Industria: Industria automotriz
El reto: medir con precisión las fuerzas en las ruedas
Para los OEMs automotrices, comprender las fuerzas que actúan sobre las ruedas es crítico. Estas fuerzas determinan las cargas a las que estará sometido el vehículo y, en consecuencia, cómo debe diseñarse para resistirlas adecuadamente.
Tradicionalmente, los ingenieros instalan transductores de fuerza en cada rueda del vehículo y realizan pruebas con distintos tipos de maniobras para medir todas las fuerzas experimentadas durante la conducción.
Sin embargo, estos transductores de fuerza para ruedas son extremadamente costosos, con precios que oscilan entre €250,000 y €500,000 por un set de cuatro ruedas para un solo vehículo. Además, los fabricantes deben considerar cómo se utilizarán sus vehículos en distintos países, ya que las fuerzas varían según factores como el estilo de conducción, el tipo de superficie del camino, la densidad del tráfico y las condiciones climáticas.
Esto significa que, si se desea entender las fuerzas en cuatro países distintos utilizando cuatro vehículos, la inversión únicamente en transductores puede alcanzar €1 millón.
A esto se suma que los transductores requieren un tiempo considerable de instalación y calibración para asegurar mediciones precisas. No son dispositivos pequeños, por lo que incrementan significativamente el ancho del vehículo, lo que puede hacer que circular por ciertas carreteras sea impráctico o incluso ilegal. Este aumento de dimensiones también eleva el riesgo de daño en caminos estrechos, algo difícilmente aceptable considerando su elevado costo.
Aun así, estas fuerzas deben medirse, ya que de lo contrario se dificulta lograr compromisos de diseño adecuados. Esto puede derivar en vehículos que se degradan prematuramente o, por el contrario, que están sobreingenierizados, generando costos de desarrollo poco económicos.
Una nueva alternativa: reducción de costos y tiempo de prueba
Afortunadamente, existe otra forma de abordar este desafío, y ya ha demostrado ser exitosa para un cliente.
Esta solución entregada por Siemens logró:
- 66% de reducción en costos de medición de fuerzas en ruedas
- Reducción del tiempo total de pruebas en pista de dos semanas a una
A continuación, se explica cómo fue posible.
Combinando sensores pequeños, simulación y modelos de AI
Simcenter Engineering Services desarrolló una nueva solución que combina los transductores existentes con sensores más económicos y fácilmente configurables, junto con simulación y modelos de inteligencia artificial, para entregar los mismos resultados en mucho menos tiempo y a una fracción del costo.
Sensores físicos + AI para medición de fuerzas en ruedas
Aún se requiere un set de transductores de fuerza de alto costo para proporcionar la referencia real (ground truth), lo que permite validar y comparar los datos capturados por los sensores virtuales de fuerza en rueda. Sin embargo, toda esta información puede recopilarse en una pista de pruebas (proving ground), sin necesidad de circular por vías públicas.
Las pistas de prueba suelen estar muy demandadas y cuentan con ventanas de tiempo limitadas, por lo que la eficiencia es clave. Además, es necesario realizar una amplia variedad de maniobras para cubrir tantos escenarios reales como sea posible, incluyendo:
- Aceleraciones y frenadas
- Eventos laterales como curvas
- Eventos verticales como topes y pendientes
- Diferentes tipos de superficies de rodamiento
Adquisición de datos eficiente con Simcenter SCADAS RS
Simcenter SCADAS RS facilita y acelera la configuración de cada prueba, permitiendo que varias personas se conecten simultáneamente para realizar tareas en paralelo. Por ejemplo:
- Un ingeniero puede introducir los nombres de los canales
- Otro puede instalar los sensores y ajustar las direcciones en la configuración
- Un tercer ingeniero puede realizar verificaciones rápidas (sanity checks) de los sensores instalados
El software también utiliza marcadores de evento, lo que permite que el conductor de pruebas anote cada medición con una descripción de la condición de prueba. De esta forma, no es necesario que otro ingeniero viaje dentro del vehículo durante la prueba. Estas anotaciones se convierten en canales dentro del conjunto de datos, facilitando el análisis posterior.
Creación de sensores virtuales para fuerzas en ruedas
Simcenter SCADAS RS captura y procesa los datos, y posteriormente los transfiere a Simcenter Testlab Neo Process Designer. Esta herramienta elimina automáticamente la deriva de los acelerómetros, corrige problemas de sensibilidad y errores en la orientación de los sensores, garantizando que el modelo de AI cuente con datos confiables y de alta calidad para estimar las fuerzas.
El procesamiento adicional en Simcenter Testlab Neo permite extraer información más avanzada de los datos medidos. Por ejemplo, en lugar de utilizar directamente la aceleración, se puede emplear el jerk (derivada de la aceleración) de una señal filtrada de un acelerómetro específico en el rango de 60 a 100 Hz.
Gracias a Simcenter Testlab Workflow Automation, los ingenieros pueden aplicar este procesamiento a cientos de corridas de prueba durante la noche, sin intervención manual.
Posteriormente, Simcenter Reduced Order Modeling se utiliza para crear un modelo que predice las fuerzas en las ruedas basándose en los datos obtenidos de los sensores más económicos.
En los resultados obtenidos, se observa cómo las fuerzas predichas por el modelo de AI (en verde) coinciden estrechamente con las fuerzas medidas físicamente (en rojo).
Resultados: 66% menos costo y 50% menos tiempo de pruebas
Considerando pruebas realizadas en cuatro países, esta nueva solución ofrece los mismos resultados con una reducción del 66% en el costo total de medición de fuerzas en ruedas. Además, reduce el tiempo total de pruebas en pista de dos semanas a una.
Estos ahorros significativos permiten a los fabricantes considerar pruebas en un mayor número de vehículos, manteniendo costos muy inferiores en comparación con los métodos tradicionales aplicados a menos unidades.
Impacto más allá de la durabilidad
Este caso de uso específico se centró en durabilidad, asegurando que los vehículos estén diseñados para una vida útil prolongada. Sin embargo, la misma metodología también puede utilizarse para:
- Predecir necesidades de mantenimiento antes o después de los intervalos promedio
- Optimización NVH, anticipando cómo el ruido y la vibración afectan el confort en cabina bajo distintas condiciones
Un enfoque integral habilitado por Siemens
El secreto detrás de los importantes ahorros de tiempo y costo logrados en este caso radica en el enfoque end‑to‑end desarrollado por Simcenter Engineering Services, que cubre todo el proceso:
- Adquisición de datos
- Procesamiento
- Entrenamiento de modelos de AI
Todo ello habilitado por las soluciones de Siemens.
Las herramientas avanzadas de datos y AI son las que hacen posibles estas mejoras. Simcenter Engineering Services puede ayudar a integrar datos en flujos de trabajo automatizados e impulsados por AI mediante soluciones de simulación y pruebas físicas como Simcenter SCADAS y Simcenter Testlab, proporcionando una ventaja competitiva significativa en el desarrollo de producto.
