BMW Z22 : El automóvil mecatrónico:

Diego Zotes25 sep 2000
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BMW Z22

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Con el Z22 la compaa "BMW Technik GmbH" presenta el autom᭳vil mecatrónico más ligero y progresista que se había presentado hasta ahora al público. Mecatrónica es el supraconcepto para describir sistemas mecánicos provistos de dirección electrónica y que, junto con la construcción ligera, revolucionará en los próximos años la tecnología del automóvil.
En ambas tecnologías clave, el Z22 marca con sus 70 innovaciones y 61 invenciones nuevos hitos: el "Steer-by-Wire" y el "Brake-by-Wire" han sustituido por completo en el Z22 la dirección mecánica y el freno hidráulico. La concepción electrónica no tienen igual en cuanto a capacidad de rendimiento y polivalencia. Una concepción de carrocería de nueva generación y en disposición horizontal con separación entre bastidor funcional y célula resuelve el conflicto de objetivos entre confort y construcción ligera mediante una tecnología de fibra de carbono nueva y adaptada a condiciones productivas. Así es que el Z22 consume en el ciclo en condiciones normalizadas sólo seis litros por cada 100 km, pero en cuanto a rendimiento, confort y plazas está en el mismo nivel que el 528i touring con cambio automático de marchas, y en cuanto a seguridad incluso lo supera.

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Aunque fue proyectado como estudio de viabilidad, el soporte tecnológico representa un automóvil totalmente válido y preparado para circular que no exige al conductor más tiempo de adaptación que otro coche convencional nuevo. Tras la fase de adaptación le esperan, sin embargo, un placer de conducir sin esfuerzos y relajado con un sin número de posibilidades que le abre una concepción de maniobra revolucionariamente sencilla e intuitiva.
Desarrollo idea
DESARROLLO DE LA IDEA

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El Z22 es hasta ahora el proyecto de vehículo más ambicioso de la compaa "Technik GmbH" y al mismo tiempo el soporte tecnol᭳gico más completo que nunca antes se había concebido en BMW. Los objetivos del proyecto iniciado en 1995 fueron visionarios, pero no perdieron su relación con la realidad. Hubo que crear un vehículo con la aceleración inicial y la elasticidad de un actual 528i touring que alcanzaría una velocidad de 180 km/h mientras sólo consumiría seis litros de gasolina. Para hacer el reto aún más ambicioso. El coche tendría que ofrecer como mínimo el confort del touring de la serie 5, pudiendo fabricarse más de 100 unidades al día y tener perspectivas de rentabilidad, compatibilidad con el medio ambiente, un balance energético y la posibilidad de reciclaje, así como cumplir con las últimas normas de seguridad.
Estos objetivos exigían un punto de partida integral consistente de package de automóviles, tecnologías, formas de construcción y materiales de fabricación. Se creó un concepto de vehículo de nueva generación y especial con un motor de cuatro tiempos instalado de forma transversal delante del eje trasero. Esto hizo posible trasladar el aparato de aire acondicionado y calefacción del interior hacia delante de la separación de la parte frontal, donde se ha dispuesto un compresor eléctrico de acondicionamiento del aire adaptado a las necesidades que proporciona una alta potencia de frío. Al mismo tiempo, dicho ahorro de espacio permitió un punto de partida completamente nuevo para diseñar el interior de la cabina y el panel de instrumentos. Así es que la posición de asiento ligeramente más elevada ofrece ventajas al subir y bajar, en la visibilidad y la protección de ocupantes. En su conjunto, el Z22 une la distancia entre ruedas de un coche de la serie 7 con el diámetro del círculo de viraje de un coche de la serie 5, es tan corto como un coche de la serie 3 y ofrece el espacio de un coche de la serie 5.

