Preguntas y respuestas: desarrollo de neumáticos virtuales mejorado mediante software de modelado

Antes de que un automóvil salga de la línea de producción, los fabricantes le realizan pruebas virtuales. La simulación de neumáticos es particularmente desafiante ya que están sujetos a un estrés extremo al conducir sobre baches y baches. Aquí es donde entra en juego CDTire. El software de modelado de neumáticos desarrollado por los investigadores de Fraunhofer permite realizar modelos de neumáticos realistas y apoya a la industria automovilística en una amplia gama de escenarios de análisis.

Manfred Bäcker y Christoph Burkhart, del Instituto Fraunhofer de Matemática Industrial ITWM, explican cómo el nuevo software también ayuda a reducir costes y a trasladar las tediosas pruebas de conducción de la pista de pruebas del mundo real al simulador de vehículos.

¿Por qué es tan difícil simular neumáticos?

Bäcker: Porque los neumáticos presentan un comportamiento complejo y no lineal. Al conducir se genera calor, lo que cambia las propiedades de los neumáticos. Esto dificulta simular su comportamiento de forma precisa y rápida al mismo tiempo. Por lo tanto, necesitamos modelos sofisticados que tengan en cuenta tanto los efectos térmicos como la dinámica no lineal del neumático en la carretera, lo que requiere una gran potencia informática.

¿Cómo se logra lograr un equilibrio entre el tiempo de cálculo y la precisión?

Burkhart: CDTire es en realidad una familia de modelos de neumáticos que cubren modelos de carcasa, flancos y banda de rodadura para lograr el equilibrio óptimo entre precisión y eficiencia computacional para diversas aplicaciones. El objetivo es crear una simulación realista que requiera poco tiempo de cálculo. Esto también incluye modelos en tiempo real.

¿Cómo impulsa CDTire el desarrollo de neumáticos virtuales?

Bäcker: En la industria automovilística, los modelos de neumáticos se integran en simulaciones de vehículos para probar y optimizar virtualmente el comportamiento de conducción. Estas simulaciones tienen en cuenta factores complejos como la generación de calor, la deformación de los neumáticos y las propiedades de los materiales, todos los cuales afectan el comportamiento de conducción. Los fabricantes de vehículos utilizan modelos de neumáticos en las primeras etapas del proceso de desarrollo para obtener información sobre el confort, la durabilidad estructural y la dinámica de conducción para una etapa de desarrollo específica.

Hace unos 15 años, los modelos de neumáticos ofrecían sólo una funcionalidad limitada, mientras que los fabricantes de neumáticos ya utilizaban modelos de neumáticos sofisticados. Sin embargo, estos no pudieron incluirse en la simulación general del vehículo debido a sus elevados requisitos de tiempo de cálculo. CDTire cerró la brecha entre los fabricantes de neumáticos y de automóviles. Nuestra herramienta sirve como formato de intercambio entre ambas industrias. La industria de los neumáticos lo utiliza en las primeras etapas del desarrollo, mientras que la industria del automóvil lo utiliza en el contexto general de los vehículos. CDTire puede implementar rápidamente adaptaciones para neumáticos OE (equipo original), que se desarrollan específicamente para el equipo original de un vehículo.

¿Entonces CDTire se ha convertido en un modelo de neumático de uso frecuente?

Bäcker: Sí. Casi todos los fabricantes de vehículos y neumáticos de renombre son nuestros clientes. Dado que CDTire permite realizar pruebas de manejo virtuales en simuladores de vehículos, las empresas pueden evitar las tediosas pruebas de manejo en el mundo real y la producción de costosos prototipos de neumáticos durante el desarrollo. Dependiendo de la aplicación, nuestros modelos de neumáticos, que se calculan en tiempo real, se pueden integrar en el simulador.

Este desarrollo nos ha permitido alejarnos de las pruebas de conducción del mundo real y acercarnos a las simulaciones de vehículos. Nuestro objetivo es que los conductores de pruebas profesionales evalúen los neumáticos principalmente en el simulador de vehículos utilizando prototipos virtuales de neumáticos y vehículos. La pista de pruebas del mundo real sólo sería necesaria para la aprobación final del prototipo.

CDTire le permite mapear todo el proceso de desarrollo de neumáticos. ¿Cómo funciona eso?

Burkhart: CDTire proporciona a los ingenieros de desarrollo un modelo de neumático para casi todos los escenarios de análisis. Nuestro enfoque en la dinámica de las carcasas y la interacción con las superficies de las carreteras en 3D ofrece una buena precisión de predicción, incluso fuera del rango cubierto por las mediciones obtenidas para la entrada de datos del modelo. Durante la simulación de neumáticos, el software calcula las fuerzas y pares del cubo de la rueda en cada rueda y las fuerzas de contacto en la carretera.

¿Qué mejoras o funcionalidades especiales ofrece la versión actual del software?

Bäcker: CDTire3D es una herramienta multifísica que puede, por ejemplo, simular la evolución de la temperatura y, mediante la integración de un modelo dinámico de aire interior, también el aire interior del neumático. Más recientemente, agregamos una función que también calcula el desgaste de los neumáticos. Las vibraciones internas del aire se transmiten al habitáculo del vehículo a través del chasis del vehículo, lo que provoca vibraciones en el volante y en el salpicadero, lo que reduce el confort de los ocupantes.

Pero, sobre todo, estas vibraciones son audibles. Especialmente en los vehículos eléctricos se perciben como molestos. Además, nuestro nuevo modelo de llanta flexible nos permite evaluar el neumático y la llanta juntos como una rueda completa, ampliando significativamente el alcance y las posibilidades del modelo.

¿En qué medida sus simulaciones influyen también en la gama de vehículos eléctricos?

Burkhart: CDTire ahora nos permite simular con precisión la resistencia a la rodadura y predecirla en diferentes condiciones de conducción. La resistencia a la rodadura de un neumático es el resultado de las pérdidas de energía. Forma parte de la etiqueta de neumáticos de la UE, que clasifica los neumáticos en clases de eficiencia de A a E. Una menor resistencia a la rodadura mejora el consumo de combustible del vehículo y, por tanto, también su eficiencia energética.

En la práctica, sin embargo, las cosas son diferentes. Los neumáticos funcionan por debajo del umbral de la clase de eficiencia en la vida cotidiana, ya que las personas conducen distancias cortas con los neumáticos fríos. Este es un aspecto especialmente importante para los vehículos eléctricos porque afecta a su autonomía. Es por eso que adaptamos CDTire para incluir pérdidas por fricción interna. El software combina la fricción interna con el modelo de temperatura para crear una simulación realista de la resistencia a la rodadura.

¿Está pensando en transferir su tecnología a la industria?

Bäcker: Sí. Lanzaremos nuestra spin-off Virtual Tire Technologies (VTT) en Kaiserslautern en 2026. Sin embargo, seguiremos colaborando con Fraunhofer ITWM y permaneceremos en estrecho contacto.