Laboratorio virtual para la medición de las fuerzas de frenado en inspección del parque de vehículos industriales
- Autores: Álvaro Barba Nieto
- Directores de la Tesis: José Luis San Román García (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Viadero Rueda (presid.) , María Jesús López Boada (secret.) , Emilio Velasco Sánchez (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
1. Introducción Los vehículos automóviles precisan de un mantenimiento periódico para mantener su correcto funcionamiento. En el caso de los vehículos automóviles, dicho mantenimiento debe buscar que el funcionamiento global del vehículo durante toda su vida útil difiera, lo mínimo posible, del funcionamiento mostrado por el vehículo a la hora de su homologación. Ya que, del correcto mantenimiento de cada vehículo, depende la seguridad de la circulación en su conjunto.
Debido a lo anterior, surge la necesidad de comprobar por parte de cada Estado el funcionamiento y conservación de cada vehículo. Esta comprobación en España la realizan las estaciones de Inspección Técnica de Vehículos (ITV).
Para la realización de la inspección, se toma como referencia el Manual de Procedimiento de Inspección de Estaciones ITV. Dicho Manual recoge lo dispuesto en la Directiva de inspección vigente y enumera los puntos que deben ser revisados, el estado de conservación mínimo de los mismos y la calificación que se debe otorgar a cada elemento en función del estado o del resultado de los ensayos.
Debido a la entrada en vigor de la Directiva 2010/48/UE, el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, junto con las Comunidades Autónomas, editaron la Revisión 7ª del Manual, dejando de tener aplicación la Revisión 6ª.
La Directiva 2010/48/UE introduce el siguiente requerimiento en lo relativo a frenado: • “Se deben inspeccionar los vehículos o remolques de masa máxima autorizada (MMA) superior a 3.500 kg de acuerdo a las normas dadas por la ISO 21069 o método equivalente”.
El principal cambio que introduce es la obligación a referenciar la eficacia de frenado a la MMA del vehículo recogida en su documentación técnica, es decir, utiliza en el denominador de la ecuación de le eficacia de frenado el valor de MMA.
Previamente a la entrada en vigor a dicha Directiva la eficacia de frenado de los vehículos de más de 3.500 kg en España se referenciaba a la masa del vehículo en el momento del ensayo, es decir, se permitía sustituir la MMA de la ecuación de la eficacia de frenado por el peso del vehículo en el momento de inspección. Con ello, desaparecía la dependencia entre la eficacia de frenado y el peso en el momento en inspección, evitando falsos rechazos debido al insuficiente peso del vehículo.
Con la modificación introducida por la Directiva 2010/48/UE, se obliga a ensayar el vehículo a plena carga o bien con un estado de carga que le permita superar la eficacia de frenado mínima establecida. Como alternativa permite el uso de métodos de inspección que permitan obtener las fuerzas de frenado que desarrollaría el vehículo a plena carga.
La necesidad de ensayar el vehículo en carga o mediante métodos a través de los cuales se obtenga las fuerzas de frenado que el vehículo desarrollaría en carga se debe a la fuerte dependencia entre las fuerzas de frenado máximas que puede desarrollar un vehículo y su peso, ya que, la fuerza de frenado es aproximadamente igual a la fuerza de fricción existente entre el neumático y el frenómetro de rodillos.
Por otro lado, existen vehículos para los cuales la realización de una inspección en carga podría conllevar peligros, riesgos, molestias para los usuarios de la estación ITV y molestias para los pasajeros y/o conductor del vehículo, entre otros. Ejemplos de este tipo de vehículos no ensayables en carga son los autobuses, basureros o los vehículos de mercancías peligrosas.
Por ello, cobran importancia los métodos de medida de la eficacia de frenado que obtengan las fuerzas de frenado máximas que se obtendrían en carga a partir de ensayos con el vehículo descargado. Un ejemplo de este tipo de métodos es el Método extrapolación con un punto de medida recogido en la ISO 21069, cuyo uso está recomendado en España ante los demás propuestos por dicha norma ISO.
El principal inconveniente derivado de la aplicación de este método es la necesidad de la medición de las presiones en el circuito a la vez que se miden las fueras de frenado en el frenómetro de rodillos, para posteriormente, poder relacionar cada fuerza de frenado medida con la presión existente en ese momento en el circuito de frenos. Esto impuso la sustitución de todo el parque de frenómetros de rodillos y la adquisición, mantenimiento y calibración periódica de sensores de presión normalizados. Además, obliga también a que todos los vehículos que acudan a realizar la inspección con este método equipen tomas de presión normalizadas en sus vehículos.