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Dirección electrónica
NOVEDAD: DIRECCION ELECTRONICA

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La regulación electrónica por válvula de mariposa, que se introdujo en el BMW 750i como el llamado gas E, hace tiempo que ha aprobado ya test práctico. La sustitución de una unión mecánica por otra electrónica y la utilización del actuador electromecánico no suponen desventajas en cuanto a la fiabilidad y la seguridad; pero en cambio proporcionan ventajas considerables en cuanto a confort, rapidez y calidad de respuesta. El Z22 abre ahora un nuevo capítulo de la llamada tecnología "by wire". Tanto la dirección como los frenos se accionan ya solamente electrónicamente. El conductor maneja ambos sistemas a través del volante y el pedal de freno manteniéndose iguales las funciones básicas, lo que le permite seguir aprovechando plenamente las ventajas de los últimos avances de la tecnología. Al suprimirse componentes mecánicos tales como la columna de dirección y partes del sistema de pedales aumentan además la seguridad pasiva y el confort.
La dirección electromecánica es más confortable en la ciudad, más segura en la autopista. La dirección mecánica convencional presenta una relación de transmisión fija que se hace más progresiva cuanto más se cierra el ángulo de giro, pero que transmite las órdenes de giro del conductor siempre de la misma manera. Esto obliga a llegar a un compromiso que sea válido para todas las velocidades y objetivos de conducción. Esta obligación deja de existir en el caso de la dirección electromecánica, que cuenta con ventajas ostensibles.

1   Al aparcar y salir del aparcamiento, el ángulo de giro del volante se transmite de forma progresiva ascendente, y las ruedas alcanzan el ángulo máximo sin necesidad de sobrecruzar los brazos durante el giro del volante.
2   En la conducción urbana y en carretera, la transmisión de la dirección es más directa que en sistemas convencionales de dirección, lo que hace que el vehículo reaccione con más agilidad.
3   Al aumentar la velocidad, la transmisión se hace más indirecta, maniobras rápidas de conducción, tales como evitar obstáculos, son controlables con seguridad mediante movimientos intuitivos del volante.
4   Al conducir en autopista se mejora aún más el movimiento en línea recta y, por tanto, la estabilidad de la conducción, independientemente de la carga.
5   Las influencias perturbadoras de la calzada, por ejemplo debido adoquines, son suprimidos directamente tanto en las ruedas delanteras como indirectamente en el volante.
6   El retroceso del volante está libre de sobreoscilaciones y adaptado a la velocidad.

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Para realizar estas funciones, la dirección electromecánica se compone de los componentes módulo de volante, módulo de engranaje de dirección, aparato de control y módulo de batería.

1   El módulo de volante registra los datos facilitados por el conductor y transmite al conductor la sensación de dirección con la respuesta típica para BMW. El ángulo del volante está limitado a 160º, al ser girado al completo, el ángulo de giro es inferior a 11 metros.
2   El módulo del engranaje de dirección transforma los datos transmitidos por el conductor en un movimiento de giro de las ruedas delanteras y determina la fuerza de respuesta en virtud del contacto de rueda-calzada. Dos motores de corriente continua accionan el pin del engranaje de direcciᳳn a través de un engranaje.
3   El aparato de control determina sobre la base de los datos de medición de los módulos de volante y del engranaje de dirección las señales de activación para los motores eléctricos. Al mismo tiempo, el aparato de control vigila todos los componentes de sistema y alerta al conductor en caso de error o fallo.
4   El módulo de batería garantiza por un lado la conexión con la red energética de a bordo del Z22 y, por otra parte, asegura mediante una batería de compensación una alimentación de emergencia en caso de fallar la red de a bordo.
En el desarrollo del Steer-by-Wire, la seguridad tiene máxima prioridad. De acuerdo con el objetivo del proyecto Z22, también en caso de fallo debe mantener la capacidad de giro, independiente del tipo y de la ubicación del fallo. Sobre esta base de creó un sistema diseñado de forma redundante. A cada aparato de control se le asigna un juego de sensores, y cada aparato de control calcula de forma independiente una señal de activación para cada uno de los tres actuadores. La advertencia al conductor también es redundante. Cuando el sistema no vuelve a emitir el aviso permanente de funcionamiento, se activa la advertencia. Sin embargo, la redundancia realizada está diseñada sólo para el funcionamiento en pruebas, dado que los requisitos legales aún tienen que ser elaborados. Hasta ahora han recorrido más de 8.000 kilómetros con la dirección electromecánica. Hasta ahora sin fallos, pero con aún más placer de conducir.
Freno electromecánico
FRENO ELECTROMECNICO: MAS SEGURO Y CONFORTABLE

