Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación bimestral de divulgación externa

NOTAS núm. 128, ENERO-FEBRERO 2011, artículo 2
Mesa inclinable, un procedimiento experimental para determinar la tendencia al vuelco
SEGOVIA Omar, PÉREZ Humberto y FABELA Manuel

Introducción

Conocer los límites de las condiciones seguras de operación en los vehículos representa un especial interés en el mundo del transporte, dado que la seguridad de los usuarios será permanentemente tema importante dentro del área de desarrollo vehicular. A medida que avance la tecnología relacionada con incrementos en las capacidades del vehículo como velocidad, potencia y soporte de carga, será necesaria la evaluación del comportamiento dinámico de los vehículos. Dicha evaluación se basa en determinar los niveles de estabilidad y capacidades de control, principalmente ante condiciones de manejo extremas, [1].

Una manifestación radical de inestabilidad se hace presente cuando el vehículo vuelca, fenómeno en el que el vehículo rota alrededor de su eje longitudinal, como se ilustra en la Figura 1. Consecuentemente, el vehículo inicia con la pérdida de contacto con el piso en uno de sus lados hasta quedar invertido o sobre su costado.

Figura 1. Vuelco de un vehículo por rotación alrededor de su eje longitudinal

El vuelco* es una de las inestabilidades críticas potencialmente peligrosas (Figura 2), pues además de los daños mismos al vehículo, a su carga y ocupantes, puede ocasionar daños a la infraestructura y obstruir el tránsito en el camino. También puede contribuir a la contaminación ambiental cuando los vehículos involucrados transportan sustancias peligrosas.

Figura 2. Vehículo pesado volcado en la ciudad de México. (Fuente: Noticieros Televisa, http://www.esmas.com/noticierostelevisa)

Para que un vehículo vuelque es necesario que sea sujeto a una fuerza lateral que produzca un par de giro alrededor de su eje longitudinal (Figura 3), de manera que sean excedidas las fuerzas verticales de reacción por su contacto con el piso, que actúan sobre las llantas en el lado externo del giro, [2]. No obstante, los vehículos tienen diferente propensión a volcar, siendo los más vulnerables los vehículos de carga pesada, debido a sus dimensiones, a la elevada ubicación del centro de gravedad y a las características geométricas y mecánicas del sistema de suspensión, entre otros factores.

Conocer la capacidad de resistencia a volcar de un vehículo permite ubicar sus mejores condiciones de operación y, con ello, promover una conducción y tránsito con mayores niveles de seguridad. Desde un punto de vista mecánico se aplican diversos análisis y técnicas para determinar la tendencia a volcar de los vehículos, en el que los mayores acercamientos se obtienen experimentalmente con el uso de lo que se conoce como mesa inclinable. La mesa inclinable consiste de un mecanismo que simula de manera controlada el proceso de vuelco. Algunas de las consideraciones que sustentan su uso, se presentan de manera general en este artículo.

Umbral de vuelco

Dada la importancia y riesgo de la severidad que representa el vuelco como manifestación de inestabilidad, se han analizado diversos indicadores que puedan dar una idea de la tendencia que tienen los vehículos a volcar. Del análisis mecánico del vuelco de un vehículo simple resulta una variable cinemática, la aceleración, que es aplicable como indicador de este fenómeno, [3]. La aceleración referida actúa lateralmente al vehículo que, participando con la masa y la altura del centro de gravedad en un plano horizontal, dan origen al par que puede ocasionar el vuelco alrededor del eje longitudinal del vehículo. La tendencia a volcar puede también interpretarse como la resistencia que los vehículos ofrecen a experimentar esta inestabilidad.

Se ha definido el término “umbral” como un parámetro para determinar el valor de resistencia al vuelco. La forma más simple para estimar este umbral se obtiene considerando únicamente la geometría de un vehículo rígido, como se muestra en la Figura 3. Como elementos geométricos se indican la distancia T entre llantas de un mismo eje (entrevía) y la altura h desde el piso del centro de gravedad (cg), así como la posición de la aceleración lateral ay experimentada por ese centro.

Figura 3. Variables cinemática y geométricas para estimar el umbral estático de vuelco

La expresión correspondiente, denominada umbral estático de vuelco, es:

 

La relación de la aceleración lateral ay y la magnitud de la aceleración de la gravedad, g en la ecuación anterior, permiten expresar el indicador en múltiplos de la aceleración de la gravedad, resultando unidades “g’s”. El valor estandarizado de la aceleración de la gravedad es 9,80665 m/s2.

Aparentemente, la aplicación de la expresión anterior es relativamente sencilla. Sin embargo, el vuelco de un vehículo en la realidad es un fenómeno de mayor complejidad. Así, considerando la expresión simple, una de las principales dificultades en la práctica es la determinación de la altura del centro de gravedad. Aunado a esta primera complicación, en el modelo rígido no se incluyen los efectos de la suspensión ni de otros componentes con movimiento relativo, como tampoco los posibles desplazamientos de la ubicación aparente del centro de gravedad (Figura 4).

Figura 4. Vuelco desde una perspectiva más realista

Aunque modelos matemáticos más elaborados incluyen estos efectos, también requieren del conocimiento previo de la altura del centro de gravedad (h), cuya medición experimental requiere de instrumentación e instalaciones que plantean su propia problemática. Estos modelos son normalmente auxiliados con paquetes computacionales matemáticos debido a un mayor número de variables y a la cantidad de ecuaciones que se deben manejar.

