Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (especialização em Vias de Comunicação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Esse trabalho fornece uma descrição detalhada sobre os fenômenos da dinâmica veicular que influenciam no ride, desde os modos de vibrar de massa suspensa até os modos de vibrar com a presença de flexibilidade do chassi. Alguns itens desta descrição servem como esclarecimento de aspectos raramente encontrados na literatura. O potencial de representação dos modelos simplificados, com poucos graus de liberdade, foi explorado exaustivamente. O entendimento obtido com esses modelos, em conjunto com os procedimentos atuais de avaliação de conforto, possibilitou a análise das métricas atuais relativas ao ride e a definição de novas métricas mais adequadas para esse tipo de avaliação. A teoria apresentada nesse trabalho foi ilustrada através de exemplos reais com medições experimentais e simulações computacionais de veículos de produção da Ford Motor Company. / Using simplified mathematical models this work presents a detailed description of vehicle characteristics that significantly influence ride evaluation. These simple modes were used in order to describe basic vehicle modes of vibration, such as bounce, pitch and unsprung mass ones. The influence of modes of vibration with frame flexibility was also presented by means of a full vehicle model. These models were used in order to evaluate current ride metrics and to propose new ones. These new metrics seemed to better correlate with subjective evaluation and with the standards used for comfort evaluation. The theory described in this work was illustrated by experimental results of Ford Motor Company vehicles.

Considerando o nível de competitividade do mercado automobilístico atual, a satisfação do cliente tem se tornado uma vantagem competitiva a ser considerada, devido ao aumento da expectativa dos clientes em relação à percepção da qualidade. Neste aspecto, uma das maiores dificuldades existentes no projeto de sistemas de freio reside no fato de transformar informações e/ou opiniões subjetivas em informações e/ou dados objetivos, tais como parâmetros de projeto. O presente trabalho investiga a análise objetiva do conforto de frenagem de automóveis de passeio, estabelecendo indicadores que auxiliem e/ou complementem as análises subjetivas normalmente utilizadas pela empresa, para um estudo de caso envolvendo a mudança de material de atrito da pastilha do freio a disco de um automóvel de passeio. Foram utilizados para a análise objetiva, programas de simulação computacional para analisar o desempenho do sistema de freio com relação aos indicadores estabelecidos. Os dados obtidos através desta simulação foram comparados, tanto com os resultados da avaliação subjetiva, quanto aos resultados de medições experimentais do veículo analisado, buscando analisar a correlação dos resultados. Ao final do trabalho, da comparação realizada entre a avaliação subjetiva e a avaliação objetiva observou-se uma melhoria no conforto de frenagem aos usuários, apesar de ser imperceptível na avaliação subjetiva. Esta ferramenta será muito importante no estabelecimento da curva de conforto de frenagem ótima para os novos desenvolvimentos de sistemas de freio eletrohidráulicos, denominados “brake-by-wire" (BBW). / Considering today’s competitive automotive market, the customer satisfaction has become a competitive advantage to be considered, due to the customer expectation increasing regarding the quality perception. In this aspect, one of biggest existing difficulties in the brake system design is to transform subjective information and/or opinions into objective information and/or data, such as design parameters. The present study investigates the objective analysis of the brake pedal feeling for passenger cars, establishing index that can support and/or complement the subjective analysis, usually used by our company, for a study case involving the friction material change of passenger car’s caliper brake pad. The computational simulation program has been used for the objective analysis, to analyze the brake system performance based on established index. The obtained data through this simulation was compared with the subjective evaluation results as much as with experimental measurements results of the analyzed vehicle, analyzing the correlation of results. To the end of this study, based on the comparison between subjective evaluation and objective evaluation, it observed a brake comfort improvement for drivers, instead of this characteristic would be imperceptive in subjective evaluation. This tool will be very important in the optimum comfort curve establishment for the new developments of electro-hydraulic brake systems, called "brake-by-wire" (BBW).

