Uma ocorrência ferroviária tem danos imprevisíveis, desde um simples atraso do horário do trem enquanto o socorro ferroviário encarrilha o vagão, até prejuízos milionários com grande perda de ativos (material rodante e via permanente) e, em casos extremos, até vidas humanas. Portanto, as ferrovias nacionais sempre buscam maneiras de programar ações que minimizam este risco. Uma das principais ações é estabelecer critérios de manutenção sempre justos. Entretanto, estes critérios geralmente não contemplam de maneira conjunta a dinâmica veicular e a geometria da via permanente. Neste sentido, este trabalho elabora um modelo matemático de um vagão ferroviário de alta capacidade em conjunto com a flexibilidade do suporte da via permanente. O modelo matemático foi validado e considerado satisfatório, a partir da comparação das frequências naturais obtidas no vagão real e na comparação de seu resultado produzido a partir de uma entrada medida com equipamentos de controle de geometria de linha e de medições dinâmicas realizadas por vagão instrumentado. Um método estratégico para análise da segurança do veículo foi sugerida e utilizada mostrando-se capaz de determinar os comprimentos de onda da via permanente que devem ser priorizados na manutenção, bem como na análise da segurança do vagão quando na adoção de restrições de velocidades. / A railway derailment is usually an unpredictable, damage from a simple train delay of to a big goods loss of assets (rolling stock and permanent way) and, in extremely cases, even human lives. Therefore, the Brazilians railways are always implementing actions that minimize this risk of a derailment. One of the main actions is to establish tight maintenance criteria. However, these usually do not consider the vehicle dynamics and the geometry of the permanent way together. Thus, this paper develops a mathematical model of a high capacity railcar together with the flexibility of the support of the permanent way. The mathematical model was validated and considered satisfactory, by comparing the natural frequencies obtained between the model and a real vehicle tested in the field. In addition, the model results were compared against filed measurements of an instrumented wagon and a track geometric data. A strategic method to analysis the operational safety analysis was suggested and used proving to be able to determine the wavelength of the permanent way that should be prioritized in the maintenance action as well as when adopting speed restriction.

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.

A utilização de motores elétricos diretamente nos cubos de roda é uma alternativa de propulsão para um veiculo elétrico ou híbrido muito interessante, pois não necessita do uso de sistemas complexos de transmissão, tornando o conjunto mecânico muito mais simples e, consequentemente, reduzindo a sua massa, atritos e custos. Entretanto, a adição dos motores nas rodas causa o incremento da massa não suspensa, e isto irá afetar o comportamento de dirigibilidade do veículo. Dessa forma, com ajuda da ferramenta de multicorpos, será identificado o que ocorrerá devido ao acréscimo de massa compatível com os motores elétricos de última geração. Para isto, uma série de análises comparativas será realizada, com modelos de veículos baseados na técnica de multicorpos, para o caso de um carro de passeio compacto. Primeiramente, uma análise modal comparando um carro convencional aos carros com a utilização dos motores, no eixo traseiro ou no dianteiro, e uma posterior avaliação das frequências obtidas. Em sequência, também foram realizadas manobras padrão com o modelo de veículo completo e foram observadas maiores influências nos resultados das análises em regime transiente, como a manobra de troca de faixa e a manobra do anzol (\"fishhook\"). Com a ajuda destes resultados, foi possível identificar que as instalações dos motores elétricos nos cubos traseiros causam uma menor influência negativa no desempenho de dirigibilidade, quando comparado com o caso instalado no eixo dianteiro. Através de uma otimização realizada com a ajuda de uma análise de sensibilidade das variáveis do sistema (D.O.E.), baseada na manobra do anzol, foi possível identificar que alterações nas molas, amortecedores e barra estabilizadora são capazes de mitigar os efeitos indesejáveis causados pelo incremento de massa não suspensa. / The electric motors directly in wheel hubs usage is an alternative of propulsion for a electric or hybrid vehicle, since it does not need the use of complex systems of transmission, making the mechanical assembly simpler and, consequently, reducing its mass , frictions and costs. However, the addition of the motors in the wheels causes an increase unsprung mass, and this will affect the vehicle handlings behavior. In that way, with the assistance of the multibody tool, it will be identified the consequences of mass addition, compatible with the moderns electric motors of. In this work, a series of comparative analyzes will be carried out, with vehicle models based on multibody techniques, in the situation of a compact car. First, a modal analysis comparing a conventional car to with the vehicle using hub driven motors, in rear or front axle, and an evaluation of the obtained frequencies. In the sequence, standard maneuvers were also performed with the complete vehicle model, and greater influences were observed in the transient analysis results, such as lane change and fishhook maneuver. With help of these results, it was possible to identify; that the installation of the electric motors in the rear hubs causes a smaller negative influence on the handling performance when compared to the case installed on the front axle. Through an optimization performed with the aid of a system variable sensitivity analysis (D.O.E.) based on the fish hook maneuver, it was possible to identify thtat changes on springs, shock absorbers and stabilizer bar are able to mitigate the undesirable effects caused by the increase of unsprung mass.

