This work deals with a fork bending oscillation phenomenon observed during hard braking on bicycles. The observed oscillation is described with experimental data and an attempt is made to understand the underlying root cause. Therefore, a multibody model consisting of the front wheel and the fork is employed to simulate a braking maneuver. The self-oscillation is replicated in simulation and implications on the brake process are derived from it. Fork and tire oscillations on bicycles are rarely described in scientific literature. An oscillation due to tire resonance on high-speed motorcycles was described by Cossalter [1]. However, the mentioned speed dependence is not found in the present case under investigation. Klug et al. [2] were the first to report an oscillation of the fork inclination angle during braking. They noticed oscillations in the front wheel speed signals measured with a speed encoder mounted on the fork. Measurements of accelerometers and gyroscopes placed on the fork near the hub showed these oscillations on the forks inclination angular rate and vertical acceleration as well. This makes the phenomenon relevant for suspension and braking control. They also described the distorting effect of fork bending on the wheel speed signal and the wheel slip calculation derived from it. This work tries to identify a root cause of the fork bending oscillation and investigates its influence on the stopping performance.

Os sistemas que elevam os eixos dos veículos comerciais foram inicialmente desenvolvidos com o objetivo de economizar pneus. Até o final da década de 90, o uso destes sistemas era restrito, não causando um efeito estatístico sensível na segurança veicular. Devido a um acordo entre concessionárias rodoviárias e o governo, os veículos comerciais pagam nas praças de pedágio o valor correspondente ao número de eixos em contato com o solo naquele momento, minimizando as tarifas dos veículos que fazem uso deste sistema. Esta prática se difundiu rapidamente e poucos estudos técnicos foram realizados focando sua influência na segurança veicular. A elevação dos eixos altera de forma significativa a margem de estabilidade do veículo e a distribuição ideal das forças de frenagem, podendo elevar os riscos de acidentes. Este trabalho consiste num estudo aprofundado do desempenho dos veículos comerciais com estes sistemas de elevação de eixos, sob o ponto de vista técnico e operacional, focando a segurança veicular. Para tanto, são utilizados como metodologia modelos matemáticos já desenvolvidos na literatura científica em veículos exemplos. Parâmetros como a margem de estabilidade, gradiente de esterçamento, eficiência da frenagem dentre outros são analisados; também os efeitos na resposta direcional durante o período transitório em manobras e nos instantes iniciais da frenagem. As influências da elevação dos eixos são analisadas conforme normas e requisitos estabelecidos pela ABNT e ECE R13, inclusive anexo 10, pois a prática da elevação dos eixos pode estar infringindo requisitos impostos por estas normas. Como conclusão é visto que o levantamento dos eixos é prejudicial ao desempenho dinâmico do veículo. Em virtude disto, o seu uso deveria ser fundamentado tanto nas fases conceitual e de desenvolvimento quanto na legislação vigente no país. / The systems that elevate the axles of the commercial vehicles were initially developed with the objective of saving tires. The use of these systems was restricted, not causing a notable statistical effect in the vehicle safety. Due to an agreement between road concessionaires and the government, the commercial vehicles pay toll value according to the number of axles in contact with the soil on that moment, minimizing the taxes of the vehicles using this system. This practice was diffused quickly and few technical studies were accomplished focusing its influence in the vehicle safety. The elevated axles alters in a significant way the vehicle static margin of stability and the ideal distribution of the braking forces, increasing the accident risks. This work consist in deepened studies of the commercial vehicles with these systems of elevation of axles, of the technical and operational point of view, focusing the vehicle safety. For this is used as methodology mathematical models developed already in the scientific literature in vehicles examples. Parameters as the margin of stability, steer gradient, braking efficiency and others are analyzed. Likewise, the effects in the directional response during the transient maneuvers and in the initial instants of the braking. The influences of the elevation of the axes are analyzed according to norms and established requirements for ABNT and ECE R13, including annex 10, because the practice of the elevation of the axes can be infringing requirements imposed by these norms. As main conclusion these systems are prejudicial to vehicle dynamics and handling and its use could be anticipated in conceptual and design phase and in brazilian transport laws.

