Estudio y comparación de la maniobrabilidad y manejo de vehículos

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Estudio y comparación de la maniobrabilidad y manejo de
vehículos articulados de varios países.
Johan P. Wideberg
Profesor Titular Interino, Ingeniería e Infraestructura de los Transportes
Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla, España
Martin Svensson
Alumno
Kungliga Tekniska Högskolan (KTH), Estocolmo, Suecia
Francisco Morales Sanchez
Ingeniero Industrial, Ingeniería e Infraestructura de los Transportes
Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla, España
RESUMEN
Este trabajo estudia la maniobrabilidad y manejo de vehículos articulados de varios países (con
maniobrabilidad se entiende maniobras en baja velocidad y el manejo para alta). Conocer bien y
poder controlar la dinámica de los vehículos industriales es fundamental para la seguridad. Los
vehículos articulados compuestos por un tractor – semiremolque tienen un problema de estabilidad
lateral que no existe en los vehículos sin articulación y puede tener como consecuencia efectos como
oscilaciones del semiremoque y/o la “tijera”. Estos efectos adversos se pueden evitar con un buen
diseño y sobre todo con un buen reparto de la carga. Este articulo trata en primer lugar de comparar
camiones de varios países analizando las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. En segundo
lugar, a través de un modelo de simulación desarrollado en ADAMS, se estudiará una maniobra
estándar para comparar la estabilidad de estos vehículos.
1. INTRODUCCIÓN
Las dimensiones y pesos máximos marcados por la legislación varían sustancialmente entre diferentes
partes del mundo, entre países vecinos e incluso entre diferentes regiones del mismo país. Esto se
debe al tipo de producto y las distancias hay que recorrer. Por ejemplo en zonas remotas del mundo
que además suelen tener distancias muy grandes y el tipo de mercancía sobre todo es materia prima,
como por ejemplo Australia (Sweatman 2005), Canadá o Escandinavia, suelen permitir camiones
muy largos con la MMA elevada (ver tabla 1 y/o la figura 1). Aquí la maniobrabilidad y manejo no
tienen tanta importancia debido al escaso tráfico y carreteras amplias y sin curvas. En cambio en
países con alta densidad de población, por razones obvias, los vehículos son más cortos. No
obstante hay organizaciones que quieren cambiar la legislación en la comunidad Europea para
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permitir la longitud máxima de 25,25 m en toda la comunidad. Los recientes estudios de Backman
(2004) y de Ehrning (2004) abogan esta longitud argumentando en los beneficios ecológicos y
económicos. Los semi-remolques de tres camiones Europeos se podrían remolcar con solo dos
cabezas tractoras, con el ahorro de combustible que supondría (consumo de combustible 15 por
ciento menor; emisiones de NOx y CO2 15 por ciento menor) y el beneficio en la congestión de las
carreteras. El caso escandinavo no es el más extremo sino que lo es el de los trenes de carretera de
Australia donde, dependiendo de que zona, permiten hasta camiones con varios remolques y con una
longitud total de 53 metros. En algunas aplicaciones especiales como por ejemplo en los puertos
también existen estos trenes de carretera como el caso del puerto de Rótterdam (Boezeman 1999).
Este trabajo estudia la dinámica de estos camiones para ver el impacto que tiene la longitud y también
el peso.
2. VEHÍCULOS ESTUDIADOS.
En la figura 1 y en la tabla 1 vienen especificados todos los vehículos que se han considerado para
este estudio. Los camiones son los típicos que circulan por las carreteras de Norte América,
Europa, Finlandia y Suecia, Australia, Sur África y de Brasil. En la figura vienen ordenados por
tamaño.
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Figura 1: Camiones ordenados por orden de longitud. (Europa, Brasil, Norte América, Sur África, Finlandia
y Suecia, Australia)
Masas
Dimensiones
En la tabla 1 esta viene los valores más importantes de pesos y dimensiones máximos de los países
estudiados. En los casos en los que no existe limitación esta indicado con un signo negativo. Un
ejemplo es el caso del camión Norte Americano donde no existe limitación de la longitud total sino
solo limitación de la masa total y la longitud máxima del semi-remolque, por tanto es permitido el uso
cabezas tractoras muy largas siempre y cuando el camión no supere la masa total.