Por todo lo anterior, la obtención de un método de medida de eficacia de frenado que evite la modificación de las estaciones de ITV, de los vehículos, así como la adquisición de nuevos aparatos de medida y que siga siendo fiel a los principios seguidos por las estaciones de ITV hasta ahora es deseable.
Por ello, esta tesis doctoral propone un método de ensayo basado en el funcionamiento del sistema de frenado de los vehículos y en la adherencia disponible entre el neumático y el frenómetro en el momento de la inspección.
Dicho método, llamado “fBRAKE” en esta tesis doctoral, es capaz de obtener las fuerzas de frenado que un vehículo desarrollaría en carga a partir de mediciones de fuerzas de frenado y del peso por eje en el estado de carga en el que el vehículo acude a inspección. “fBRAKE” consigue que la inspección técnica de vehículos pesados sea no solo más rápida y económica sino también más realista en lo relativo a los resultados obtenidos debido a su fundamento técnico y físico.
2. Método “fBRAKE” El principio en el que se basa el método “fBRAKE” es la obtención de las fuerzas de frenado (mediante extrapolación) que el vehículo habría obtenido en ITV si ese mismo vehículo, en las mismas condiciones internas y externas, hubiera realizado el ensayo a plena carga.
Es importante remarcar que los resultados de eficacia de frenado extrapolados que proporcionan los modelos “fBRAKE” están basados en la inspección realizada al vehículo en ITV. Por lo tanto, la eficacia de frenado extrapolada puede variar en un mismo vehículo dependiendo, por ejemplo, de si la inspección se hace en seco o en mojado, de si el material de fricción del freno es nuevo o usado, del estado de los neumáticos, etc.; al igual que pasaría en una inspección de un vehículo utilizando los otros métodos propuestos por la Directiva 2010/48/UE.
Los modelos “fBRAKE” para vehículos a motor simplifican y abaratan las inspecciones técnicas de vehículos respecto a los propuestos por la norma ISO 21069, al no requerir de la medición de presiones en el circuito de frenos del vehículo y no depender del estado de carga del vehículo. Analizando los resultados de eficacia obtenidos utilizando los modelos “fBRAKE”, estos se ajustan más a los resultados obtenidos cuando se ensaya el vehículo a plena carga que otros modelos de extrapolación. Además, es capaz de comprobar si el funcionamiento del sistema de frenado cumple con las condiciones de compatibilidad entre vehículo remolcado y remolcador exigidas en el Reglamento 13 relativo a frenado de vehículos industriales (esta comprobación no se realiza en ITV actualmente). Por todo ello, hace más eficaz la inspección de los vehículos en ITV velando por la seguridad del tráfico.
El procedimiento general para aplicar el método “fBRAKE” en inspección de vehículos es el siguiente: 1. Obtención de datos técnicos de la Ficha Técnica.
2. Medición de las máximas fuerzas de frenado sobre el frenómetro en el estado de carga que el vehículo acuda a inspección.
3. Pesaje por ejes del vehículo.
4. Introducción de estos datos en el modelo “fBRAKE”.
5. Obtención de los resultados de fuerzas de frenado extrapoladas en cada rueda.
6. Obtención de la eficacia de frenado de acuerdo a la Directiva 2010/48/UE.
El método “fBRAKE” está desarrollado de tal modo que es posible integrarse en los equipos de la línea de inspección ITV y que el volcado de los datos y la obtención de los resultados sea automática.
2.1. Modelos “fBRAKE” El método “fBRAKE” realmente se compone de 4 familias de modelos de extrapolación ajustados en función de las siguientes clasificaciones de los vehículos: • Vehículo a motor (excepto tractocamiones) • Tractocamión • Semirremolque • Remolque A su vez, cada una de las 4 familias de modelos anteriores tiene diferentes ajustes en función de la configuración del vehículo inspeccionado relativa a la distribución de sus ejes. Además, existen modelos de “fBRAKE” para los que se ha desarrollado un modelo extra atendiendo al tipo de neumáticos.
Modelo “fBRAKE” para vehículos a motor de 2 ejes La base física y matemática sobre la que se fundamenta el método “fBRAKE” para vehículos a motor son las curvas de equiadherencia e isoadherencia obtenidas a partir de las fuerzas y momentos presentes durante el frenado de un vehículo. Además, también utiliza la Ley de Coulomb del Rozamiento y el fenómeno de transferencia de masa que aparece durante el frenado.