O propósito desta dissertação consiste em realizar um estudo do comportamento dinâmico lateral da caixa de um veículo ferroviário. Inicialmente fez-se uma abordagem do estado da arte referente à utilização de suspensões pneumáticas, sobre o funcionamento de sistemas de nivelamento, flexibilidade de caixas em análise dinâmica e irregularidades de vias férreas. Em seguida, definiu-se um modelo físico de um veículo ferroviário e, após determinadas simplificações, chegou-se a um sistema de nove graus de liberdade composto de uma caixa e dois truques de um rodeiro cada. Uma vez deduzidas as equações diferenciais de movimento, desenvolveram-se duas soluções capazes de fornecer resultados temporais e no domínio da freqüência. Através da primeira delas, a solução analítica, obtêm-se as respostas em freqüência e temporal dos movimentos lateral, roll e yaw da caixa para excitações de rotação longitudinal dos rodeiros. O segundo tipo de solução, por integração numérica, possui como excitações de entrada os deslocamentos verticais e rotacionais dos rodeiros e, como saídas, os movimentos nos nove graus de liberdade definidos para o sistema. Outra propriedade da solução por integração numérica é sua capacidade de simular suspensões secundárias lineares e não lineares. O artigo \"Manchester Benchmarks for rail vehicle simulation\" (IWNICKI, 1999) forneceu os parâmetros que definem o veículo e os princípios de irregularidades da via. Três tipos de comparações foram conduzidas, na primeira delas os resultados da análise modal deste trabalho foram confrontados com os resultados publicados pelos participantes do Benchmark e a proximidade entre eles permite fazer sua validação. O segundo tipo de comparação foi feito entre os resultados temporais das soluções analítica e por integração numérica e, o terceiro, entre simulações por integração numérica utilizando suspensões secundárias lineares e não lineares. Neste último caso, os resultados mostram que a linearização das suspensões secundárias podem ser feitas sem que haja diferenças significativas uma vez que os deslocamentos e ângulos são pequenos. Finalmente, elaborou-se uma análise para verificar a influência da variação da rigidez vertical das suspensões secundárias nas amplitudes, acelerações e no valor médio quadrático da aceleração (rms) dos movimentos laterais da caixa no domínio da freqüência. Os resultados obtidos permitem dizer que para a faixa de freqüência de maior sensibilidade do ser humano às vibrações laterais, entre 0,5 Hz e 2 Hz segundo a norma ISO 2631, há uma redução das vibrações dos movimentos lateral e roll da caixa, quando tais rijezas são reduzidas. Porém, as conseqüências da variação deste parâmetro nos demais modos de vibrar e na estabilidade do veículo constituem um estudo que pode ser realizado em um trabalho futuro. / This master\'s thesis aims at studying the lateral dynamic behavior of a railway vehicle\'s bodyshell. First is examined the state of the art related to the use of pneumatic suspensions, to leveling systems\' operation, to carbody flexibility\'s dynamic analysis and to railway\'s irregularities. The definition of the physical modeling of rail vehicle is carried out, followed by a number of simplifications, from which is defined a system with nine degrees of freedom, made up of a carbody and two bogies with one wheelset each. Once the motion\'s differential equations are defined, two solutions are carried out, capable of producing results in both time and frequency domains. The first one enables to display time and frequency responses of the carbody lateral displacement, roll and yaw for longitudinal rotation excitations of the wheelsets. The second type of solution that is obtained through numerical integration, deals with rolling and vertical displacement of the wheelsets as input data, and outputs the movements of the nine degrees of freedom defined for the system. The numerical integration solution also has the advantage of being capable of simulating linear as well as non linear secondary suspensions. The article \"Manchester Benchmarks for rail simulation\" (IWNICKI, 1999) provides the parameters that define the vehicle and the irregularities\' principles of the railway. Three types of comparisons were carried out. In the first, the results of this work\'s modal analysis were confronted to the results published by the participants of the benchmark, and the proximity of them was worth validation. The second type of comparison was made between the time domain results of both analytic and numerical integration solutions, and the third between numerical integration simulations using linear and non linear secondary suspensions. This last comparison show that the linearization of secondary suspensions can be done without afecting the results for small displacements and angles. Finally, an analysis is made up so as to verify how the vertical stiffness of secondary suspension affects the lateral displacement, acceleration and the rootmean-square (rms) accelerations of the carbody in frequency domain. The result of this work allows concluding that in the frequency range of maximal sensibility to the human being to lateral vibrations, that is between 0.5 Hz and 2 Hz according to ISO263-1, a decrease of the lateral and roll vibrations of the carbody occurs when this stifness is reduced. However this parameter\'s variations consequences on other vibration modes and on the vehicle stability could be analyzed in greater depth in a future study.