Longitud
total
Ancho
Alto
Longitud
Trailer
Masa
máxima
(MMA)
Eje
directriz
Eje motriz
Eje simple
Eje simple
(gemelas)
Tandem
Tandem
(gemelas)
Norte
América
Europa
Finlandia
y Suecia
Australia
Sur
África
Brasil
-
16.5
25.25
53.5
22
19.8
2.6
4.15
2.55
4
2.55
4
2.5
4.3
2.6
4.3
2.6
4.4
16.2
13.6
13.6
14.2 cada
12.5
-
36.3
40
60
115.5
56
45
5.443
10
10
6
7.7
5.5
8.16
11.5
10
11.5
10
61
8
6
8.16
10
10
9
9
10
15.4
11-202
11.5-203
11
16
124
15.4
11-202
11.5-203
16.5
18
15-173
15.441 –
21-246
21-243
207
24
28.55
Tridem
15.441 –
21-246
21-243
20
24
25.56
5
(gemelas)
28.5
La unidad de las dimensiones son en metros y la unidad de peso son en toneladas.
Tridem
1 Solo permitido como eje directriz.
2 Depende de la distancia entre ejes y solo aplicable a trailers. La restricción del tandem del tractor esta entre 11,5 y
19 Tn dependiendo del espacio entre ejes y la suspensión.
3 Depende de la distancia entre ejes.
4 Tienen que ser ejes directrices.
5 Depende de distancia entre ejes.
6 Solo applicable a remolques y semi.remolques.
7 El ancho de la rueda tiene que ser al menos 375 mm.
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Tabla 1. Comparación de las regulaciones sobre peso y dimensiones en diferentes países.
3. MODELO NUMÉRICO.
Los vehículos estudiados han sido modelados con el paquete de software “Mechanical dynamics
ADAMS” (MSC.ADAMS), y más concretamente en el módulo Adams/Car.
Para empezar, hay que decir que el modelo completo es lo que ADAMS denomina “Assembly”, el
cual está formado por una serie de subsistemas (subsystem), que son cada una de las partes en las
que se divide, como pueden ser: dirección, chasis, quinta rueda, etc. Estos subsistemas pueden ser
estudiados y optimizados de forma independiente y comprobar la influencia que cada uno de ellos
tiene en el comportamiento global del vehículo.
A su vez estos subsistemas se dividen en partes más elementales, con lo que se puede llegar a un
nivel de estudio muy detallado. Podemos llegar incluso ha modificar la rigidez y el amortiguamiento de
las uniones entre los distintos subsistemas, inercias y masas de elementos despreciables en cualquier
otro estudio, etc.
A pesar del alto grado de detalle, ADAMS permite obtener también datos generales de varios
subsistemas juntos, por lo que podemos controlar por ejemplo la posición del centro de gravedad de
un vehículo completo.
Esta herramienta nos permite analizar vehículos con más de 500 grados de libertad, por lo que
podemos obtener información de cualquier parte del vehículo.
Una vez construidos los distintos modelos podemos realizar las simulaciones estudiando así el
comportamiento dinámico de cada uno de ellos. Realizando las mismas simulaciones para todos los
vehículos podemos comprobar la diferencia de comportamiento y definir la tipología de vehículo más
estable.