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Ya en los actuales vehículos de serie la electrónica interviene activamente en el sistema de frenado: El sistema estabilizador DSC actúa mediante el frenado controlado de cada rueda, el DBC dirige, si necesario a través de ordenador, el incremento de la presión de frenado. Sólo en la transmisión de fuerzas sobre las pastillas de freno, los coches convencionales siguen el sistema tradicional de la hidráulica. En el Z22, los ingenieros de la "BMW Technik GmbH" dieron el siguiente paso consecuente y realizaron un freno electromecánico. Con él no sólo se suprime todo el costoso sistema hidráulico junto con el amplificador de la fuerza de frenado, sino todas las funciones tales como ABS, CBC, DSC y DBD están contenidas exclusivamente en el aparato central de control. ¿Pero cuáles son sus ventajas?
1   Potenciales para acortar el recorrido de frenado y parada.
2   Pedal de freno con fuerzas de palanca constantes independientemente de la carga del vehículo.
3   Freno de inmovilización automático con eficacia en las cuatro ruedas.
4   Frenado de parada automático por ejemplo al arrancar en cuesta o en paradas en semáforo.
5   Frenado de confort sin empujón de parada.
6   Durante la regulación por ABS un pedal de freno libre de fuerzas de retroceso y con funcionamiento de baja sonoridad.
7   Ninguna intrusión de pedal en caso de choque del vehículo.
8   Módulo de pedales ajustable de fácil representación.

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Además, el Brake-by-Wire hace posible el reparto dinámico de las fuerzas de frenado, es decir, en el ejemplo del frenado en curvas con mayor aprovechamiento del cierre de fuerza en las ruedas en el lado exterior de la curva. A ello se añade el mejor aprovechamiento de las ruedas posteriores en caso de frenado en línea recta y la inversión del reparto de fuerzas de frenado durante la conducción hacia delante o hacia atrás. En conjunto, el freno electromecánico ofrece resultados óptimos entre recorrido de frenado y estabilidad de frenado.
Aparte de las comodidades, el conductor, en lugar de mover su pie contra una presión hidráulica, lo mueve contra la fuerza de un simulador de pedal con línea de reconocimiento de libre elección que registra electrónicamente las señales de frenado del conductor a través de los sensores, las analiza y las retransmite a una unidad central. Allí, dichas señales son procesadas junto con otras señales externas sobre el estado de la conducción y, en su caso, las necesidades de frenado de otros sistemas de regulación. El control central calcula permanentemente e individualmente para cada una de las ruedas las fuerzas óptimas de las zapatas de freno con vistas a la estabilidad del comportamiento del vehículo y del frenado, y las retransmite a la electrónica de ruedas. En lugar de las zapatas de freno convencionales son ahora actuadores electromecánicos que aprietan los revestimientos de los frenos contra los discos de freno.
El freno de inmovilización se realiza a través de un dispositivo de inmovilización integrado en los actuadores. La activación se realiza a través de un sensor activado manualmente de forma eléctrica. Igual que en el Steer-by-Wire, también en el caso del Brake-by-Wire se han desarrollado los fundamentos para accionamientos seguros y sensores seguros, una alimentación energética segura y software seguro. Adicionalmente, una estructura de sistema tolerante para fallos y muy sofisticada desconecta si se da el caso, sólo algunos actuadores defectuosos y posibilita siempre un funcionamiento de emergencia que aún sigue siendo seguro. Igual que la dirección electromecánica, el sistema de frenado electromecánico ya ha recorrido varios miles de kilómetros de pruebas sin que se produjeran incidencias significativas.
Interior
NOVEDADES EN EL INTERIOR

