Technologic tools to support WIM systems development

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1 Ferramentas tecnológicas para auxiliar o desenvolvimento de sistemas WIM Gabriel Felix Gueler - gabriel.gueler@smarttech.com.br Smarttech. Resumo Este trabalho apresenta as tecnologias integradas utilizadas para auxiliar no desenvolvimento de pesagem em movimento. Na primeira seção são apresentadas as metodologias virtuais para determinar as frequências naturais e o espectro de frequência dos esforços de contato roda-solo para veículos pesados. Essas ferramentas incluem simulação da suspensão de veículos pesados para a determinação da forma de onda desses esforços. Na segunda seção são apresentadas as metodologias experimentais utilizadas para determinar os esforços reais com veículos físicos. Além da metodologia, são apresentados resultados reais do desenvolvimento do sistema de pesagem do DNIT, com testes realizados em Araranguá. Palavras-chave: Simulação de esforços, Processamento de sinais, Suspensão de veículos. Technologic tools to support WIM systems development Abstract This paper present the integrated technologies used to support the development of WIM systems. The first portion present the virtual metodologies used to determine the tire-ground contact efforts spectral density and the vehicle suspension natural frequencies. The wave form of those efforts are obtained by the use of hevay truck multibody models dynamic simulation. The experimental methodologies to obtain the vertical tire-ground loads are described in the second part. Actual results of simulation and tests carried out at Ararangua facility are presented to enlight the approach. Key-words: Effort Simulation, Signal Processing, Vehicle Suspensions 1 Introdução A pesagem de veículos em movimento visa obter um valor estático (o peso do veículo) com o veículo em condição dinâmica. Este é o desafio que se apresenta aos engenheiros que desenvolvem os algoritmos de pesagem. Os fatores que influenciam a medição são: Carregamento do veículo; A Forma do sinal a ser processado; A suspensão do veículo; A configuração do veículo (número de semirreboque, número de eixos); Estado do solo onde é realizada a medida; 1

2 A velocidade de passagem; Outros. A Figura 1 apresenta a força Vertical sobre uma passagem em asfalto. O que se deseja é o valor médio, indicado pela linha vermelha (e neste caso igual a 42.5 KN) kn Tempo (s) 6 Figura 1 Força Vertical no Contato Roda-Solo A freqüência do principal do sinal corresponde à freqüência natural Vertical e de Pitch do veículo, preponderante em veículos com semirreboques. A amplitude e a freqüência do sinal da Figura 1, são fatores essenciais na elaboração dos algoritmos e posicionamento dos sensores de medição de veículos. As ferramentas tecnológicas apresentadas neste trabalho visam auxiliar o engenheiro na elaboração dos algoritmos e são integradas por algoritmos de simulação dinâmica multicorpos e ensaios com veículos. Estas ferramentas são ilustradas na Figura 2. INÍCIO Pesquisa de Campo Freqüências Naturais de Suspensão de veículos Determinação Física de Esforços Simulação Dinâmica Ensaios Instrumentação de Veículos VIRTUAIS EXPERIMENTAIS 2 Pesquisa de Campo Figura 2 Ferramentas Tecnologicas A pesquisa de campo, embora não seja uma ferramenta virtual serve para definir a distribuição e tipos de veículos pesados que trafegam em determinado trecho onde uma balança será instalada. 2

3 Os principais veículos que trafegam no Brasil são os denominados 2C, 3C, 2S3 e 3S3, conforme ilustrado na Figura 3. CONFIGURAÇÃO 2C CONFIGURAÇÃO 2S3 CONFIGURAÇÃO 3C CONFIGURAÇÃO 3S3 Figura 3 Configurações Principais de Veículos Pesados 3 Avaliação das Freqüências Naturais A Figura 4 apresenta o fluxograma para classificação estatística das freqüências naturais. Figura 4 Fluxograma de Classificação Estatísticas O objetivo desta etapa é realizar uma classificação estatística das freqüências naturais das suspensões dos veículos pesquisados. A partir da tabela dos veículos identificados na estrada, são obtidas as dimensões principais das molas conforme mostrado na Figura 5. Figura 5 Dados dimensionais de Molas 3

4 Com base nas dimensões são determinados o rate (Rigidez) de cada mola através de formulas como a mostrada abaixo: Rate Estatico ( L = a + L ). E. b. h b 2 4. K. L. L a 2 b 3 onde E é o modulo de Young (Para aço = N/mm 2 ) K é Fator de Forma (1.5) h é a espessura de cada lâmina b Largura de lâmina L a Distância do centro da mola à extremidade anterior Distancia do centro da mola à extremidade posterior L b Com a rigidez das molas são determinadas as freqüências naturais na condição PBT Peso Bruto Total e também em Meia Carga. Com esses dados e através de formulas aproximadas é possível realizar uma classificação estatística das freqüências naturais, conforme mostrado na Figura 6. PBT Estatística (Freq Massa Suspensa) - Hz 2C 3C 2S3 3S3 GERAL MÍNIMO MÁXIMO MÉDIO MEIA CARGA Estatística (Freq Massa Suspensa) - Hz 2C 3C 2S3 3S3 GERAL MÍNIMO MÁXIMO MÉDIO Figura 6 Exemplo de Resultados de Classificação de Frequências 4 Espectros de Freqüência de Esforços Roda Solo (Simulação) A próxima necessidade dos engenheiros é o espectro de freqüência da força de contato entre a roda e solo. Nesta fase inicial são utilizados modelos simplificados de um quarto de veículos, como o mostrado na Figura 7. 4