The present study has the objective of evaluating the effect of lubricant features on the friction coefficient by using three different lubricants (two synthetics and one mineral), which are used in automotive transmissions. In order to perform experiments, it was used a ball-on-disc system. The disc was manufactured with the same mechanical properties as transmission gears and the ball was made of 52100 SAE steel. The test parameters were defined based on a dynamic analysis conducted using \"ISOCAD\" which takes into account the geometry of the gear and vehicle dynamics (applied force and speed) during the tribological experiments. In order to set the temperature parameter, the lubricant testing temperature of a standard fuel economy was used. Experiments were conducted in two different lubrication conditions: i (starved) and ii (fully flooded). After the parameters were defined, it was possible to calculate the oil film thickness and, thus define the lubrication regime reached in each condition. Mixed and/or boundary lubrication was obtained in all the tests. Results showed the relationship between the speed and the specific oil film using a Khonsari and Masjedi formulation (2014), which takes into account the effect of surface roughness and, it is based on Downson and Higginson\'s (1981) formulation. The chemical analysis of the lubricant showed a relationship between friction coefficient and the additives used in lubricants. These results also showed the oil performance under different temperatures, speeds and loads. The best results were obtained for a synthetic lubricant. / O presente estudo tem o objetivo de avaliar o efeito de propriedades dos lubrificantes sobre o coeficiente de atrito. Para tanto foram testados três lubrificantes diferentes (dois sintéticos e um mineral), que são utilizados em transmissões automotivas. Os experimentos foram conduzidos utilizando um sistema tribológico denominado \"ball-on-disc\". Os discos foram fabricados com as mesmas propriedades mecânicas das engrenagens de transmissão, já as esferas foram fabricadas com aço SAE 52100. Os parâmetros de teste foram definidos com base na análise dinâmica conduzida utilizando o software \"ISOCAD\", que leva em conta a geometria da engrenagem e a dinâmica do veículo (força aplicada e velocidade) durante os ensaios tribológicos. Para definir os parâmetros de temperatura, foram utilizadas as mesmas temperaturas encontradas durante o ensaio de economia de combustível padronizado. Experimentos foram realizados em duas condições de lubrificação diferentes: i) fornecimento limitado de lubrificante, ou \"Starved\" e ii) condição de lubrificação imersa, ou \"Fully flooded\". Depois dos parâmetros definidos, foi possível calcular a espessura de filme de óleo, de forma a definir o regime de lubrificação alcançado em cada condição. Lubrificação mista e limítrofe foi obtida todas as condições de testes. Os resultados mostraram a relação entre a velocidade e o filme de óleo específico usando uma formulação de Khonsari e Masjedi (2014), que leva em conta o efeito da rugosidade da superfície e baseia-se na formulação de Downson e Higginson (1981). A análise química do lubrificante mostrou que existe uma relação entre o coeficiente de atrito e os aditivos utilizados nos lubrificantes. Estes resultados também mostram o desempenho dos lubrificantes em diferentes temperaturas, velocidades e cargas. Os melhores resultados foram obtidos para um lubrificante sintético.

