25, May, 2024

Suspensiones electromagnéticas para automóviles:

Autores: MCs. Pablo Andrés Briceño Tapia, MCs. Andrew Valdivieso Soto, Dr. Renato Galluzzi*, Dr. Rogelio Bustamante Bello.

Correo electrónico: a01769991@tec.mx, a01658950@tec.mx, renato.galluzzi@tec.mx, rbustama@tec.mx.

Departamento: Ingeniería Mecatrónica

Grupo de enfoque (investigación)*:  Energy conversion, storage and management

Escuela: Tecnológico de Monterrey, Escuela de Ingeniería y Ciencias, Ciudad de México, México.

Palabras Clave: #Suspensiones, #regeneración, #vehículos, #electromovilidad.

Los sistemas de suspensión automotrices son el conjunto de elementos mecánicos diseñados específicamente para cumplir dos tareas. Primero, asegurar el contacto entre el neumático y el pavimiento, permitiendo al conductor conducir de forma segura. Segundo, atenuar las vibraciones producidas por las irregularidades del camino, permitiendo un nivel adecuado de confort para sus ocupantes. En su construcción mecánica básica, un sistema de suspensión consta de un resorte y un amortiguador, ambos comparten el mismo desplazamiento y van sujetos entre la carrocería y la rueda del vehículo.

Los sistemas de suspensión tienen diversas clasificaciones. Desde el punto de vista energético, se pueden clasificar en sistemas pasivos, semiactivos, y activos [1]. En los siguientes párrafos se describirán las principales características de funcionamiento de estos tres tipos de suspensiones.

Por su simpleza y bajo costo, los sistemas pasivos se encuentran en la mayoría de los vehículos. Son fáciles de construir y presentan un desempeño aceptable en la mayoría de las condiciones del terreno. Además, estas suspensiones tienen características invariables. Es decir, que ante cualquier tipo de terreno (pavimento, asfalto, tierra o grava) su comportamiento siempre va a ser igual. Por ello, presentan una capacidad limitada para adaptarse a diferentes condiciones de manejo.

Las suspensiones controlables surgen como una respuesta ante las limitaciones mencionadas de los sistemas pasivos. El uso de sistemas de motores o circuitos hidráulicos con características variables producen cambios en el amortiguamiento de la suspensión, mejorando así el confort y la seguridad al conducir[2]. Las suspensiones controlables pueden ser activas o semiactivas.

Las suspensiones semiactivas disipan la energía del amortiguador, pero pueden variar su firmeza de forma controlada, ya sea variando las propiedades del líquido en su interior [3], o cambiando la geometría del circuito donde circula dicho líquido.
Las suspensiones activas, además de las funciones básicas de un sistema de suspensión, pueden suministrar fuerzas externas al mismo. Esto permite atenuar las oscilaciones del chasís de forma más efectiva. Debido a su alta complejidad, costo y consumo energético, los sistemas activos no se han podido implementar en la mayoría de los vehículos de producción en masa [4]. Las suspensiones activas pueden distinguirse por su principio de funcionamiento como electrohidráulicas o electromagnéticas.

Las suspensiones activas electrohidráulicas utilizan un sistema de bombeo central equipado con válvulas que regulan el flujo de aceite hacia el amortiguador. Si bien la fuerza que estos sistemas producen es favorable, la complejidad, los riesgos de fuga y la baja eficiencia limitan esta tecnología

Las suspensiones activas electromagnéticas pueden utilizar motores eléctricos lineales o rotativos para convertir la potencia eléctrica en mecánica y viceversa. Así, pueden aplicar fuerza de amortiguamiento o actuación, proporcional a la corriente que circula en el embobinado del motor eléctrico.

Los sistemas de suspensión electromagnética lineales se encargan de convertir las oscilaciones verticales directamente en energía eléctrica. Por su parte, los sistemas rotativos utilizan mecanismos de transformación para convertir el movimiento vertical a rotativo. Las suspensiones lineales parecen más adecuadas al movimiento natural de la suspensión. Sin embargo, los sistemas rotativos son más compactos y pueden generar fuerzas mayores [5].

Los sistemas rotativos pueden dividirse en dos: los que utilizan elementos mecánicos para la transmisión de movimiento y los que emplean una transmisión hidrostática a través del acoplamiento directo entre una bomba hidráulica y un pistón. Un sistema hidrostático no emplea válvulas, trayendo consigo ventajas de mayor eficiencia y menores dimensiones.
En la Tabla 1 se enlistan de forma cualitativa las principales características de las suspensiones hidráulicas y electromagnéticas.


Tabla 1.  Comparación de características para actuadores hidráulicos y electromagnéticos.

Tanto la industria automotriz como centros de investigación han estado desarrollando trabajos sobre suspensiones electromagnéticas. Abdelkareem et al. [4] ofrecen un extenso estudio del estado del arte para suspensiones electromagnéticas. Asimismo, los autores de este artículo cuentan con experiencia y en el estudio de estos dispositivos [5], [6].