O trabalho desenvolvido tem como objetivo aplicar metodologias de otimização de suspensão para veículos de passageiro e comerciais leves, baseando-se em parâmetros de dirigibilidade e conforto veicular, através do uso de simulação numérica computacional. São apresentadas métricas objetivas utilizadas para a avaliação de um veículo com relação ao seu desempenho em termos de dirigibilidade e conforto e é proposta uma nova métrica global conjunta. São desenvolvidos no trabalho modelos analíticos para quantificar as métricas de dirigibilidade. Os resultados obtidos foram comparados com medições experimentais e resultados de modelos multicorpos mais complexos, atingindo o nível de correlação necessário para os propósitos deste trabalho. Alguns dos modelos analíticos desenvolvidos são contribuições inovadoras deste trabalho, não tendo correspondente anterior na literatura. É apresentada a modelagem dinâmica vertical que possibilita avaliar as métricas de conforto, cuja aplicação foi feita em conjunto com os modelos analíticos de dirigibilidade desenvolvidos, obtendo-se uma avaliação global conjunta. Três ferramentas de otimização são apresentadas e avaliadas na aplicação ao problema de otimização global. A análise comparativa dos resultados dos métodos de otimização permite identificar qual método mais adequado com relação ao desempenho computacional, praticidade de uso e disponibilidade de informação. Finalmente, demonstra-se que a aplicação da otimização numérica proporciona resultados efetivos para melhoria do produto, trazendo ganhos de tempo e custo no desenvolvimento de um novo projeto. / This work is intended to apply suspension set-up optimization methodologies to passenger vehicles and pick-up trucks based on their ride and handling parameters through the use of numerical computational simulation. Metrics used to evaluate a vehicle regarding its performance in terms of ride and handling are shown and a new global single metric for ride and handling is proposed. Analytical models are developed to quantify the vehicle handling metrics. The results obtained were compared with experimental measurements and the results of more complex multibody models, achieving the correlation level required for the purposes of this work. Some of the analytical models herein developed are new contributions from this work and were not previously available in the literature. The vertical dynamic model that allows the computation of the ride comfort metrics is shown, and its application simultaneously with the analytical handling models developed allows the calculation of the proposed global single ride and handling metric. Three different optimization techniques are presented and studied in order to compare their performance for the proposed problem. The comparative analysis among the optimization results allows determining where each method is more adequate with respect to computational performance, usage friendliness and information availability. Finally, it is shown that the application of numerical optimization is effective to improve the product performance, with gains in terms of development time and cost for a new project.