O método aqui desenvolvido, bem como as aplicações feitas ao estudo de sistemas clássicos da dinâmica não-linear, tiveram por objetivo construir uma ferramenta adequada à descrição das características globais de fenômenos complexos da dinâmica não-linear. Uma característica típica da descrição probabilística do comportamento dinâmico de um sistema é sua expressão em termos da evolução temporal da função densidade de probabilidade dos estados, que é governada por uma equação diferencial linear, em contraste com a descrição temporal convencional, utilizada em dinâmica não-linear. Enquanto esta última, comumente dita determinística, exibe fenômenos tais como instabilidades, bifurcações, sensibilidade a condições iniciais etc, a descrição probabilística se manifesta, quando o sistema dinâmico detém propriedades de ergodicidade, em uma evolução não-reversível da função densidade de probabilidade em direção a um estado final invariante, mais especificamente tendendo ao equilíbrio global de um sistema linear. Este trabalho visa a aplicação da teoria probabilística da evolução de densidades de probabilidade em um problema de capotamento de veículos. Para isso, a teoria é descrita por meio de seus fundamentos e aplicada primeiramente em modelos clássicos da dinâmica não-linear, que, por serem bem estudados, podem comprovar a validade, bem como a extensão dessa forma de análise. / The method developed in this work, as well as its application in classical non-linear dynamics systems, had the main purpose of building a suitable tool in describing global complex phenomena of non-linear dynamics. A typical feature of the probabilistic approach of dynamics systems behavior is the ability to express it as a temporal probability density function evolution in terms of a linear evolution equation, which is ruled by a linear differential equation, as opposed to the regular temporal description used in non-linear dynamics. While the aforementioned description, also called deterministic, may face a variety of phenomena such as instabilities, bifurcation, high sensibility to initial conditions etc, in the probabilistic approach, as long as the dynamic system enjoys some ergodic properties, the probability density function will be driven irreversibly to a final invariant state, towards a global equilibrium of a linear system. This work consists in the application of probabilistic theory of density evolution in the problem of vehicle rollover subject to a certain maneuver. In order to accomplish that, all theory described is firstly applied to classical problems of nonlinear dynamics, since they have many established results, and as such, can validate and extend this sort of analysis for any dynamic system.

Apresenta uma solução inovadora de controle por redes neurais artificiais aprendendo segundo a técnica de aprendizagem por reforço usando algoritmos genéticos para integrar múltiplos sistemas ativos no controle de estabilidade de um veículo. Estudo, restringido a um domínio de manobras, foi desenvolvido excluindo falhas e alterações da planta no tempo. Contribui para responder como o controlador de dinâmica veicular pode ser aperfeiçoado para atuação simultânea de múltiplos sistemas ativos. Contempla o desenvolvimento do neurocontrolador e algoritmo de aprendizagem na plataforma Matlab, de um modelo de dinâmica veicular em ambiente ADAMS e do modelo de referência, atuadores e observador com programação Matlab. Analisa a estabilidade da planta e define regiões de atuação do controlador. Apresenta um estudo e definição da técnica de controle de estabilidade em guinada para nortear a função de otimização, o treinamento e as simulações. Treinamento da rede neural para acomodar as não linearidades envolvidas na planta e para otimizar a integração dos múltiplos sistemas ativos focando nas especificações de desempenho do controlador e no domínio de situações a serem analisadas. Simulação de situações e manobras para validação e avaliação do desempenho do controlador com co-simulação entre Matlab e ADAMS. Resultados qualitativos e quantitativos do desempenho do controlador justificando a integração efetiva dos sistemas e o neurocontrolador não-linear. / Presents an innovative control solution with artificial neural networks learning using reinforcement learning by genetic algorithms to integrate multiple active systems to control yaw vehicle stability. Study restricted to a maneuver domain and excluding plant changes in time and failures. Contributes to answer how the vehicle dynamics controller can be improved for multiple simultaneous active systems. Development of the neurocontroller and learning algorithm in Matlab, vehicle dynamics model in ADAMS environment and reference model, actuators and observer with Matlab programming. Plant stability analysis and activation areas definition. Study and method definition for stability yaw control to guide the task of optimization, training and simulation. Training the neural network to accomplish the plant nonlinearity and to optimize the multiple active systems synergy targeting the controller performance specifications and the analyzed conditions domain. Conditions and maneuvers simulation to validate and evaluate the controller performance using cosimulation between Matlab and ADAMS. Qualitative and quantitative controller results justifying the effective systems integration and non-linear neurocontroller.

