Exactitud de los bancos de potencia de rodillos

  • jueves, oct. 17, 2019
Exactitud de los bancos de potencia de rodillos

La proliferación de dinamómetros de rodillos, llamados también «dinamómetros de chasis» hace que resulte muy práctico medir la potencia del vehículo y compararla con otros coches.

Muchos asumen que los resultados que se obtienen en un rodillo pueden compararse con los de otro rodillo. También que la potencia indicada por un dinamómetro de chasis refleja la verdadera potencia del coche.

Debemos tener en cuenta la cuestión de la precisión de la medición, y que tan sensible es a pequeños cambios que se hagan en el motor.

En este artículo trataremos de analizar que se esconde en las lecturas entregadas por los dinamómetros de chasis

Scenario 1: Across columns

Tipos de dinamómetros de chasis

Por el momento existen dos tipos de dinamómetros de chasis:

Los puramente inerciales y los rodillos que poseen un freno dinamométrico (eléctrico o hidráulico)

Los rodillos puramente inerciales solo pueden medirse en condición de mariposa totalmente abierta, a máximo de aceleración y siempre en aceleración. En cambio los rodillos con freno, pueden realizar ensayos estabilizados a RPM constante, en posiciones intermedias de acelerador e incluso simular determinadas cargas como las aerodinámicas.

¿Como funcionan los rodillos inerciales?

Los rodillos inerciales estiman la energía aplicada a un volante inercial (el mismo rodillo) y la velocidad con la que se lo acelera. Conociendo la masa inercial del rodillo, nos dirá la potencia que se está aplicando para acelerarlo. A partir de esta potencia se derivan otros datos, como el torque aplicado.

Los rodillos inerciales solo pueden calcular la potencia durante la aceleración. No pueden realizar ensayos bajo carga constante. Esto reduce las posibilidades de uso para determinadas aplicaciones como el mapeo de inyección y avance bajo distintas condiciones de carga. También ocurre que debido a que no se puede cambiar el peso del rodillo, siempre estamos atados a una velocidad de aceleración fija, que depende de ese peso y de la potencia del motor. Esto hace que si el rodillo es muy liviano o muy pesado, no se simulen las condiciones reales del motor, por ejemplo, para lograr suficiente presión en el turbo.

¿Cómo funciona un rodillo con dinamómetro?

En este caso el rodillo se comporta de manera inercial durante las aceleraciones, pero se los suele diseñar con una menor inercia, ya que la mayor parte de la potencia entregada por el vehículo se transfiere a una unidad de absorción de potencia, como puede ser un dinamómetro de corrientes parásitas o uno hidráulico. Este dinamómetro puede disipar esa potencia entregada e incluso oponer una resistencia al vehículo de manera que el mismo no acelere y permanezca a RPM constantes.

Al mismo tiempo esta unidad de absorción de potencia, realiza un torque de esfuerzo que se opone al torque del vehículo. Ese torque es medido por una celda de carga, que transmite la información a una computadora. La lectura de torque y RPM nos permitirá calcular la potencia absorbida por el freno dinamométrico, que es proporcional a la potencia que entrega el motor (pero no es la misma)

Hay que tener en cuenta algo importante, y es que la medición dinamométrica solo puede realizarse a RPM constantes. Si las RPM están aumentando, significa que hay un porcentaje de la potencia que se está utilizando para acelerar las masas inerciales, por lo que esa potencia no llegará al freno dinamómetrico y no se medirá en la celda de carga. Esto genera que en situaciones de aceleración el freno dinamométrico indique menos potencia que en condiciones de RPM constantes. Los equipos mas modernos combinan las mediciones inerciales y dinamométricas de manera de compensar esta situación y permite obtener lecturas similares en condiciones de aceleración y de carga a velocidad constante (o por escalones).

¿Cuál es la diferencia entre la potencia indicada por un dinamómetro de chasis y la indicada por un dinamómetro de motores?