[pt] Talhas são dispositivos mecânicos muito usados para carregar e descarregar objetos e/ou transportá-los em indústrias e em armazéns. O movimento da talha é controlado por um operador ou é programado e controlado automaticamente. Nos dois casos, o movimento da talha causa balanços indesejáveis da carga e da garra, levando a um tempo ocioso antes do agarramento e do posicionamento da carga, bem como podendo ocasionar o escape dos cabos das ranhuras das polias, sendo pois um problema de segurança. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos matemáticos que representam um sistema tipo pêndulo embarcado em um veículo que suporta uma carga suspensa por um ou mais cabos. A estrutura na qual se prende o ponto de fixação do cabo de sustentação, chamada de trolley, movimenta-se nas direções horizontal e vertical em função de excitações que são oriundas do movimento sofrido pelo veículo. Este veículo é representado por um outro modelo que está acoplado ao sistema do pêndulo. São projetadas leis de controle para cada um dos modelos criados para que sejam minimizadas as acelerações da carga suspensa. Um dos modelos criados representa uma maca com paciente, suspensos por cabo numa ambulância. A lei de controle deve dar conforto a este paciente ao ser transportado. Para avaliar e validar os modelos dinâmicos e os projetos de controle são realizadas várias simulações e análises experimentais. / [en] Cranes are very used mechanical devices to load and to unload objects and/or to carry them in industries and warehouses. The movement of the crane is controlled by an operator or is programmed and controlled automatically. In the two cases, the movement of the crane cause undesirable swings of the load and claw, leading to an idle time before the grasping and the positioning of the load, as well as being able to cause to the escape of the ropes of the grooves of the pulleys. This can cause a security problem. This work presents the development of mathematical models that represent a system like a pendulum, where the load is suspended by one or more ropes. The structure in which the point of attachment of the rope of sustentation, called trolley, have motion in the horizontal and vertical directions. These excitements are deriving of the movement suffered from another model that represents a vehicle that is coupled to the system of the pendulum. Laws of control are projected for each model created so that the accelerations of the suspended load are minimized. One of the models created represents a stretcher with patient suspended by rope in an ambulance. The control law must give comfort to this patient in the transport. To evaluate and to validate the dynamic models and the designs of control created some simulations and experimental analyses are carried through.

O propósito desta dissertação consiste em realizar um estudo do comportamento dinâmico lateral da caixa de um veículo ferroviário. Inicialmente fez-se uma abordagem do estado da arte referente à utilização de suspensões pneumáticas, sobre o funcionamento de sistemas de nivelamento, flexibilidade de caixas em análise dinâmica e irregularidades de vias férreas. Em seguida, definiu-se um modelo físico de um veículo ferroviário e, após determinadas simplificações, chegou-se a um sistema de nove graus de liberdade composto de uma caixa e dois truques de um rodeiro cada. Uma vez deduzidas as equações diferenciais de movimento, desenvolveram-se duas soluções capazes de fornecer resultados temporais e no domínio da freqüência. Através da primeira delas, a solução analítica, obtêm-se as respostas em freqüência e temporal dos movimentos lateral, roll e yaw da caixa para excitações de rotação longitudinal dos rodeiros. O segundo tipo de solução, por integração numérica, possui como excitações de entrada os deslocamentos verticais e rotacionais dos rodeiros e, como saídas, os movimentos nos nove graus de liberdade definidos para o sistema. Outra propriedade da solução por integração numérica é sua capacidade de simular suspensões secundárias lineares e não lineares. O artigo \"Manchester Benchmarks for rail vehicle simulation\" (IWNICKI, 1999) forneceu os parâmetros que definem o veículo e os princípios de irregularidades da via. Três tipos de comparações foram conduzidas, na primeira delas os resultados da análise modal deste trabalho foram confrontados com os resultados publicados pelos participantes do Benchmark e a proximidade entre eles permite fazer sua validação. O segundo tipo de comparação foi feito entre os resultados temporais das soluções analítica e por integração numérica e, o terceiro, entre simulações por integração numérica utilizando suspensões secundárias lineares e não lineares. Neste último caso, os resultados mostram que a linearização das suspensões secundárias podem ser feitas sem que haja diferenças significativas uma vez que os deslocamentos e ângulos são pequenos. Finalmente, elaborou-se uma análise para verificar a influência da variação da rigidez vertical das suspensões secundárias nas amplitudes, acelerações e no valor médio quadrático da aceleração (rms) dos movimentos laterais da caixa no domínio da freqüência. Os resultados obtidos permitem dizer que para a faixa de freqüência de maior sensibilidade do ser humano às vibrações laterais, entre 0,5 Hz e 2 Hz segundo a norma ISO 2631, há uma redução das vibrações dos movimentos lateral e roll da caixa, quando tais rijezas são reduzidas. Porém, as conseqüências da variação deste parâmetro nos demais modos de vibrar e na estabilidade do veículo constituem um estudo que pode ser realizado em um trabalho futuro. / This master\'s thesis aims at studying the lateral dynamic behavior of a railway vehicle\'s bodyshell. First