Optimización de suspensiones hidroneumáticas con amortiguador integrado

Abstract

En esta Tesis Doctoral se desarrollan los principios básicos que rigen el comportamiento dinámico de un cilindro de suspensión hidroneumática, concibiendo métodos que lo optimizan y explotan al máximo sus propiedades innatas. La optimización de un sistema conlleva en primer lugar conocer las prestaciones originales que se pretende mejorar, para después hacerlo adaptable a las diversas circunstancias de trabajo mediante la actuación sobre los factores que definen su funcionamiento.<br/>El comportamiento elástico de la suspensión puede ser descrito mediante el uso de un índice politrópico instantáneo, tal como se demuestra en esta Tesis. Tras encontrar analíticamente la relación entre el índice politrópico y el calor irreversible generado durante el proceso de compresión del gas real de la cámara neumática, se demuestra cómo es posible variar la frecuencia propia del sistema de suspensión, presentándose un método sencillo que permite modificar en tiempo real la rigidez neumática, consistente en la construcción de una cámara neumática doble, o discontinua, y la implantación entre ambas de una tobera de conductan-cia variable, de forma que se pueda gobernarse desde el exterior la generación interna e irreversible de calor.<br/>Vista la importancia del índice politrópico instantáneo definido en esta Tesis, se realiza un estudio exhaustivo de su evolución en función de la pérdida irreversible de trabajo útil. Se demuestra que la relación de calores específicos, es su límite superior sólo en el caso hipotético de compresión cuasiestática y adiabática de un gas perfecto. Las expresiones encontradas en la Tesis por fin justifican que se hallen experimentalmente valores del índice superiores a &#61543;&#61472;, y que incluso estimar esta última mediante correlaciones para gas real resulte insuficiente. Si bien hasta ahora el índice politrópico del proceso se consideraba una entrada a cualquier modelo matemático que pretendiera estimar la evolución de las variables termo-dinámicas involucradas, debe dejar de serlo por ser su valor indicador de las propiedades mecánicas de la cámara neumática, y por tanto, de las características elásticas de la suspensión. <br/>El coeficiente de amortiguación de una suspensión hidroneumática no depende exclusivamente de la característica presión vs caudal de la válvula amortiguadora y por tanto de la velocidad del proceso, sino que también es función de la geometría interna del cilindro y del rozamiento entre los diferentes componentes en movimiento relativo. En esta Tesis se ha implementado un algoritmo que permite incluir el stick-slip en el programa de simulación y así obtener una respuesta más exacta del sistema.<br/>Se utiliza la técnica de representación BondGraph en cada una de las partes, para completar el estudio realizado y permitir una formulación gráfica de las ecuaciones del sistema. Se dis-pone, una vez concluida la Tesis, de una simulación por ordenador que responde de forma excelente en el rango completo de trabajo y permite, siempre con la precaución debida, ex-trapolar prestaciones a situaciones o configuraciones no ensayadas.

This Doctoral Thesis presents the main principles governing the dynamics of a hydropneumatic suspen-sion for road vehicles, introducing new methods to optimize and to maximize their innate properties, and making them adaptable to different operative circumstances.<br/>The elastic behaviour of the suspension can be described by using an instantaneous polytropic index, as is demonstrated in this thesis. After finding analytically the relationship between the polytropic index and the irreversible heat generated during the process of compression of the gas, it is shown how it is possible to vary the natural frequency of the suspension system, presenting a simple method that allows changes in pneumatic stiffness in real time. The method consists in the construction of a pneumatic dou-ble chamber, or discontinuous, and the implantation of a variable conductance nozzle between them. This procedure allows governing the internal generation of irreversible heat. <br/>In this Thesis is demonstrated that the ratio of specific heats is the polytropic upper limit only in an ideal, near-static and adiabatic, compression process for an ideal gas. It is not enough using real gas properties because the polytropic index depends on the internal heat generated and can be bigger than the specific heats ratio. So, the polytropic index is not used to estimate the evolution of the thermody-namic variables involved, pressure, temperature and density, but it is shown to be an indicator of the mechanical properties of the pneumatic chamber, and therefore, the elastic characteristics of the suspen-sion.<br/>In a hydropneumatic suspension the damping coefficient is not only dependent of the characteristic pres-sure vs. flow relationship, and hence the speed of the process, but also is a function of the internal ge-ometry of the cylinder and the friction between the various components moving on. In this thesis it is implemented an algorithm to include the stick-slip in the simulation program and thus get a more accu-rate response of the system.<br/>This Thesis uses the bondgraph technique to modelling in a graphical way the equations of the system. An accurate computer simulation program is used that has been proved to include the main design fac-tors in the full range of work.