Esta familia de modelos de “fBRAKE” utiliza las mediciones de fuerzas de frenado que se obtienen en ITV con el estado de carga que el vehículo tuviera en el momento del ensayo, las cuales son fuerzas de frenado desarrolladas en estático (sin transferencia de masa), para obtener las fuerzas de frenado que el mismo vehículo desarrollará cargado en estático (sin transferencia de masa). Para ello, se utilizan las curvas de equiadherencia con los datos de fuerzas de frenado medidos en la estación ITV corregidos para estimar las fuerzas de frenado que se hubieran obtenido a partir de un ensayo dinámico (con transferencia de masa). Esto es debido a que tanto las curvas de equiadherencia como las de isoadherencia tienen implícito el efecto de transferencia de masa.
Modelo “fBRAKE” para semirremolques Otro grupo muy importante de vehículos, debido a su número en el parque de vehículos y al elevado peso que transportan, es el de los semirremolques. Estos pueden llegar a transportar una carga superior a las 30 toneladas, que sumada al peso del tractocamión que les remolca llega hasta un máximo autorizado de 40 toneladas en España.
La familia de modelos de “fBRAKE” para semirremolques está basado en los requisitos de compatibilidad en el frenado que exige el Reglamento 13.
Al igual que los modelos “fBRAKE” para vehículos a motor, los modelos “fBRAKE” para semirremolques utilizan las mediciones de fuerzas de frenado que se obtienen en ITV con el estado de carga que el vehículo tuviera en el momento del ensayo. Con estos datos, los modelos extrapolan las fuerzas de frenado para calcular las fuerzas de frenado que se obtendrían con el vehículo cargado hasta su MMA.
Modelo “fBRAKE” para remolques Otro grupo importante de vehículos es el de los remolques. Estos vehículos pueden llegar a pesar hasta 24 toneladas en el caso de remolques de 3 ejes. Estos remolques circulan acoplados a otro camión formando un tren de carretera (con un peso total de la combinación de hasta 40 toneladas). Recientemente se ha aprobado la circulación de estos vehículos formando una “Configuración Euromodular” la cual permite un conjunto de vehículos con más de 6 líneas de ejes, con un peso de conjunto de hasta 60 t y una longitud del conjunto de hasta 25,25 m.
Estas combinaciones de vehículos deben cumplir los requisitos de compatibilidad en el frenado que exige el Reglamento 13.
El modelo de “fBRAKE” para remolques está basado en los requisitos de compatibilidad en el frenado que exige el Reglamento 13.
Al igual que el modelo “fBRAKE” para vehículos a motor y semirremolques, el modelo “fBRAKE” para remolques utiliza las mediciones de fuerzas de frenado que se obtienen en ITV con el estado de carga que el vehículo tuviera en el momento del ensayo. Con estos datos, el modelo extrapola las fuerzas de frenado para calcular las fuerzas de frenado que se obtendrían con el vehículo cargado hasta su MMA.
Modelo “fBRAKE” para tractocamiones El cuarto grupo de vehículos afectados por esta tesis es el de los tractocamiones. Estos vehículos son los responsables de arrastrar a los semirremolques o a los conjuntos de vehículos en “Configuración Euromodular”.
Estas combinaciones de vehículos deben cumplir los requisitos de compatibilidad en el frenado que exige el Reglamento 13.
El modelo de “fBRAKE” para tractocamión está basado en los requisitos de compatibilidad en el frenado que exige el Reglamento 13.
Este grupo de vehículos es de especial importancia debido al gran número de vehículos existente en el parque español: 186.060 unidades a cierre de 2014.
Al igual que el modelo “fBRAKE” para vehículos a motor, semirremolques y remolques, el modelo “fBRAKE” para tractocamiones utiliza las mediciones de fuerzas de frenado que se obtienen en ITV con el estado de carga que el vehículo tuviera en el momento del ensayo. Con estos datos, el modelo extrapola las fuerzas de frenado para calcular las fuerzas de frenado que se obtendrían con el vehículo cargado hasta su MMA.
3. Conclusiones.
En la presente tesis doctoral se ha desarrollado e implementado cuatro familias de modelos (un total de 21 modelos) para la extrapolación de las fuerzas de frenado que un vehículo realiza en ITV en cualquier estado de carga, con el objetivo de obtener las fuerzas de frenado que el vehículo desarrollaría a plena carga. Con estas fuerzas de frenado se puede calcular la eficacia de frenado para comprobar si alcanza el valor de rechazo. Estos modelos se han implementado en un software comercial denominado “fBRAKE”.