Por su parte, los métodos experimentales consisten en evaluar los parámetros dinámicos de manera práctica, es decir llevando el vehículo a condiciones específicas de manera controlada, en las que se manifiesten aquellas propiedades que influyen en el proceso del volcado. En estos casos, es necesario contar con equipos e instrumentos de medición en los que se registren las variables que conduzcan a la inestabilidad. En base a ello, este tipo de pruebas pueden resultar relativamente costosas, por lo que se deben minimizar los errores en el proceso y de medición, además de que la instrumentación debe estar completamente protegida para que no resulte dañada.

Mesa inclinable

Una prueba experimental que resulta en una mejor aproximación para determinar el umbral de vuelco es induciendo de manera controlada la inclinación lateral del vehículo. En la prueba, de tipo cuasiestático, se le imprime al vehículo un movimiento de rotación considerablemente lento hasta obtener las condiciones para su vuelco inminente. La mayoría de estas pruebas se realizan en una plataforma que rota alrededor de un eje, a lo largo del cual se alínea el vehículo. Este tipo de plataformas, como la que se muestra en la Figura 5, se conocen comúnmente como “mesa inclinable”.

Figura 5. Mesa inclinable, [4]

Con el uso de una mesa inclinable se induce al vehículo a girar con respecto un eje fijo, a una velocidad angular pequeña y prácticamente constante (Figura 6), a modo de evitar generar movimientos inerciales no deseados durante la prueba [5]. Con este movimiento se aprovecha el par resultante que se produce de la descomposición de la fuerza debida al peso propio del vehículo y las reacciones de soporte durante la rotación de éste por la plataforma, analíticamente perpendiculares y paralelas al plano de la plataforma.

Figura 6. Esquema general de la mesa inclinable

El criterio para considerar el umbral de vuelco se obtiene comúnmente cuando se pierde contacto de alguna de las llantas (o en ocasiones toda una hilera de llantas) con la mesa. Por tal motivo, para evitar la completa rotación del vehículo sobre la mesa, ésta debe contar con diversos sistemas y mecanismos de seguridad que restrinjan el desplazamiento de separación posterior a la pérdida de contacto.

El uso de la mesa inclinable permite que todos los sistemas y componentes de un vehículo que participan en el proceso de vuelco manifiesten sus propiedades mecánicas, como se ilustra en la Figura 7. En este sentido, los valores obtenidos como umbral son muy cercanos al del vuelco real, además de que su aplicación facilita la medición de otras variables de interés asociadas al comportamiento dinámico de los vehículos, como es la estimación de la altura del centro de gravedad.

 

Figura 7. Efectos diversos de comportamiento de los sistemas de un vehículo pesado en la estimación del umbral de volcadura, [6]

En la evaluación y caracterización de la operación de vehículos cuyo diseño y aplicación contemplan el tránsito por terrenos irregulares, requieren de pruebas especiales. Tal es el caso de vehículos especiales de construcción, de rescate, de control de incendios y militares (Figura 8). Una de las pruebas necesarias de este tipo de vehículos especiales para evaluar su estabilidad cuando deban trasladarse en un camino con inclinación considerable, son las del umbral de vuelco, [7, 8]. Estos casos refuerzan el sustento de la aplicación de mesas inclinables y la importancia de su papel en estudios de estabilidad y en la determinación del comportamiento seguro de los vehículos en tránsito.

Figura 8. Vehículo especial FAA HPRV bajo prueba en una mesa inclinable, [7]

Para la aplicación de mesas de este tipo se parte de diversas recomendaciones que fundamentan su diseño y operación. Un ejemplo de ello es la SAE J2180, referente al procedimiento de aplicación en la determinación del umbral estático de vuelco de vehículos pesados, [5]. Ejecutada como se describe, la prueba simula el seguimiento de una curva en estado estable, sin vibraciones presentes, utilizando una componente del peso propio del vehículo para simular la carga lateral.

Los resultados de los avances tecnológicos en los vehículos permiten que se pueda disponer de mayores potencias, capacidades de carga y velocidades, así como mayor diversificación de aplicaciones, por ejemplo, en todo-terreno. Esta multiplicidad de usos obliga a una continua evaluación del comportamiento dinámico de los vehículos, de manera que se sustenten criterios de condiciones seguras de operación. En este caso, el uso de mesas inclinables en pruebas experimentales representan una herramienta útil en la determinación de la estabilidad en los vehículos, bajo un enfoque de la resistencia a volcar.

Referencias

1. Vázquez Vega, D.; Fabela Gallegos, M. J.; Martínez Madrid, M. Revisión documental sobre la evaluación del comportamiento dinámico de vehículos pesados. Publicación Técnica No. 259, Sanfandila, Qro. 2004.

2. Fabela Gallegos, M. J. Resistencia a la volcadura de vehículos. Revista Ciencia y Desarrollo, Febrero 2008, vol. 34, no. 216, p. 18-23.

3. Fabela Gallegos, M. J. “Umbral de volcadura: tendencia a la volcadura de vehículos y su relación con límites operacionales”. Artículo 1 del Boletín IMT Notas No. 96, Septiembre de 2005 (Nota No. 305, 15 de Enero de 2006), Instituto Mexicano del Transporte. Sanfandila, Qro.

4. Bushman Avontec, Custom designed tilt table for e-one, www.e-one.com

5. Surface Vehicle Recommended Practice. SAE J2180 “Tilt Table Procedure for Measuring the Static Rollover Threshold for Heavy Trucks”. December, 1998. SAE International. USA.

6. Winkler, Chris. “Rollover of Heavy Commercial Vehicles”. University of Michigan Transportation Research Institute. UMTRI Research Review, October-November 2000. Volume 31, Number 4. Michigan, USA.

SEGOVIA Omar
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

PÉREZ Humberto
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

FABELA Manuel
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.



* Popularmente se utiliza el término de volcadura, aunque gramaticalmente el correcto es vuelco.