Resumen del proyecto - IIT - Universidad Pontificia Comillas

VILDOSOLA RACING: DIGITALIZACIÓN
SUSPENSIÓN DELANTERA
DEL
CHASIS
Y
Autor: Suárez Suárez, Francisco Javier
Directores: Malicky, David
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas, University of San Diego,
Vildosola Racing team
Resumen del proyecto
Introducción
Vildosola Racing team es uno de los equipos más exitosos de la categoría trophy truck,
participando en SCORE international® off-road racing. Este campeonato se lleva a cabo
en Baja California, México y consiste en múltiples carreras individuales llamadas San
Felipe 250, Baja 500, SCORE Desert Challenge y Baja 1000. La baja 1000 es la carrera
off-road más larga del mundo completada en una sola etapa y la más importante del
campeonato SCORE. Vildosola Racing ha ganado esta carrera en dos ocaciones, en 2010
y 2012, siendo Gustavo Vildosola el primer mexicano en ganar dicha carrera. El trophy
truck actual del equipo Vildosola se muestra en la siguiente fotografía:
Aunque la mayoría de las carreras son en México, la base del equipo se encuentra en san
Diego, California. Ellos han estado compitiendo en esta categoría desde 2002 fabricando
y montando la gran mayoría de piezas en su taller.
Actualmente, el equipo quiere construir un nuevo vehículo para seguir siendo
competitivos y evitar el posible fallo de los componentes debido a la fatiga. Como el
coche actual ha sido tan exitoso, quieren construir algo similar, pero con unas ligeras
mejoras.
Vildosola racing team subcontrató a University of San Diego para mejorar su proceso de
fabricación actual. Ellos quieren que los estudiantes elegidos para el proyecto digitalicen
su trophy truck para usar dicho modelo como referencia al construir el nuevo, o incluso
contratar a una compañía externa que lo fabrique basándose en el modelo creado.
Vildosola Construye todos los componentes a mano y sin planos o ninguna base
ingenieril. Sus diseños están basados en la experiencia, prueba y error y en la intuición.
Los estudiantes de USD primero deben obtener el modelo 3D del chasis y de la suspensión
delantera. Después, usando softwares de análisis de elementos finitos, como CREO
simulate o SolidWorks simulate, se buscaran puntos de concentración de tensiones
usando las máximas cargas registradas. Así se obtendrá el máximo valor de Von Misses
que la pieza es capaz de soportar sin romperse. Todos los componentes analizados en este
proyecto jamás se han roto, así que si no se supera dicho valor obtenido en los cálculos
iniciales, la pieza modificada no se romperá.
Una vez que se hayan realizado las simulaciones en las piezas originales, algunas
modificaciones serán propuestas con el objetivo principal de reducir peso, manteniendo
la rigidez y el Von Misses stress por debajo del valor mencionado previamente.
El equipo también intentara mejorar el manejo del vehículo usando software de análisis
de suspensión y telemetría. Al final se canceló esta iniciativa debido a la imposibilidad
de obtener feedback preciso sobre la conducción. Los trophy trucks están construidos con
el objetivo de ser resistentes y muchas veces se compromete por ello el manejo. El equipo
fue capaz de mejorar el manejo por otro camino, rediciendo el peso no suspendido
localizado al otro lado de la suspensión.
Selección de la técnica de digitalización y del software
Los principales impedimentos que afectaron a la selección de la técnica de digitalización
fueron:
•
Tiempo en el garaje: El equipo dispone de poco tiempo con el coche y los
mecánicos siempre están trabajando en el coche
•
Precisión: el error permitido ha de ser menor de 0.5% en componentes críticos y
un error máximo para grandes distancias del 1%
•
Precio: Presupuesto limitado de $7000
Seis técnicas principals de digitalización fueron encontradas:
•
Manual photomodeling: Se ha de apuntar la localización exacta de la cámara en
cada momento y calcular manualmente las coordenadas de cada nodo en la
imagen. No se necesita software. El proceso algebráico está explicado en el anexo.
•
Semi-automatic photomodeling: Los nodos se seleccionan manualmente
mediante un software
•
Automatic photomodeling: El ordenador produce automáticamente una nube de
puntos. Estos puntos se unen creando la malla.