Hay muchas condiciones que influyen en la exactitud de la medición en cualquier tipo de dinamómetro, tanto en dinamómetros de chasis como en dinamómetros de motor:

  • la temperatura de la sala de ensayos
  • el flujo de aire en la admisión
  • la presión barométrica
  • la calibración del sistema

Pero en los dinamómetros de chasis existe un juego de variables adicionales que afectan la medición y son muy difíciles de controlar y compensar.

El factor principal es el de las pérdidas de potencia en la transmisión. Por ejemplo, la marcha en la que se realiza el ensayo, afecta de mayor o menor manera, siendo normalmente la caja en directa (1:1) o lo más cercano a esta condición, donde menos pérdidas habrá en la caja. Otros factores son la temperatura de los fluidos de caja o diferencial, la velocidad de aceleración y las inercias parásitas introducidas por los elementos de transmisión y que se suman a la propia inercia del rodillo, rozamientos de los frenos, la forma en que es atado el vehículo en el rodillo, el peso que aparece sobre el eje y la deformación que sufren los neumáticos, por ejemplo, por diferentes pesos, presiones de inflado, diferentes materiales de las gomas, y su patinamiento en el rodillo.

Hay una analogía muy interesante sobre esto, y es que medir en un banco de chasis, es como querer saber tu peso estando vestido.

Algunas veces te pesas con zapatos, otras descalzo, algunas veces en ropa interior y otras con abrigo. Nunca sabrás tu peso real.

Aunque los softwares hacen uso de diferentes estimaciones y mediciones adicionales, nunca será posible conocer la potencia del motor utilizando un dinamómetro de chasis, ya que estas pérdidas no son medibles de manera exacta.

Algunas personas utilizan una regla que es tomar alrededor del 10% de la potencia como pérdida en el tren de transmisión. Pero esto obviamente es una estimación con mucho error, ya que puedo tener dos vehículos parecidos, con el mismo peso, pero uno con 200HP y otro con 500HP. Utilizando el porcentaje obtendré pérdidas muy diferentes, cuando la realidad dice que si los vehículos son parecidos, es probable que las pérdidas sean parecidas entre ambos. Las transmisiones pueden diferir en pérdidas de manera abismal, tanto en su construcción y ajuste, como en la calidad de sus partes. Esto hará que los valores de pérdidas sean diferentes también.

Tratar de llegar a los números del motor es una fantasía que nos distrae de nuestro verdadero objetivo. El objetivo es poner más potencia al piso y es ahí donde debemos concentrarnos. Ese número lo podemos aumentar, mejorando la potencia del motor, es verdad, pero también realizando un trabajo de optimización y mejora en las piezas que componen la transmisión del vehículo.

Si aún así, lo que te interesa es llegar a valores de exactitud, la única forma de conseguirlo es teniendo un banco de pruebas de motores y un rodillo con dinamómetro de absorción. Habría que realizar un ensayo escalonado en RPM estabilizadas en ambos bancos. Tener en cuenta de que el suministro de aire a los motores sea el adecuado en ambos, la temperatura de aceite y motor, las condiciones climáticas y las condiciones de la sala de ensayo (ventilación y contaminación), así como el mismo sistema de escape y longitud de caños de escape. Esa sería la única forma de conocer las pérdidas reales en la transmisión. Complejo, ¿no?

¿Cuáles son los principales factores que afectan la precisión de un dinamómetro de chasis?

Hay diferentes formas de ver la precisión. Por un lado está la precisión del sistema de medición en sí mismo (sensores, electrónica, software) y por otro lado están los elementos externos que hacen que cambie la potencia que llega al piso y es medida por ese sistema de medición.

Partimos de la base de que la potencia leída por el sistema es repetitiva y precisa (aquí es donde debe averiguar usted cuál es la marca que le da esa precisión). Vamos a considerar ahora los elementos externos.

