 2.5.2 Suspensiones semiactivas .............................................................................. 33 3. EL AMORTIGUADOR ........................................................................................... 36 3.1 Función de los amortiguadores ......................................................................... 36 3.2. Descripción del funcionamiento y partes del amortiguador .......................... 37 3.2.1. Tipos de amortiguadores .............................................................................. 38 3.3. Amortiguadores magneto-reológicos ............................................................... 47 4. MATERIALES INTELIGENTES .......................................................................... 51 4.1 Materiales con memoria de forma .................................................................... 52 4.1.1 Materiales electro y magneto-activos ............................................................ 54 4.1.2 Materiales foto y cromo-activos. ................................................................... 54 4.1.3 Fluidos electro-reológicos y fluidos magneto-reológicos ............................. 55 4.2 Fluidos reológicos ............................................................................................... 56 4.3 Fluidos magneto-reológicos ............................................................................... 58 4.4 Aplicaciones de los fluidos magneto-reológicos ............................................... 59 4.4.1 Suspensión de los asientos para vehículos de trabajo pesado. ..................... 59 4.4.2 Amortiguadores de vibración ........................................................................ 60 4.4.3 Control de vibración sísmica en estructuras ................................................. 60 4.4.4 Prótesis médicas ............................................................................................ 61 4.5 Amortiguación por fluidos magneto-reológicos en vehículos ......................... 62 4.5.1 Beneficios ...................................................................................................... 63 5. MODELADO DE UN AMORTIGUADOR MAGNETO-REOLÓGICO ........... 65 5.1 Modelos de Bouc-Wen ........................................................................................ 66 6. ALGORITMOS GENÉTICOS ............................................................................... 70 6.1 El Algoritmo Genético Simple ........................................................................... 71 6.1.1 Codificación .................................................................................................. 72 6.2 Extensiones y Modificaciones del AGS ............................................................. 72 6.2.1 Población ....................................................................................................... 72 6.2.2 Función objetivo ............................................................................................ 73 6.2.3 Selección ........................................................................................................ 75 6.2.4 Cruce ............................................................................................................. 77 6.2.5 Mutación ........................................................................................................ 80 6.2.6 Reducción ...................................................................................................... 82 6.2.7 Algoritmos Genéticos Paralelos .................................................................... 83 6.2.8 Evaluación de Algoritmos Genéticos ............................................................ 84 7. RESULTADOS EXPERIMENTALES .................................................................. 87 8. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS ........................................... 101 8.1. Conclusiones ..................................................................................................... 101 8.2. Desarrollos futuros .......................................................................................... 101 9. ANEXO .................................................................................................................... 103 10. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 106 1 Introducción INTRODUCCIÓN 1. INTRODUCCIÓN El sistema de suspensión constituye una de las partes más importantes de un vehículo en cuanto a seguridad y confort se refiere. Las funciones principales de un sistema de suspensión son la de absorber las irregularidades del terreno y la de mantener el contacto del neumático con la calzada evitando, con ello, la pérdida de adherencia. Hoy en día se están realizando numerosas investigaciones para mejorar la respuesta del sistema de suspensión mediante la incorporación de elementos que pueden variar sus propiedades de amortiguación o de rigidez (suspensiones semiactivas) o de actuadores que introducen una fuerza al sistema (suspensiones activas). Dentro del primer grupo de suspensiones están cobrando cada vez más importancia los amortiguadores magneto-reológicos debido a su gran rapidez de respuesta, del orden de milisegundos. Este tipo de amortiguador es el principal objetivo de estudio en este Proyecto Fin de Carrera. 1.1. Objetivos Los principales objetivos que se pretenden conseguir en el presente proyecto fin de carrera son los siguientes: • Caracterizar el comportamiento dinámico de un amortiguador magneto- reológico. • Ajustar unos parámetros a un modelo que permita simular el comportamiento dinámico del mismo. 1.2. Organización del proyecto El contenido del proyecto fin de carrera se encuentra distribuido en 9 capítulos, el primero de los cuales está formado por la presente introducción. El capítulo 2 presenta el sistema de suspensión, donde se muestran sus funciones y requisitos, así como los tipos existentes. En el capítulo 3 se muestra el amortiguador, donde se describe su principio de funcionamiento básico, así como los distintos tipos de amortiguadores existentes. El capítulo 4 muestra el amortiguador magneto-reológico, así como los materiales que lo conforman, “materiales inteligentes”, entre los que se encuentran los fluidos reológicos, destacando los fluidos magneto-reológicos. Por otro lado, también se trata la amortiguación por fluidos magneto-reológicos, así como sus aplicaciones fundamentales. 7 INTRODUCCIÓN En el capítulo 5 se describen los diferentes modelos propuestos para caracterizar el comportamiento de un amortiguador magneto-reológico, dedicando especial atención al modelo de Bouc-Wen. El capítulo 6 presenta la técnica de Algoritmos Genéticos (AGs), que se emplearán para resolver el problema de optimización que se plantea en el presente proyecto. El capítulo 7 muestra los resultados experimentales obtenidos a partir de los ensayos realizados. Por otro lado, las principales conclusiones que han sido obtenidas a partir de dichos resultados experimentales se mostraran en el capítulo 8, así como las futuras líneas de desarrollo. 8 2 La Suspensión LA SUSPENSIÓN 2. LA SUSPENSIÓN Se llama suspensión al conjunto de elementos elásticos que se interponen entre los órganos suspendidos (bastidor, carrocería, pasajeros y carga) y los órganos no suspendidos (ruedas y ejes) de un vehículo [1]. En la figura 2.1 se muestra la disposición del conjunto de la suspensión en un Renault Laguna. La suspensión de un vehículo tiene como cometido “absorber” las desigualdades del terreno sobre el que se desplaza, a la vez que mantener las ruedas en contacto con el pavimento, proporcionando un adecuado nivel de confort y seguridad de marcha. Se puede decir que sus funciones básicas son las siguientes: • Reducción de fuerzas causadas por irregularidades del terreno. • Control de dirección del vehículo. • Mantenimiento de la adherencia de los neumáticos a la carretera. • Mantenimiento de la correcta alineación de la ruedas. • Soporte de la carga del vehículo. • Mantenimiento de la altura óptima del vehículo. Figura 2.1 Disposición del conjunto de la suspensión del Renault Laguna 10