•
Turntable Method: Proceso similar al anterior, pero la cámara permanece fija
mientras el objeto rota.
•
Laser 3D Scanning: Un scanner 3D usa luz laser para medir la geometría de los
objetos. Otra cámara capta dicha luz desde un ángulo diferente. Los escáneres
varían desde uso profesional hasta aplicaciones de ipad
•
Coordinate Measuring Machine: Una coordinate measuring machine (CMM)
es un aparato que registra el desplazamiento de un extremo del mismo, para
obtener las coordenadas de la zona que toca dicho extemo respecto a una base.
Una matriz de decisión fue creada:
Se eligió automatic photomodeling. Se tomaron alrededor de 200 fotos en tres alturas
diferentes del chasis y de los componentes de la suspensión delantera.
Dichas fotos fueron introducidas en 3 software diferentes; Zephyr, Photoscan and
Memento. Se creó otra matriz de decisión mostrada a continuación:
Se eligió Memento porque es gratuito para estudiantes y muy intuitivo. A pesar de que
algunas superficies del chasis se modelaron irregularmente debido a cambios en la
iluminación, los nodos son muy precisos así como la posición geométrica de los tubos. El
upright se digitalizó perfectamente gracias al uso de iluminación difusa. Los modelos
sacados de memento se aprecian en las siguientes imágenes.
Estos modelos son increíblemente detallados, pero no están escalados. Para minimizar el
error, el equipo midió unas grietas en el asfalto donde se sacaron las fotos del chasis,
porque el equipo estaba en una carrera. Comparando estas medidas con las de memento,
un factor de escala global fue calculado empleando regresión lineal simple. El error medio
obtenido es del 0.25%.
Coeficientes no
estandarizados
Modelo
B
1
Memento
Error típ.
255,712
Coeficientes
estandarizad
os
t
Sig.
Beta
Límite
inferior
Límite
superior
,175
N
1,000
Mínimo
Error relativo
12
N válido (según lista)
12
,015
1460,667
Máximo
,844
,000
Media
,25528
Intervalo de confianza
para B al 95%
B
Error típ.
255,327
Desv. típ.
,258366
256,098
Varianza
,067
Pasando de format STL a format SolidWorks
Uno de los principales problemas que tuvo el equipo fueron los archivos STL exportados
por Memento. SolidWorks no reconoce dichos archivos, así que se necesitó un software
para procesar los archivos exportados. Se empleó Geomagic Design, un programa
diseñado precisamente para tratar con ese tipo de archivos. Cuesta alrededor de $50000,
pero los desarrolladores nos enviaron una versión de prueba para usar en nuestro
proyecto. Funciona como un software CAD, pero incluye creación y tratamiento de la
malla además de reconocimiento de formas geométricas.
Cuando se abre el archive con el programa, lo primero es tratar la malla original. Se
simplifica para las formas geométricas simples y se remueven posibles discontinuidades.
La malla se sanea y recrea automáticamente con dos funciones del programa. A la hora
de obtener el modelo se emplearon distintos métodos para las distintas piezas.
Chasis
•
Primer método: El chasis fue seccionado por varios planos perpendiculares,
obteniendo la sección de los tubos. El programa adapta un boceto circular a la
sección irregular obtenida, creando puntos en el centro de los mismos. Estos
puntos se unen mediante splines, obteniendo la línea central de los tubos. El
problema es que estas líneas eran tan precisas, que las irregularidades en las
superficies de los tubos provocaban que cuando se intersectaban 3 tubos o más la
unión no fuera posible. Se descartó este método pero se empleó para comprobar
la precisión del siguiente
•
Segundo método: Cada tubo esta determinado por la intersección de dos
superficies que los contienen. Para extruir dichas superficies, 2 vistas
perpendiculares del tubo fueron usadas para bocetar el perfil del tubo en ellas, y
así extruir la superficie, perpendicular al plano del boceto.
Upright
Como la superficie del upright era mucho más suaves que las del chasis, cortar el cuerpo
con planos creo secciones muy precisas.