Dentro de estos elementos, los elementos de la transmisión influyen mucho en un dinamómetro de rodillo. El contacto entre el neumático y el rodillo es el primer punto donde pueden aparecer errores. El tipo de goma, su dibujo, la presión de inflado, el material, la temperatura del caucho pueden afectar si no se es cuidadoso con las condiciones de prueba. El peso sobre la goma o la tensión con la que se ató el vehículo harán que se deforme más el neumático y por lo tanto, consumirá más potencia, que desaparecerá de la lectura final, generando errores.

Si seguimos hacia el motor, factores como el aire de admisión, tanto en caudal, como en presión, pueden afectar de manera significativa. Si los gases de escape no son evacuados de la sala, esa contaminación reingresa a la admisión y también hace que el motor desarrolle menos potencia. Incluso la forma con la que el conductor del vehiculo presiona el acelerador puede influir en el resultado final si no se tiene cuidado.

En la transmisión los elementos se calientan, el aceite se hace mas viscoso, los rodamientos se van calentando.

En vehículos con central electrónica, hay numerosos puntos de control donde interviene la computadora y realiza cambios en el motor de acuerdo a las condiciones. Partiendo de la corrección más básica que es el ajuste de la mezcla de acuerdo a la presión barométrica y temperatura del aire de admisión, a otras correcciones como presión de turbo, temperatura del intercooler. Hoy en día en vehículos con control de tracción si no hay forma de desactivarla totalmente, en rodillos de tracción simple no se podrá medir adecuadamente ya que detectará un patinamiento en las ruedas que no giran y automáticamente desconectará la potencia del motor.

Por este motivo siempre se busca realizar múltiples ensayos al vehículo para obtener un perfil de la repetibilidad de las pruebas. Si entre ensayos obtengo diferencias de 3HP, entonces ese es mi límite para detectar cambios, no podré lograr mayor precisión que esa. Mientras mas controlado esté el ambiente y la prueba, más pequeño será ese número, más repetitivas las pruebas entre sí y más finos serán los cambios que podré lograr en el motor. Aún así, es probable que cambios pequeños, de menos del 5% de la potencia total, son difíciles de detectar en las instalaciones típicas, ya que es difícil de detectar si la mejora se debe a cambios reales que se realiza al motor, o a efectos momentáneos del ambiente o las condiciones.

¿Cuánto afecta la relación de transmisión?

Hay diferencias entre marchas. Cada una tiene su propio momento de inercia, su propia fricción y también habrá un efecto en el deslizamiento de las gomas sobre el rodillo.

En las marchas mas bajas, hay una mayor reducción, por lo que la caja tiende a ser menos eficiente, produciendo más perdidas y consecuentemente, llega menos potencia a la rueda. Además tiende a haber mas patinamiento en las ruedas.

En teoría en cualquier marcha debería obtenerse la misma potencia, pero hay otro factor a tener en cuenta. La velocidad con la que el vehículo acelera es afectada directamente por esta relación, de modo que cuanto más rápido acelere, más energía se necesita para hacer girar el volante del motor, y esa energía no llega a la rueda. Por eso es recomendable realizar los ensayos lo más cercano posible a una transmisión en directa 1:1.

¿Cómo influyen los neumáticos en los resultados?

Los neumáticos deben considerarse como parte de las condiciones de ensayo, y si cambias las condiciones de ensayo cambias los resultados del mismo. Este cambio puede ser desde cambiar físicamente el neumático (ancho, diametro, el dibujo, etc) , hasta cambiar su estado, por ejemplo, cambiar la presión de inflado o el peso del vehículo sobre el eje. Las ruedas influyen en un 1 a 3 por ciento del total medido.

Otro factor a tener en cuenta es que los neumáticos se expanden por fuerza centrífuga y esto genera un cambio en la relación de transmisión total.

¿Cómo se puede mentir en un dinamómetro de chasis?

Hay muchas formas, algunas son intencionales y otras fruto de malas condiciones de ensayo. Mientras más factores del ensayo se controlen, más preciso será el mismo.