is examined the state of the art related to the use of pneumatic suspensions, to leveling systems\' operation, to carbody flexibility\'s dynamic analysis and to railway\'s irregularities. The definition of the physical modeling of rail vehicle is carried out, followed by a number of simplifications, from which is defined a system with nine degrees of freedom, made up of a carbody and two bogies with one wheelset each. Once the motion\'s differential equations are defined, two solutions are carried out, capable of producing results in both time and frequency domains. The first one enables to display time and frequency responses of the carbody lateral displacement, roll and yaw for longitudinal rotation excitations of the wheelsets. The second type of solution that is obtained through numerical integration, deals with rolling and vertical displacement of the wheelsets as input data, and outputs the movements of the nine degrees of freedom defined for the system. The numerical integration solution also has the advantage of being capable of simulating linear as well as non linear secondary suspensions. The article \"Manchester Benchmarks for rail simulation\" (IWNICKI, 1999) provides the parameters that define the vehicle and the irregularities\' principles of the railway. Three types of comparisons were carried out. In the first, the results of this work\'s modal analysis were confronted to the results published by the participants of the benchmark, and the proximity of them was worth validation. The second type of comparison was made between the time domain results of both analytic and numerical integration solutions, and the third between numerical integration simulations using linear and non linear secondary suspensions. This last comparison show that the linearization of secondary suspensions can be done without afecting the results for small displacements and angles. Finally, an analysis is made up so as to verify how the vertical stiffness of secondary suspension affects the lateral displacement, acceleration and the rootmean-square (rms) accelerations of the carbody in frequency domain. The result of this work allows concluding that in the frequency range of maximal sensibility to the human being to lateral vibrations, that is between 0.5 Hz and 2 Hz according to ISO263-1, a decrease of the lateral and roll vibrations of the carbody occurs when this stifness is reduced. However this parameter\'s variations consequences on other vibration modes and on the vehicle stability could be analyzed in greater depth in a future study.

O trabalho desenvolvido tem como objetivo aplicar metodologias de otimização de suspensão para veículos de passageiro e comerciais leves, baseando-se em parâmetros de dirigibilidade e conforto veicular, através do uso de simulação numérica computacional. São apresentadas métricas objetivas utilizadas para a avaliação de um veículo com relação ao seu desempenho em termos de dirigibilidade e conforto e é proposta uma nova métrica global conjunta. São desenvolvidos no trabalho modelos analíticos para quantificar as métricas de dirigibilidade. Os resultados obtidos foram comparados com medições experimentais e resultados de modelos multicorpos mais complexos, atingindo o nível de correlação necessário para os propósitos deste trabalho. Alguns dos modelos analíticos desenvolvidos são contribuições inovadoras deste trabalho, não tendo correspondente anterior na literatura. É apresentada a modelagem dinâmica vertical que possibilita avaliar as métricas de conforto, cuja aplicação foi feita em conjunto com os modelos analíticos de dirigibilidade desenvolvidos, obtendo-se uma avaliação global conjunta. Três ferramentas de otimização são apresentadas e avaliadas na aplicação ao problema de otimização global. A análise comparativa dos resultados dos métodos de otimização permite identificar qual método mais adequado com relação ao desempenho computacional, praticidade de uso e disponibilidade de informação. Finalmente, demonstra-se que a aplicação da otimização numérica proporciona resultados efetivos para melhoria do produto, trazendo ganhos de tempo e custo no desenvolvimento de um novo projeto. / This work is intended to apply suspension set-up optimization methodologies to passenger vehicles and pick-up trucks based on their ride and handling parameters through the use of numerical computational simulation. Metrics used to evaluate a vehicle regarding its performance in terms of ride and handling are shown and a new global single metric for ride and handling is proposed. Analytical models are developed to quantify the vehicle handling metrics. The results obtained were compared with experimental measurements and the results of more complex multibody models, achieving the correlation level required for the purposes of this work. Some of the analytical models herein developed are new contributions from this work and were not previously available in the literature. The vertical dynamic model that allows the computation of the ride comfort metrics is shown, and its application simultaneously with the analytical handling models developed allows the calculation of the proposed global single ride and handling metric. Three different optimization techniques are presented and studied in order to compare their performance for the proposed problem. The comparative analysis among the optimization results allows determining where each method is more adequate with respect to computational performance, usage friendliness and information availability. Finally, it is shown that the application of numerical optimization is effective to improve the product performance, with gains in terms of development time and cost for a new project.