El siguiente reto era averiguar lo que había en el interior de la pieza, porque la
estereofotogrametría solo parametriza el exterior de la misma. Los mecánicos nos
explicaron el proceso de fabricación, que consistía en fresar la base con forma de “C” de
una pieza de acero. Luego, se soldaba el spindle y un tubo estructural a dicha base. A
continuación, el soporte de la barra de dirección es soldado al tubo. Para finalizar, las
placas de refuerzo se sueldan entre sí, con pequeños soportes perpendiculares en cada
unión. La siguiente imagen muestra las partes nombradas previamente
Upright análisis y modificaciones
Usando la información obtenida en la telemetría, se calcularon las máximas fuerzas que
soporta el upright. El equipo uso el siguiente modelo para simular el comportamiento del
upright, obteniendo factores de seguridad inferiores a uno, significando que la pieza
rompería bajo dichas cargas.
Usando dichas fuerzas, numerosos diseños fueron desarrollados, cada uno con factores
de seguridad superior a uno y con menor peso.
El diseño final ahorro un 30% de peso y tiene factores de seguridad superior a uno. Se
requirió de un refuerzo cerca del agujero para desmontar el brazo inferior de suspensión.
Se desarrolló exitosamente un upright más ligero y resistente
VILDOSOLA RACING:
SUSPENSION
CHASSIS MODELLING
AND FRONT
Author: Suárez Suárez, Francisco Javier
Directors: Malicky, David
Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas, University of San Diego,
Vildosola Racing team
Summary of the project
Introduction
Vildosola Racing team is one of the most successful trophy truck racing team that
participate in the SCORE international® off-road racing. This championship takes place
in Baja California, Mexico consisting in multiple individual races called San Felipe 250,
Baja 500, SCORE Desert Challenge and Baja 1000. The Baja 1000 is the longest off-road
race in the world completed in a single run and the most important of the SCORE
international® off-road racing. Vildosola Racing has won this race twice, 2010 and 2012,
and Gustavo Vildosola was the first Mexican driver ever that achieve the victory in this
course. Vildosola’s current trophy truck is shown in the next picture:
Despite most of the races that the team does take place in Baja California, Mexico, their
shop is based in San Diego, California. They have been in the industry since 2002,
manufacturing and assembling most of the parts that form the trophy truck by themselves.
Right now, the team is willing to build a new truck in order to keep increasing their
advantage and to avoid possible failures of the truck components due to fatigue. As the
current model has been very successful, they would like to build something very similar
with some design improvements.
Vildosola racing team subcontracted University of San Diego to improve their actual
manufacturing process. They want students to create a 3D digital model of their current
trophy truck, so they can use it as a reference for building a new one, or even send the
model to a company, outsourcing the chassis fabrication.
Everything the team build right now is by hand, and without any written record or
engineering base. Their designs are based in experience, trial and error and intuition.
USD student team first obtained an accurate 3D CAD models of the chassis and the front
suspension components. Then, using Finite Element Analysis software, as CREO
simulate and SolidWorks simulate, the team found stress concentration points using worst
case scenario loads, obtaining the maximum Von Misses stress that the part can handle
without cracking. The component analysed in this senior project design have never broke
before, so keeping the maximum Von Misses stress under the value obtained in the firs
analysis implies that the part will not break.
Once all the simulation were run to the original parts, some modification were proposed
with the main objective of weight reduction, maintaining the stiffness and keeping the
Von Misses stress under the max value mentioned before.
The team also try to improve the trophy truck handling using suspension analysis software
and telemetry. This approach was later cancelled due to the impossibility of obtaining
accurate feedback of the driver and co-driver. Trophy truck are built with the objective of
maximise endurance, because of that handling if often compromised, making impossible
to tune the car. The team was able to improve handling reducing the unsprung mass of
the front suspension components.
Digitalization technique and software selection
The main constraint that affected the selection of a digitation technique were:
•
Garage time: the team had limited access to the car and the mechanics were
always working on the truck
•
Accuracy: error less than 0.5% for critical components and maximum error for large
dimensions no larger than 1%
•
Price: limited budget of $7000
Six principal techniques were found:
•
Manual photomodeling: The exact location and orientation of the camera in
every shot must be registered to manually calculate the coordinates of nodes from
the pictures. No software is needed. The annex one explain this procedure.
•
Semi-automatic photomodeling: Nodes inside the pictures are manually
pinpointed with the aid of a computer software
•
Automatic photomodeling: The computer produces a point cloud. The points
form a mesh of arbitrary nodes
•
Turntable Method: Alternative approach in which the object is set on a rotating
table or turned around in small steps while the environment remains still.