El uso de un motor eléctrico permite recuperar energía cuando éste amortigua, ya que opera como generador. Se ha demostrado que la potencia promedio recuperable oscila entre 100 y 400 W considerando un vehículo ligero transitando un camino de calidad promedio a 97 km/h [7]. Esto corresponde a un 3% de mejora en la eficiencia de combustible de acuerdo con los datos de BMW sobre energía utilizada en vehículos [4].

Aunque el impacto energético de 3% solo ha sido cuantificado en vehículos con motores de combustión interna, la capacidad de recuperar energía para usos alternativos mejora la sustentabilidad y eficiencia energética del vehículo. Para el caso de un vehículo eléctrico, la eficiencia energética se vuelve incluso de mayor importancia. La suma de estas ventajas energéticas con la posibilidad de controlar la firmeza de la suspensión hace que este tipo de sistemas se vuelvan atractivos para nuevos vehículos. El esquema de funcionamiento de este tipo de sistemas se muestra en la Figura 1.

 Figura 1. Estructura de funcionamiento de un amortiguador electromagnético con capacidad para recuperar energía.

Pese a sus ventajas, los sistemas de suspensión electromagnéticos presentan varios retos para su implementación y desarrollo. Uno de los principales problemas es el tamaño y peso de sus componentes, tomando en consideración el poco espacio entre el neumático y la carrocería.


Asimismo, la eficiencia de conversión energética en suspensiones electromagnéticas es variable y la cantidad de energía extraíble es limitada. Mejorar esta característica implica contar con sistemas de transmisión de movimiento más eficientes. Esta tarea introduce un dilema al aumentar la cantidad de energía recuperada y mitigar las oscilaciones para el vehículo. Priorizar cualquiera de las dos variables puede incidir de manera negativa en la otra [6].

Los modelos de suspensión utilizados para evaluar la regeneración de energía en simulaciones usualmente han sido simplificados. Por otra parte, pocos han sido los trabajos que demuestran la factibilidad del uso de estos dispositivos experimentalmente [4].


Podemos identificar tres principales áreas de oportunidad hacia el desarrollo e integración de suspensiones electromagnéticas en vehículos [8]: (i) reducción del tamaño y peso, (ii) mejora en la eficiencia de conversión energética y (iii) uso de modelos matemáticos adecuados para simulación y diseño. La solución de estos tres puntos podrá ayudar a brindar suspensiones para vehículos que mejoren la comodidad y seguridad del pasajero con un impacto energético positivo.

Referencias

[1] G. Genta and L. Morello, The Automotive Chassis: Volume 1: Components Design. Cham: Springer International Publishing, 2020. doi: 10.1007/978-3-030-35635-4.
[2] E. Barredo-Hernández, “Amortiguadores regenerativos para sistemas de suspensión automotriz: Una revisión,” vol. 19, no. 1, p. 21, 2022.
[3] S. M. Savaresi, Ed., Semi-active suspension control design for vehicles. Amsterdam [u.a.] Elsevier: Butterworth-Heinemann, 2010.
[4] M. A. A. Abdelkareem et al., “Vibration energy harvesting in automotive suspension system: A detailed review,” Appl. Energy, vol. 229, pp. 672–699, Nov. 2018, doi: 10.1016/j.apenergy.2018.08.030.
[5] R. Galluzzi, S. Circosta, N. Amati, and A. Tonoli, “Rotary regenerative shock absorbers for automotive suspensions,” Mechatronics, vol. 77, p. 102580, Aug. 2021, doi: 10.1016/j.mechatronics.2021.102580.
[6] R. Galluzzi, Y. Xu, N. Amati, and A. Tonoli, “Optimized design and characterization of motor-pump unit for energy-regenerative shock absorbers,” Appl. Energy, vol. 210, pp. 16–27, Jan. 2018, doi: 10.1016/j.apenergy.2017.10.100.
[7] L. Zuo and P.-S. Zhang, “Energy harvesting, ride comfort, and road handling of regenerative vehicle suspensions,” J. Vib. Acoust., vol. 135, no. 1, p. 011002, 2013.
[8] A. Soliman and M. Kaldas, “Semi-active suspension systems from research to mass-market – A review,” J. Low Freq. Noise Vib. Act. Control, vol. 40, no. 2, pp. 1005–1023, Jun. 2021, doi: 10.1177/1461348419876392.

Anexo

Resumen: Los sistemas de suspensión están directamente relacionados con la seguridad y confort de los pasajeros en un vehículo. En años recientes, se han desarrollado suspensiones controlables que, además de mejorar estas características de seguridad y confort, pueden aportar energía al vehículo. Este artículo explora las diferentes tecnologías de suspensiones, partiendo por soluciones convencionales, y evolucionando hacia las alternativas controlables. Finalmente se enfatiza la importancia de las suspensiones electromagnéticas desde una perspectiva energética. El lector podrá identificar las ventajas de dichos sistemas, así como los límites que impiden una adopción en masa de éstos.

Importancia de investigación:
Este trabajo presenta avances en tecnologías para suspensiones vehiculares. Se enfatiza su importancia en términos de desempeño y eficiencia energética.

Disciplina: Ingeniería Mecatrónica.

Área de aplicación: Vehículos, plataformas móviles.

Industria mayormente relacionada: Automotriz.

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