Considerando o nível de competitividade do mercado automobilístico atual, a satisfação do cliente tem se tornado uma vantagem competitiva a ser considerada, devido ao aumento da expectativa dos clientes em relação à percepção da qualidade. Neste aspecto, uma das maiores dificuldades existentes no projeto de sistemas de freio reside no fato de transformar informações e/ou opiniões subjetivas em informações e/ou dados objetivos, tais como parâmetros de projeto. O presente trabalho investiga a análise objetiva do conforto de frenagem de automóveis de passeio, estabelecendo indicadores que auxiliem e/ou complementem as análises subjetivas normalmente utilizadas pela empresa, para um estudo de caso envolvendo a mudança de material de atrito da pastilha do freio a disco de um automóvel de passeio. Foram utilizados para a análise objetiva, programas de simulação computacional para analisar o desempenho do sistema de freio com relação aos indicadores estabelecidos. Os dados obtidos através desta simulação foram comparados, tanto com os resultados da avaliação subjetiva, quanto aos resultados de medições experimentais do veículo analisado, buscando analisar a correlação dos resultados. Ao final do trabalho, da comparação realizada entre a avaliação subjetiva e a avaliação objetiva observou-se uma melhoria no conforto de frenagem aos usuários, apesar de ser imperceptível na avaliação subjetiva. Esta ferramenta será muito importante no estabelecimento da curva de conforto de frenagem ótima para os novos desenvolvimentos de sistemas de freio eletrohidráulicos, denominados “brake-by-wire” (BBW). / Considering today’s competitive automotive market, the customer satisfaction has become a competitive advantage to be considered, due to the customer expectation increasing regarding the quality perception. In this aspect, one of biggest existing difficulties in the brake system design is to transform subjective information and/or opinions into objective information and/or data, such as design parameters. The present study investigates the objective analysis of the brake pedal feeling for passenger cars, establishing index that can support and/or complement the subjective analysis, usually used by our company, for a study case involving the friction material change of passenger car’s caliper brake pad. The computational simulation program has been used for the objective analysis, to analyze the brake system performance based on established index. The obtained data through this simulation was compared with the subjective evaluation results as much as with experimental measurements results of the analyzed vehicle, analyzing the correlation of results. To the end of this study, based on the comparison between subjective evaluation and objective evaluation, it observed a brake comfort improvement for drivers, instead of this characteristic would be imperceptive in subjective evaluation. This tool will be very important in the optimum comfort curve establishment for the new developments of electro-hydraulic brake systems, called "brake-by-wire" (BBW).

Esse trabalho fornece uma descrição detalhada sobre os fenômenos da dinâmica veicular que influenciam no ride, desde os modos de vibrar de massa suspensa até os modos de vibrar com a presença de flexibilidade do chassi. Alguns itens desta descrição servem como esclarecimento de aspectos raramente encontrados na literatura. O potencial de representação dos modelos simplificados, com poucos graus de liberdade, foi explorado exaustivamente. O entendimento obtido com esses modelos, em conjunto com os procedimentos atuais de avaliação de conforto, possibilitou a análise das métricas atuais relativas ao ride e a definição de novas métricas mais adequadas para esse tipo de avaliação. A teoria apresentada nesse trabalho foi ilustrada através de exemplos reais com medições experimentais e simulações computacionais de veículos de produção da Ford Motor Company. / Using simplified mathematical models this work presents a detailed description of vehicle characteristics that significantly influence ride evaluation. These simple modes were used in order to describe basic vehicle modes of vibration, such as bounce, pitch and unsprung mass ones. The influence of modes of vibration with frame flexibility was also presented by means of a full vehicle model. These models were used in order to evaluate current ride metrics and to propose new ones. These new metrics seemed to better correlate with subjective evaluation and with the standards used for comfort evaluation. The theory described in this work was illustrated by experimental results of Ford Motor Company vehicles.