•
Laser 3D Scanning: A 3D scanner uses laser light beams to measure the
geometry of objects. A laser projects the light that is then collected by a camera
from a different angle. The devices range from professional grade scanners to iPad
compatible commercial hand-held scanners
•
Coordinate Measuring Machine: A coordinate measuring machine (CMM) is a
device that tracks the displacement of its moving parts to locate the coordinates
of a point that is usually at the end of a mechanical arm
A decision matrix was created as the next tableau states:
Automatic photomodeling was chosen. Over two hundred photos in 3 different height
were taken of the chassis and the front suspension components.
Those photos were introduced into three different software; Zephyr, Photoscan and
Memento. Another decision matrix was created shown below:
Memento was chosen because it is free for students and very intuitive. Despite some
surface of the chassis were irregular due to light changes, the nodes were very accurate,
as the geometric position of the tubes. The upright was almost perfect due to the use of
diffuse constant light. 3D Memento models of the chassis and the upright are shown in
the next figure:
The models were incredibly detailed, but they were not scaled. In order to minimize the
error, the team measured some features in the asphalt were the photos of the chassis were
taken, because the truck was in a race. Using this measurements and comparing them with
memento, a global scale factor was calculated simple linear regression. The mean relative
error of Memento measurement is 0.25%.
Coeficientes no
estandarizados
Modelo
B
1
Memento
Error típ.
255,712
Coeficientes
estandarizad
os
t
Sig.
Beta
Límite
inferior
Límite
superior
,175
N
1,000
Mínimo
Error relativo
12
N válido (según lista)
12
,015
1460,667
Máximo
,844
,000
Media
,25528
Intervalo de confianza
para B al 95%
B
Error típ.
255,327
Desv. típ.
,258366
256,098
Varianza
,067
From STL file to SolidWorks file
One of the team’s main problem was to deal with the STL files exported by Memento.
SolidWorks do not recognize this files, so a post processing software was needed. The
team found Geomagic Design, a program that was created just to deal with this type of
files. It cost around $50000, but the developers gave us a trial version for our project. It
works as a CAD software, but with mesh generation, mesh refinement and feature
recognition capabilities.
Once the STL file is open with the program, the first thing required was to treat the
original mesh. It was simplified in simplex geometries and discontinuities were removed.
A heal software and a global remesh were applied to optimize the surfaces. Different
approaches were applied by the team to the different parts:
Chassis
•
First method: the chassis was cut with several perpendicular planes, obtaining
the cross section of the frames. The program fit a sketch circle to the irregular
surface, creating centre points using mean values. This points were join together
by splines, obtaining an extremely accurate centreline of the tubes. The problem
was that they were so accurate, that they do not match perfectly as a single node
where three or more tubes connect, due to the surface irregularities produced by
Memento. This method was discarded by the impossibility of striating the splines.
•
Second method: each beam is determined by the intersection of two surfaces
which contain it. In order to extrude such surfaces, two perpendicular views of the
beam are used to sketch the beam profile on them, and then the surface is extruded,
perpendicular to the plane of the sketch
Upright
As the upright’s surfaces were smoother that the chassis, cutting the body with planes
created accurate cross sections
Next issue was to discover what is inside of the upright, because stereophotogrammetry
only parametrize the exterior of the part. Mechanics explain us the manufacturing process,
which consist in a “C” shape base milled from a piece of steel. After that the spindle and
a structural tube are welded to it. Then the steering rod mount is welded to the tube at the
designated height. Finally, reinforcement plates are welded, with structural vertical plates
that support every external plate weldment. The next image shows the different parts
mentioned in the manufacturing process.
Upright analysis and modifications
Using statics and information obtained from the telemetry, worst case scenario loads were
obtained. The team use the next model to simulate the upright behaviour mounted to the
A arms and obtained safety factor values under 1, meaning that with that extreme loads
the part will break.
Using the maximum loads, several designs were developed, each one of them with a
safety factor over one and reducing weight every time.
The final design saved up to a 30% weight and have a safety factor over one. A
reinforcement plate was needed in the back next to the operation hole. The team
successfully developed a lighter and safer upright.