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Como ningún otro automóvil presentado hasta ahora, el Z22 dispone de una concepción de electrónica de alto rendimiento y polifacético que fue detonante de otras soluciones posteriores. A través de dos sistemas de bus de datos ópticamente interconectados entre sí, 46 aparatos de control o elementos intercambian sus informaciones. La red de datos y de energía es la base para el control del motor, el control del engranaje, el Steer-by-Wire y el Brake-by-Wire, así como para una serie de nuevas funciones y otras innovaciones.
A ello pertenecen, por ejemplo:

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1   Huellas dactilares en lugar de llaves. La actual llave será sustituida por un sistema biométrico. La autorización de acceso y conducción se obtiene mediante la huella dactilar, de modo que el conductor no necesitará otros medios auxiliares para su conducción. Al mismo tiempo, todas las puertas están equipadas con cerraduras electromecánicas.
2   Técnica de iluminación inteligente. Dependiendo de las señales del vehículo se encienden y controlan la luz de curva y la luz de cruce. Los faros traseros de sólo 1,7 kg de peso y de construcción plana están realizados en tecnología guiaondas para luz blanca de marcha atrás y las demás funciones de iluminación de la parte trasera en tecnología LED.
3   Cámaras en lugar de espejos. Los dos actuales espejos retrovisores externos y el espejo interior son sustituidos por cámaras. Mediante el procesamiento de la imagen se produce una imagen panorámica compuesta por tres imágenes individuales que se reproducen en una pantalla 8:3 en lugar del espejo retrovisor interior. De esta manera se eliminan los ángulos muertos.
4   Pantalla Head Up. Todas las informaciones primarias para el conductor tales como la velocidad, la marcha, los indicadores de advertencia y de nivel o las informaciones de navegación serán proyectadas sobre una pantalla Head Up instalada en el parabrisas. El Z22 ya no dispone de ningún panel de instrumentos combinado convencional. El enfoque se eligió de tal forma que el conductor verá la imagen virtual a unos 2,30 metros delante de sí.
La utilización de esta tecnología constituye un elemento clave del Z22 para crear un punto de intersección entre conductor y vehículo que apoya al conductor de la mejor forma posible sin distraerle demasiado de sus obligaciones como conductor. Una filosofía que se refleja en toda la concepción de indicaciones y maniobra. Así es que, aparte del monitor de espejo retrovisor y pantalla Head Up, el Z22 sólo dispone ya de un monitor central. Para todo el manejo son suficientes el volante multifunción de configuración especial y un elemento central de maniobra en lugar de la actual palanca de cambio de marchas, el interfaz hombre-máquina (MMI). La tecnología MMI ya fue presentada por BMW en el Z9 en la Feria Internacional del Automóvil IAA de 1999, y otra versión más reciente está a punto de ser introducida como producción en serie.
A través de teclas directamente asignados ubicados en el volante multifunción, el conductor podrá cambiar de marcha a través de Steptrónic, manejar el Cruise Control y el cláxon, así como ajustar el sistema de pedales y la pantalla Head Up. Para arrancar el motor, el conductor tendrá que posar el dedo sobre el interruptor girable, que, igual que la puerta, reconocerá la autorización para la conducción mediante la lectura de la huella digital. El campo de teclas situado detrás del interruptor girable contiene teclas para el freno de inmovilización, intermitente de emergencia con función de llamada de emergencia integrada, regulación de volumen, cierre centralizado, elevador de lunas, así como seguros infantiles para puertas y ventanas.
La innovadora parte central del volante multifunción y MMI es el navegador, un rodillo entre dos teclas. A través de estos tres elementos se podrán controlar todas las demás funciones del Z22 mediante el diálogo con el monitor central. El navegador abre al conductor y al copiloto las múltiples posibilidades del equipo audio, del acondicionamiento del aire, de la comunicación y de la navegación. Además, las funciones más importantes podrán ser controladas alternativamente a través del diálogo de voz. En su conjunto, la nueva concepción de manejo ya se ha manifestado como gran éxito. En las series de pruebas los conductores seleccionados para ellas pudieron resolver los problemas planteados sin larga fase de aprendizaje.
Tecnología de construcción ligera
TECNOLOGIA DE CONSTRUCCION LIGERA