5 Figura 7 Modelo de um quarto do veículo Este modelo é excitado por um perfil de pista aleatório, representativo de uma realização da densidade espectral de um asfalto novo e em bom estado de conservação, cujo exemplo é mostrado na Figura 8. Figura 8 Curva log-log da densidade espectral de potência do perfil vertical da via [m³/ciclo] em função do comprimento de onda λ [m]) O modelo é simulado através de um algoritmo de integração de equações diferenciais de segunda ordem, cujo fluxograma é mostrado na Figura 9. 5

6 Figura 9 Fluxograma do Algoritmo de simulação de sistema dinãmico da suspensão O espectro resultante pode ser observado na Figura 10. Observar Baixa amplitude a partir destas freqüências Figura 10 Resultados de Simulação Densidade Espectral de Força de Contato Roda solo [N.N/Hz] 5 Ensaios Experimentais Os ensaios experimentais visam obter os esforços reais de contato roda solo, com históricos temporais e espectros de potencia. A Figura 11 apresenta os tipos de ensaios realizados e a localização dos sensores para os veículos da configuração 2S3. 6

7 CAMINHÃO TRATOR + SEMI REBOQUE (2S3) MEDIÇÃO DE FORÇA VERTICAL NOS DOIS LADOS DO EIXO ACELEROMETROS (2) NA MASSA SUSPENSA DO CAVALO E DO REBOQUE Figura 11 Locais de Instrumentação da Configuração 2S3 Para medir a força vertical entre a roda e o solo, foram utilizados extensometros elétricos instalados no eixo do veículo. A Figura 12 ilustra exemplos desses sensores, instalados nos eixos dianteiros e traseiros do Cavalo. Figura 12 Instrumentação com Extensometros Elétricos Eixo Dianteiro e Traseiro do Cavalo Mecanico. Os dados dos sensores foram coletados através de um sistema de aquisição de dados a bordo do veículo e processados utilizando algoritmos de análise de espectral de sinais. 6 Exemplo de Resultados Neste capítulo serão mostrados alguns exemplos de resultados. 6.1 Freqüências Naturais As freqüências naturais, obtidas para o veículo 2C na condição PBT foram: EIXO 1 (DIANTEIRO) 2.37 Hz EIXO 2 (TRASEIRO) 2.37 Hz Estes valores se situam na faixa máxima de freqüências naturais do relatório de Investigação Virtual de Freqüências Naturais mostrado na Figura 13. 7

8 PBT Estatística (Freq Massa Suspensa) - Hz 2C 3C 2S3 3S3 GERAL MÍNIMO MÁXIMO MÉDIO Figura 13 Localização das frequencias naturais do veículo 2C. 6.2 Espectros de Freqüência A Figura 14 e Figura 15 Apresentam as densidades espectrais de Freqüência dos eixos dianteiros e traseiros, respectivamente, do Cavalo da configuração o 2S3 para carga PBT. Freqüência do eixo dianteiro do Cavalo em 2.7 Hz. Freqüência do Eixo Traseiro do cavalo em 2.8 Hz. Freqüência de Pitch da Massa Suspensa em 3.5 Hz. Figura 14 VEÍCULO 2S3 PBT - ESPECTRO CARGAS NORMAIS [N.N/Hz] EIXO CAVAL0 DIANTEIRO 1 LE(AZUL) LD(VERMELHO) 8

9 Figura 15 VEÍCULO 2S3 PBT ESPECTRO CARGAS NORMAIS [N.N/Hz] EIXO CAVALO TRASEIRO 2 LE(AZUL) LD(VERMELHO) 7 Conclusões Os resultados de utilização das ferramentas tecnológicas foram utilizadas no desenvolvimento da Balança de Araranguá em santa Catarina. Evidentemente existem outras ferramentas que podem e devem ser integradas ao processo de análise, tais como algoritmos de pesagem, sincronização de sinais, etc. 8 Referências bibliográficas HOESCH Hohenlimburg AG - Warm Geformte Federn (Konstruction und Fertigung) Frankfurt, SCHUCK Luis Gustavo - Rate: do teórico ao prático. 2.o Colóquio de equipamentos rodoviários, Caxias do Sul