Os sistemas que elevam os eixos dos veículos comerciais foram inicialmente desenvolvidos com o objetivo de economizar pneus. Até o final da década de 90, o uso destes sistemas era restrito, não causando um efeito estatístico sensível na segurança veicular. Devido a um acordo entre concessionárias rodoviárias e o governo, os veículos comerciais pagam nas praças de pedágio o valor correspondente ao número de eixos em contato com o solo naquele momento, minimizando as tarifas dos veículos que fazem uso deste sistema. Esta prática se difundiu rapidamente e poucos estudos técnicos foram realizados focando sua influência na segurança veicular. A elevação dos eixos altera de forma significativa a margem de estabilidade do veículo e a distribuição ideal das forças de frenagem, podendo elevar os riscos de acidentes. Este trabalho consiste num estudo aprofundado do desempenho dos veículos comerciais com estes sistemas de elevação de eixos, sob o ponto de vista técnico e operacional, focando a segurança veicular. Para tanto, são utilizados como metodologia modelos matemáticos já desenvolvidos na literatura científica em veículos exemplos. Parâmetros como a margem de estabilidade, gradiente de esterçamento, eficiência da frenagem dentre outros são analisados; também os efeitos na resposta direcional durante o período transitório em manobras e nos instantes iniciais da frenagem. As influências da elevação dos eixos são analisadas conforme normas e requisitos estabelecidos pela ABNT e ECE R13, inclusive anexo 10, pois a prática da elevação dos eixos pode estar infringindo requisitos impostos por estas normas. Como conclusão é visto que o levantamento dos eixos é prejudicial ao desempenho dinâmico do veículo. Em virtude disto, o seu uso deveria ser fundamentado tanto nas fases conceitual e de desenvolvimento quanto na legislação vigente no país. / The systems that elevate the axles of the commercial vehicles were initially developed with the objective of saving tires. The use of these systems was restricted, not causing a notable statistical effect in the vehicle safety. Due to an agreement between road concessionaires and the government, the commercial vehicles pay toll value according to the number of axles in contact with the soil on that moment, minimizing the taxes of the vehicles using this system. This practice was diffused quickly and few technical studies were accomplished focusing its influence in the vehicle safety. The elevated axles alters in a significant way the vehicle static margin of stability and the ideal distribution of the braking forces, increasing the accident risks. This work consist in deepened studies of the commercial vehicles with these systems of elevation of axles, of the technical and operational point of view, focusing the vehicle safety. For this is used as methodology mathematical models developed already in the scientific literature in vehicles examples. Parameters as the margin of stability, steer gradient, braking efficiency and others are analyzed. Likewise, the effects in the directional response during the transient maneuvers and in the initial instants of the braking. The influences of the elevation of the axes are analyzed according to norms and established requirements for ABNT and ECE R13, including annex 10, because the practice of the elevation of the axes can be infringing requirements imposed by these norms. As main conclusion these systems are prejudicial to vehicle dynamics and handling and its use could be anticipated in conceptual and design phase and in brazilian transport laws.

O bi-trem é um veículo cada vez mais comum no trânsito brasileiro. Por ser um veículo de grande porte, é capaz de se envolver em acidentes catastróficos caso o sistema de freio não esteja projetado de maneira adequada. Neste contexto é necessário um estudo que permita prever e otimizar o desempenho do sistema de freios para qualquer condição operacional. Para isso foi desenvolvida uma planilha de cálculos para estudar o desempenho da frenagem de um bi-trem. A planilha calcula a aderência que cada eixo utiliza, a desaceleração máxima desenvolvida pelo veículo, o espaço e o tempo de parada, a força de frenagem (e sua porcentagem) em cada eixo, a temperatura final do tambor, a eficiência do sistema de freios, as forças normais ao pavimento, a distribuição real e ideal das forças de frenagem e verifica se o cavalo mecânico e os semi-reboques se enquadram, respectivamente, nos diagramas 3 e 4 do anexo 10 da ECE-R13. Tais cálculos podem ser feitos com o veículo utilizando ou não ABS e com válvula sensível a carga nos semi-reboques e no \"tandem\" do cavalo mecânico. A planilha de cálculo foi aplicada em um veículo exemplo e os resultados são apresentados nesta dissertação. O sistema de freios desse veículo foi otimizado com a utilização da planilha, mostrando como ela pode ser de grande auxílio ao projetista. / The bi-trem (a vehicle similar to a twin trailler truck) is more and more common in the brazilians highways. Because it\'s a large and heavy vehicle it can cause catastrophics accidents if the brakes are not well developed. In this context it is necessary a study that allows to foresee and to optimize the performance of the brakes system for any operational condition. In this work an electronic spread sheet was developed in order to study the braking performance of a bi-trem. The spread sheet calcs the adhesion in each axle, the maximum deceleration, the braking space and the braking time, the braking force (and its percentage) in each axle, the final temperature of the drum, the brake system\'s efficiency, the normal forces, the actual and ideal brake force distribution, and verifies if the tractor and the semi trailers are fitted in the annex 10 of EGE-R13. The reckoning can be made for a vehicle equipped or not with ABS and with the load sensing valve in the semi trailers and in the tandem axle of the tractor. The spread sheet was applied in a example vehicle and the results are presented in this dissertation. The brakes system of this vehicle was optimized with the use of the spread sheet, showing as it can be of great assists the designer.