La eficacia de frenado del vehículo a plena carga, calculada mediante extrapolación con el método “fBRAKE”, es próxima (o igual) a la que el vehículo desarrolla cuando se ensaya a plena carga. En el desarrollo de esta tesis doctoral se ha tomado la eficacia de frenado obtenida a plena carga como valores patrón para el ajuste de los modelos.
El método “fBRAKE” ha sido implementado en estaciones ITV de la Comunidad Autónoma de Extremadura, Galicia, Valencia, Navarra y en las estaciones ITV de las Fuerzas Armadas (Ministerio de Defensa). Gracias al trabajo interdepartamental entre el departamento de Ingeniería Mecánica (desarrollando el modelo de cálculo) y el departamento de Ingeniería Informática (transcribiendo los modelos matemáticos para desarrollar un software comercial), ambos de la Universidad Carlos III de Madrid, el software “fBRAKE” se instala en una Tablet o en un ordenador presente en la estación ITV para su uso por parte de los operarios de la ITV. Introduciendo datos técnicos del vehículo, los resultados de pesaje y fuerza de frenado medidos se obtiene mediante la extrapolación explicada en esta tesis la eficacia de frenado que el vehículo es capaz de desarrollar.
La versión comercial de “fBRAKE”, incluye actualizaciones de software y asistencia técnica online. Además, “fBRAKE” es integrable con los sistemas informáticos presentes en las ITV actualmente, logrando así automatizar el proceso de introducción de datos y volcado de resultado.
Conclusiones relativas a los modelos A modo de resumen se presentan a continuación las ventajas y limitaciones de los modelos propuestos en la presente tesis doctoral.
Ventajas: • Mediante el método “fBRAKE” no es necesario que el vehículo se ensaye a plena carga ni realizar la extrapolación de presiones de acuerdo a la norma ISO 21069.
• Al no aplicar el método de extrapolación según la norma ISO 21069, no es necesaria la adquisición, mantenimiento o calibración de frenómetros de rodillos capaz de realizar la extrapolación de presiones o de manómetros.
• Se obtienen resultados de eficacia de frenado próximos a los que se obtienen cuando se ensaya el vehículo a su MMA. Con esto se consigue rechazar vehículos defectuosos y evitar falsos rechazos.
• Es aplicable a vehículos que no pueden acudir a inspección ITV en carga (camiones basureros, vehículos de mercancías peligrosas, camiones ganaderos, autobuses, etc.) y a aquellos que equipan sistema de frenado hidro-neumático.
• No se modifica el procedimiento de inspección que las estaciones ITV venían realizando hasta la entrada en vigor del método de extrapolación de presiones según el Plan Director.
• Todo lo anterior genera ahorro de costes y disminución en el tiempo de inspección en ITV.
Limitaciones: • Los modelos se deben apoyar en la inspección visual del resto de componentes del sistema de frenado para detectar algún defecto o modificación del sistema de frenado. Esta inspección visual es obligaría según el Manual de Procedimiento de Inspección en Estaciones ITV.
• Aunque tanto el modelo de extrapolación de presiones propuesto por la norma ISO 21069, como el método “fBRAKE” calculan las fuerzas de frenado que el vehículo puede desarrollar a plena carga, podría darse el caso de que el vehículo cargado a su máxima carga útil no pudiera alcanzar estos valores de fuerza de frenado por defectos en el sistema de frenado, aunque sí llegue al valor mínimo para hacer la extrapolación de presiones conforme a la norma ISO. Estos defectos no serían detectables ni por el método propuesto por la norma ISO 21069 ni por “fBRAKE”. Por lo tanto, el método más fiable de medir la eficacia de frenado sería la inspección a plena carga.
• En ocasiones la inspección a plena carga no puede ser realizable por la naturaleza de la carga, por restricciones de los seguros, de tiempos de transporte o reticencias de los conductores/titulares de los vehículos. Aplicando el método “fBRAKE” se puede inspeccionar cualquier vehículo independientemente de su estado de carga durante la inspección ITV, de su tipo de carrocería y de su sistema de frenado.
Por último, es importante destacar que los modelos propuestos en esta tesis doctoral presentan una buena correlación con los resultados numéricos de eficacia de frenado que se obtienen en ensayos reales de vehículos y han sido validados mediante el método estadístico de Bootstrapping indicado en la norma UNE 26110.