4. RESULTADO DE LAS SIMULACIONES.
Medidas dinámicas
Se pueden extraer una gran cantidad de resultados de programas numéricos como ADAMS, a veces
quizás demasiados y no todos los valores tienen sentido compararlos. Sin embargo hay una medida
fácil de calcular que además describe muy bien el comportamiento dinámico de un vehiculo articulado
y es el valor RA (rearward amplification). Este parámetro se define como la relación entre la máxima
aceleración lateral del último remolque y la del tractor en una maniobra brusca del vehiculo. La
maniobra más habitual es de cambio de carril. Este valor, que siempre es mayor que uno, dice mucho
del vehiculo. Si el valor es grande entonces el vehiculo tiene un comportamiento menos deseable que
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uno con el valor pequeño. Es decir un valor alto indica que por ejemplo pueden aparecer efectos
indeseados como la tijera.
Rearward
amplification
Yaw damping
Norte
América
Europa
Finlandia y
Suecia
Australia
Sur
África
Brasil
1,18
1,24
1,81
3,14
1,56
1,88
0,22
0,36
0,55
0,50
0,39
0,38
Tabla 2. Resultado de medidas dinámicas.
Medidas estáticas.
Otra medida de interés es la maniobrabilidad del vehiculo, aquí se ha supuesto que la velocidad
es muy baja y que tenemos rodadura pura sin deslizamientos y por tanto la resolución es
geométrica. Estas situaciones se dan por ejemplo en una rotonda o en un parking.
Radio de giro Norte
mínimo
América
Acera
12,9 m
Pared
13,3 m
Finlandia y
Australia
Suecia
9,8 m
11,5 m
21,1 m
10,2 m
12,1 m
21,3 m
Tabla 3. Resultado de medidas estáticas.
Europa
Figura 2: Calculo estático.
Sur África Brasil
11,8 m
12,3 m
9,9 m
10,4 m
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5. RESULTADO Y CONCLUSIÓN.
En la tabla 2 viene especificado el ranking por orden de estabilidad dinámica. En general se puede
concluir que los vehículos más largos tienen un RA más alto que uno más corto y por tanto son
menos estables. Sin embargo hay otros factores importantes que pueden hacer un vehículo largo más
estable que uno más corto. Esto se pone en manifiesto en la presentación de Ehrning (2004) y
también en este trabajo. Los parámetros que pueden influir son:
• número de articulaciones.
• tipo de articulación (quinta rueda o dolly).
• longitud del semi-remolque (un remolque largo es mas estable que uno corto).
• la ubicación de los ejes traseros del semi-remolque (si los ejes están muy atrasados es más
estable)
Las medidas estáticas sin embargo dependen casi exclusivamente de la geometría, es decir del largo
del camión. Esto se ve comparando la tabla 3 con la figura 1.
REFERENCIAS
BACKMAN H., NORDSTRÖM R., (2004). “Improved Performance of European Long Haulage
Transport”, TFK Transport Research Institute, Sweden
BOEZEMAN A. H., DRENTH K. F., (1999). “Road-train stability optimisation using ADAMS”,
13th European ADAMS Users' Conference
DIRECTORATE-GENERAL FOR ENERGY AND TRANSPORT, (2005). “ABC of the Road
Transport acquis” http://europa.eu.int/comm/transport/road/legislation/abc/index_en.htm
EHRNING U. (2004). “Transport in Change”, A sustainable transport vision for an enlarged Europe,
A seminar jointly organized by the Volvo Group and the Polish Representation to the European
Union, Brussels.
FANCHER, P.S.; CAMPBELL, K.L. (1995). “FHWA Comprehensive Truck Size and Weight
(TS&W) Study. Phase 1 - Synthesis.” “Vehicle Characteristics Affecting Safety and Truck Size and
Weight Regulations.” Working Papers 1 and 2 Combined. 45 p. Report No. FHWA Docket No.
95-5.
SWEATMAN, P.F., GERMANCHEV, A. & DI CRISTOFORO, R. (2005). “Stability and onroad performance of multi-combination vehicles with air suspension systems – stage 2 project – final
report”, Roaduser Systems Pty Ltd.
WALLENTOWITZ H., NEUNZIG D., SANDKÜHLER D. (2000). “Investigation of the influence
.
of Roadtrain and Truck speed 100 km/h on handling characteristics, fuel consumption and traffic
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