Por ejemplo, cambiar la forma en que se ata el vehiculo puede afectar mucho el resultado. A mayor fuerza hacia abajo, mayor deformación en las gomas y por lo tanto, menor potencia aparecerá en el suelo. Cambiar la presión de los neumáticos, ensayar con el motor muy frío o demasiado caliente, cambiar parámetros en el software en general, como mentir en el momento de inercia, alejar o acercar los ventiladores del motor pueden afectar también la medición.

Aunque los dinamómetros que poseen freno dinamométrico son potencialmente los mas exactos, también son vulnerables a alteraciones. El primer punto a considerar es la correcta calibración de la celda de carga del dinamómetro.

Se dice que los dinamómetros puramente inerciales son los más repetitivos, ya que la potencia solo es afectada por el valor de momento de inercia de la masa rotacional. Esto es muy cierto, y realmente se pueden observar cambios muy pequeños, sin embargo hay que tener en cuenta que repetitivo, no significa exacto. Esto es porque la potencia indicada por ese tipo de dinamómetro en muchos casos no representa la potencia real del vehículo. Si lo que se busca es precisión, los mejores resultados se lograrán en dinamómetros con freno de absorción.

Contra la creencia popular, mi consejo es que desconfíen de los bancos de prueba que entreguen números muy elevados. Lo mas probable es que sea mas exacto un rodillo que está entregando valores más bien bajos. Siempre pidan la mayor cantidad de información de la prueba (condiciones de ensayo, temperatura, humedad y presión ambiente, factor de corrección SAE utilizado, momento de inercia del rodillo) De todos modos hay que tener en cuenta que los dinamómetros de rodillo no sirven para comparar números entre una instalación y otra. Las diferencias son importantes. El banco de chasis debe considerarse como un elemento para realizar cambios incrementales y ser medidos sobre el mismo vehículo, en el mismo lugar de pruebas.

Datos del mundo real

Un artículo publicado por la revista Hot Rod en mayo de 2004, comparó las lecturas de los principales fabricantes de dinamómetros de Estados Unidos, midiendo el mismo vehículo en distintas instalaciones.

Los resultados como era de suponer son muy dispares entre sí. Por ejemplo, los dinamómetros con freno de absorción marcaron diferencias de unos 18 HP menos que los dinamómetros puramente inerciales.

Potencia indicada por el fabricante: 260HP (al motor)

Potencias medidas (a la rueda)

  • Dynapack (de absorción): 208.9 HP
  • Dynojet (inercial): 226.9 HP
  • Mustang (de absorción): 219.1 HP
  • Superflow (inercial): 225.0 HP

Conclusiones

Como puede verse ni siquiera las marcas líderes en bancos de prueba pueden ponerse de acuerdo en la potencia indicada. Incluso son valores muy lejanos a los datos del fabricante. La recomendación es que siempre se realicen las pruebas en el mismo lugar, y en las mismas condiciones de ensayo. Ante esta situación no tiene sentido comparar resultados entre bancos de prueba como tampoco tiene sentido tratar de lograr que el banco de rodillos marque la potencia al motor, ya que es un equipo para medir potencia a la rueda y la potencia de pérdida no es medible (ni en un ensayo de desaceleración)

Sin embargo nuestra experiencia nos indica que los rodillos son elementos muy sensibles y si están bien construidos, y cuentan con un sistema de medición de alta precisión, son capaces de medir diferencias de potencia muy pequeñas, lo cual permite hacer pequeños cambios en el motor y detectarlas. Al mismo tiempo es un equipo que detrás de un manejo muy simple, esconde una complejidad en todos los elementos que influyen en la potencia medida, y son esos factores donde los operadores del banco pueden hacer la diferencia entre una medición seria y precisa o una medición aproximada que termina generando más dudas que certezas. Cuando se trabaja con herramientas confiables y precisas, la capacitación e idoneidad del operador termina siendo el elemento más crítico del rodillo.