A presente dissertação visa analisar o desempenho na frenagem de um cavalo mecânico e semi-reboque que utiliza o sistema ABS (Antilock Braking System). Foi desenvolvido um modelo virtual de simulação utilizando a técnica dos sistemas multicorpos (Multibody System) do SimMechanics, um toolbox do Matlab/Simulink. No modelo virtual do veículo combinado foram considerados os parâmetros geométricos e mecânicos dos chassis, das suspensões, dos freios, contato pneu-pavimento e a válvula sensível à carga. São obtidas as forças normais dinâmicas no contato pneu pavimento quando o veículo está desacelerando de 20m/s até a parada completa, estas forças normais dinâmicas são entradas de uma sub-rotina em Simulink onde são calculadas as forças de frenagem, quando os freios tipo S carne são acionados. São realizadas simulações de frenagens em linha reta em pistas de média aderência (0,4) e alta aderência (0,8). As eficiências são obtidas quando o cavalo mecânico utiliza a configuração fixa de ABS tipo 6S/6M e o semi-reboque utiliza diversas configurações de ABS tipos: 2S/1M (e 4,6); 2S/2M (e 4,6); 4S/2M (e4); 4S/2M (e6); 4S/3M (e4); 4S/3M (e6); 4S/4M (e4) e 4S/4M (e6) e 6S/6M. O veículo é simulado também freando sem sistema ABS e a eficiência resultante comparada com as obtidas anteriormente. Os resultados são apresentados em figuras que mostram as forças normais dinâmicas ao pavimento, as aderências utilizadas pelos pneus e as eficiências atingidas pelas diversas configurações de ABS utilizadas no semi-reboque. Conclui-se de forma geral que configurações de ABS com mais sensores e válvulas moduladoras produzem uma eficiência maior e que a utilização de qualquer configuração de ABS como sistema complementar do sistema de freios de serviço, aumenta a eficiência de frenagem que é sempre superior ao do veículo sem sistema ABS. Esses resultados ajudam na preservação da dirigibilidade e estabilidade do veículo combinado, contribuindo assim na prevenção de acidentes de trânsito em situações de emergência. / This dissertation reports on the development of a simulation model for the analysis of the braking performance of tractor-semitrailer vehicles that use the ABS (Antilock Braking System). The model was developed using the virtual simulation technique of multibody systems with SimMechanics, a toolbox of Matlab/Simulink. In this simulation model the mechanical and geometrical parameters of the chassis, suspensions, brakes, adhesion coefficient, and load sensing valve were considered. When the vehicle is decelerating, the normal forces between the tire and road surface are obtained by the virtual model. These forces are the input of a subroutine in which the braking forces are calculated when the S Came brakes are triggered. Simulations of braking on straight line in road were made for average adhesion coefficient (0.4) and high adhesion coefficient (0.8). Efficiencies were obtained when the tractor used fixed ABS configuration of a 6S/6M type, and the semitrailer used the ABS type: 2S/lM (and 4.6); 2S/2M (and 4.6); 4S/2M (e4); 4S/2M (e6); 4S/3M (e4); 4S/3M (e6); 4S/4M (e4) and 4S/4M (e6) and 6S/6M. The results are presented in figures which show, the normal dynamic forces between tire and road, adhesions used by the tires and the efficiencies achieved by different ABS configurations installed in the semi-trailer. It is possible to conclude that in general ABS configurations with more sensors and modulating valves produce higher efficiency and the use of any configuration as a complementary system of the ABS brake system service increases the braking efficiency, which is always higher than that of a vehicle without ABS. The results help preserving the vehicle stability and maneuverability, preventing road accidents in emergency situations.

O bi-trem é um veículo cada vez mais comum no trânsito brasileiro. Por ser um veículo de grande porte, é capaz de se envolver em acidentes catastróficos caso o sistema de freio não esteja projetado de maneira adequada. Neste contexto é necessário um estudo que permita prever e otimizar o desempenho do sistema de freios para qualquer condição operacional. Para isso foi desenvolvida uma planilha de cálculos para estudar o desempenho da frenagem de um bi-trem. A planilha calcula a aderência que cada eixo utiliza, a desaceleração máxima desenvolvida pelo veículo, o espaço e o tempo de parada, a força de frenagem (e sua porcentagem) em cada eixo, a temperatura final do tambor, a eficiência do sistema de freios, as forças normais ao pavimento, a distribuição real e ideal das forças de frenagem e verifica se o cavalo mecânico e os semi-reboques se enquadram, respectivamente, nos diagramas 3 e 4 do anexo 10 da ECE-R13. Tais cálculos podem ser feitos com o veículo utilizando ou não ABS e com válvula sensível a carga nos semi-reboques e no \"tandem\" do cavalo mecânico. A planilha de cálculo foi aplicada em um veículo exemplo e os resultados são apresentados nesta dissertação. O sistema de freios desse veículo foi otimizado com a utilização da planilha, mostrando como ela pode ser de grande auxílio ao projetista. / The bi-trem (a vehicle similar to a twin trailler truck) is more and more common in the brazilians highways. Because it\'s a large and heavy vehicle it can cause catastrophics accidents if the brakes are not well developed. In this context it is necessary a study that allows to foresee and to optimize the performance of the brakes system for any operational condition. In this work an electronic spread sheet was developed in order to study the braking performance of a bi-trem. The spread sheet calcs the adhesion in each axle, the maximum deceleration, the braking space and the braking time, the braking force (and its percentage) in each axle, the final temperature of the drum, the brake system\'s efficiency, the normal forces, the actual and ideal brake force distribution, and verifies if the tractor and the semi trailers are fitted in the annex 10 of EGE-R13. The reckoning can be made for a vehicle equipped or not with ABS and with the load sensing valve in the semi trailers and in the tandem axle of the tractor. The spread sheet was applied in a example vehicle and the results are presented in this dissertation. The brakes system of this vehicle was optimized with the use of the spread sheet, showing as it can be of great assists the designer.