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Los objetivos de consumo y rendimiento sólo pudieron ser cumplidos con un vehículo cuyo peso estuviera por debajo de los 1.100 kg. El Z22 pesa, por tanto, no más que un coche pequeño actual y aproximadamente un 33 por ciento menos que un 528i touring. Ello ha sido posible especialmente gracias a una nueva concepción de carrocería que separa la estructura de forma horizontal entre bastidor funcional y célula.
Y lo hace por varias razones. La separación permite un uso adaptado a las necesidades de materiales de fabricación de carrocerías tan diferentes como el aluminio y los materiales compuestos por fibras de alto rendimiento. En comparación con el acero, ello permite ahorrar hasta un 50 por ciento del peso de los componentes. Al mismo tiempo, el alojamiento de la célula de ocupantes sobre los nudos de oscilación del soporte funcional proporciona un buen aislamiento de la conducción ósea del sonido. A raíz de ello, el bastidor pudo ser integrado en el perfil funcional de aluminio sin necesidad de un soporte de ejes con efectos aislantes, por lo que une la consecuente construcción ligera con propiedades cinemáticas y elastocinemáticas altamente óptimas. Asimismo, mediante la utilización integral de tecnologías "by-wire" también se han separado del interior de la cabina los componentes mecánicos.

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Y la separación también ofrece ventajas con respecto a la técnica de producción. El tiempo de montaje calculado se sitúa de forma significativa por debajo del de un touring de la serie 5. Un llamativo ejemplo para la utilización de materiales compuestos es el perfil lateral de una pieza fabricada de plástico reforzado con fibra de carbono (CFK). Este componente, que se extiende desde la columna A a través de toda la longitud del vehículo, se compone de un material compuesto de alto rendimiento con una parte del 50 por ciento de volumen de fibra y pesa sólo 19 kg. Una pieza comparable de acero pesa cerca del doble. A ello se añade la elevada exactitud de las dimensiones de los componentes hechos con el nuevo material de fabricación que presenta una desviación en la longitud de menos de 0,4 milímetros. Desde la punta de la pared lateral hasta la columna B, el perfil lateral se ha fabricado en forma de emparedado, después viene el perfil hueco. Todo el marco de perfil se fabrica en forma de "inyección única" (así se llama el procedimiento en terminología de plásticos), y endurece en menos de 20 minutos. También se fabrican de CFK el grupo del fondo, techo, portón trasero y partes de las puertas.
En conjunto, la carrocería del Z22 se compone de menos de 22 componentes, mientras que en la actualidad son habituales 80. El mayor reto en la utilización de estructuras de materiales compuestos de fibra consiste en la automatización de los procesos de fabricación para series pequeñas. Consciente de ello se pusieron en práctica seis diferentes procedimientos en diferentes componentes para descubrir los puntos fuertes y débiles de los procesos. La concepción del bastidor sigue la misma filosofía y presenta componentes muy ligeros, pero sin embargo fabricables en la cantidad estimada: muelles de titanio-LCB, suspensiones de ruedas de magnesio y volantes de barra de material compuesto de fibras, lo que hizo que los ejes fuesen un 50 por ciento más ligeros que en comparación con un coche de la serie 5.