Desarrollo de neumáticos virtuales: la innovación que transforma la industria automotriz

Antes de que un automóvil salga de la línea de producción, los fabricantes realizan pruebas virtuales. Simular neumáticos resulta particularmente complicado, ya que están sujetos a tensiones extremas al transitar por baches y desniveles. Aquí es donde entra en juego el software CDTire, desarrollado por investigadores de Fraunhofer, que permite crear modelos de neumáticos realistas y apoya a la industria automotriz en una amplia gama de escenarios de análisis.

Manfred Bäcker y Christoph Burkhart del Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM explicaron que el nuevo software también ayuda a reducir costos y a trasladar las pruebas de manejo, que suelen ser muy demandantes en tiempo, del circuito de pruebas real al simulador de vehículos.

¿Por qué es tan desafiante simular neumáticos?

Bäcker indicó que los neumáticos exhiben un comportamiento complejo y no lineal. La conducción genera calor, lo que altera las propiedades del neumático. Esto dificulta la simulación de su comportamiento de manera precisa y rápida. Por lo tanto, se requieren modelos sofisticados que consideren tanto los efectos térmicos como la dinámica no lineal del neumático en la carretera, lo que demanda una gran capacidad de cálculo.

¿Cómo logran equilibrar el tiempo de cálculo y la precisión?

Burkhart comentó que CDTire es en realidad una familia de modelos de neumáticos que abarca modelos de carcasa, flanco y banda de rodadura, con el fin de encontrar el equilibrio óptimo entre precisión y eficiencia computacional para diversas aplicaciones. El objetivo es crear una simulación realista que requiera poco tiempo de cálculo, incluyendo modelos en tiempo real.

¿Cómo impulsa CDTire el desarrollo virtual de neumáticos?

Bäcker explicó que en la industria automotriz, los modelos de neumáticos se integran en simulaciones de vehículos para probar y optimizar virtualmente el comportamiento de conducción. Estas simulaciones consideran factores complejos como el desarrollo de calor, la deformación del neumático y las propiedades del material, todos los cuales afectan el comportamiento al conducir. Los fabricantes de vehículos utilizan modelos de neumáticos desde las primeras etapas del desarrollo para obtener información sobre comodidad, durabilidad estructural y dinámica de conducción para una etapa de desarrollo específica.

Hace aproximadamente 15 años, los modelos de neumáticos ofrecían solo funcionalidades limitadas, mientras que los fabricantes de neumáticos ya utilizaban modelos sofisticados. Sin embargo, estos no podían incluirse en la simulación general del vehículo debido a sus altos requerimientos de tiempo computacional. CDTire cerró la brecha entre los fabricantes de neumáticos y automóviles. Nuestra herramienta sirve como un formato de intercambio entre ambas industrias. La industria de neumáticos la utiliza en el desarrollo inicial, mientras que la industria automotriz la emplea en el contexto general del vehículo. CDTire puede implementar rápidamente adaptaciones para neumáticos de equipo original (OE), que son desarrollados específicamente para el equipo original de un vehículo.

¿Se ha convertido CDTire en un modelo de neumático frecuentemente utilizado?

Bäcker afirmó que sí. Casi todos los fabricantes de vehículos y neumáticos reconocidos son nuestros clientes. Dado que CDTire permite realizar pruebas virtuales en simuladores de vehículos, las empresas pueden evitar pruebas de manejo en el mundo real que consumen tiempo y la producción de neumáticos prototipo costosos durante el desarrollo. Dependiendo de la aplicación, nuestros modelos de neumáticos, que calculan en tiempo real, pueden integrarse en el simulador.

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

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

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

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

Bäcker mencionó que CDTire3D es una herramienta multifísica que puede, por ejemplo, simular el desarrollo de temperatura y, al integrar un modelo dinámico de aire interno, también el aire interno del neumático. Recientemente, añadimos una función que también calcula el desgaste del neumático. Las vibraciones del aire interno se transmiten al interior del vehículo a través del chasis del vehículo, causando vibraciones en el volante y el tablero, lo que reduce la comodidad de los ocupantes.

Pero, sobre todo, estas vibraciones son audibles. En los vehículos eléctricos, en particular, se perciben como molestas. 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.

¿Hasta qué punto sus simulaciones también juegan un papel en el rango de los vehículos eléctricos?

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

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

¿Tienen planes de transferir su tecnología a la industria?

Bäcker confirmó que sí. Lanzaremos nuestra empresa derivada Virtual Tire Technologies (VTT) en Kaiserslautern en 2026. Sin embargo, continuaremos colaborando con Fraunhofer ITWM y mantendremos un contacto cercano.