A presente dissertação visa analisar o desempenho na frenagem de um cavalo mecânico e semi-reboque que utiliza o sistema ABS (Antilock Braking System). Foi desenvolvido um modelo virtual de simulação utilizando a técnica dos sistemas multicorpos (Multibody System) do SimMechanics, um toolbox do Matlab/Simulink. No modelo virtual do veículo combinado foram considerados os parâmetros geométricos e mecânicos dos chassis, das suspensões, dos freios, contato pneu-pavimento e a válvula sensível à carga. São obtidas as forças normais dinâmicas no contato pneu pavimento quando o veículo está desacelerando de 20m/s até a parada completa, estas forças normais dinâmicas são entradas de uma sub-rotina em Simulink onde são calculadas as forças de frenagem, quando os freios tipo S carne são acionados. São realizadas simulações de frenagens em linha reta em pistas de média aderência (0,4) e alta aderência (0,8). As eficiências são obtidas quando o cavalo mecânico utiliza a configuração fixa de ABS tipo 6S/6M e o semi-reboque utiliza diversas configurações de ABS tipos: 2S/1M (e 4,6); 2S/2M (e 4,6); 4S/2M (e4); 4S/2M (e6); 4S/3M (e4); 4S/3M (e6); 4S/4M (e4) e 4S/4M (e6) e 6S/6M. O veículo é simulado também freando sem sistema ABS e a eficiência resultante comparada com as obtidas anteriormente. Os resultados são apresentados em figuras que mostram as forças normais dinâmicas ao pavimento, as aderências utilizadas pelos pneus e as eficiências atingidas pelas diversas configurações de ABS utilizadas no semi-reboque. Conclui-se de forma geral que configurações de ABS com mais sensores e válvulas moduladoras produzem uma eficiência maior e que a utilização de qualquer configuração de ABS como sistema complementar do sistema de freios de serviço, aumenta a eficiência de frenagem que é sempre superior ao do veículo sem sistema ABS. Esses resultados ajudam na preservação da dirigibilidade e estabilidade do veículo combinado, contribuindo assim na prevenção de acidentes de trânsito em situações de emergência. / This dissertation reports on the development of a simulation model for the analysis of the braking performance of tractor-semitrailer vehicles that use the ABS (Antilock Braking System). The model was developed using the virtual simulation technique of multibody systems with SimMechanics, a toolbox of Matlab/Simulink. In this simulation model the mechanical and geometrical parameters of the chassis, suspensions, brakes, adhesion coefficient, and load sensing valve were considered. When the vehicle is decelerating, the normal forces between the tire and road surface are obtained by the virtual model. These forces are the input of a subroutine in which the braking forces are calculated when the S Came brakes are triggered. Simulations of braking on straight line in road were made for average adhesion coefficient (0.4) and high adhesion coefficient (0.8). Efficiencies were obtained when the tractor used fixed ABS configuration of a 6S/6M type, and the semitrailer used the ABS type: 2S/lM (and 4.6); 2S/2M (and 4.6); 4S/2M (e4); 4S/2M (e6); 4S/3M (e4); 4S/3M (e6); 4S/4M (e4) and 4S/4M (e6) and 6S/6M. The results are presented in figures which show, the normal dynamic forces between tire and road, adhesions used by the tires and the efficiencies achieved by different ABS configurations installed in the semi-trailer. It is possible to conclude that in general ABS configurations with more sensors and modulating valves produce higher efficiency and the use of any configuration as a complementary system of the ABS brake system service increases the braking efficiency, which is always higher than that of a vehicle without ABS. The results help preserving the vehicle stability and maneuverability, preventing road accidents in emergency situations.