O presente trabalho implementa a otimização dos ganhos de um controle ativo com regulador linear quadrático (LQR), em um modelo veicular completo sujeito a um perfil de estrada proposto pela ISO 8608, para atenuação das acelerações RMS transmitidas para a carroceria e o assento do motorista. Dado que o ganho do controle LQR é formulado a partir das matrizes Q e R, o procedimento determina as matrizes ótimas do controle para a minimização das acelerações RMS transmitidas. O modelo é analisado no domínio do tempo por meio da formulação de espaço-estado, e o procedimento de otimização é avaliado pelo método dos algoritmos genéticos. Os parâmetros Q e R, que fornecem o melhor ganho para minimização do problema de otimização, reduzem em até 1000 vezes as acelerações RMS quando comparadas à situação sem atuação do controle. Após otimizar Q e R, são analisadas a influência nos demais graus de liberdade e as forças necessárias para os resultados obtidos. / This work aims to optimize the gains of an active control with linear quadratic regulator (LQR), applied in a full vehicle model subject to a random road surface profile proposed by ISO 8608, for reduction of RMS accelerations transmitted to the driver’s seat and the vehicle body. Since the gain of LQR control is formulated from the matrices Q and R, the procedure determines the optimal control matrices that minimize the RMS accelerations transmitted. The model is analyzed in the time domain through state-space formulation, and the optimization process evaluated by the method of genetic algorithms. The parameters Q and R, which provide the best gain for minimizing the optimization problem, reduce by up to 1000 times the RMS accelerations when compared to the situation without active control. Finally, after optimizing Q e R, are analyzed the influence to the other degrees of freedom and the forces necessary for the results obtained.

A busca por formas mais eficientes quanto ao arrasto aerodinâmico de veículos rodoviários resultou recentemente em uma maior quantidade de pesquisas para compreensão do escoamento sobre o veículo quando este apresenta um ângulo de escorregamento aerodinâmico diferente de zero. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para análise linear de estabilidade do modelo dinâmico do veículo sob manobras de baixa severidade e considerando carregamentos aerodinâmicos. Um modelo dinâmico não-linear simplificado foi também desenvolvido utilizando dados de um veículo típico visando à comparação entre as metodologias. Ensaios experimentais em túnel de vento e simulações de fluidodinâmica computacional foram realizados utilizando-se uma geometria simplificada de um veículo visando à obtenção de valores dos carregamentos aerodinâmicos de força lateral e momento de guinada e à compreensão dos mecanismos de formação dos carregamentos aerodinâmicos. Os resultados obtidos mostram uma boa correlação entre os modelos linear e não-linear e relevante influência dos carregamentos aerodinâmicos de força lateral e momento de guinada na estabilidade estática do sistema. / The research for more efficient shapes regarding road vehicles aerodynamic drag resulted recently in an improved number of researches aiming at the understanding of the flow field over the vehicle when it has an aerodynamic slip angle different of zero. This work presents the development of a methodology for linear stability analysis of a vehicle dynamic model under low severity maneuvers and considering aerodynamic loads. A non-linear dynamic model has also been developed with information from a typical vehicle for comparison between the methodologies. Wind tunnel testing and computational fluid dynamics simulation have been carried out with simplified vehicle geometry in order to measure the aerodynamic side force and yawing moment and provide information for the understanding of the mechanisms generating the aerodynamic loads. The results show a good correlation between the linear and non-linear models and a relevant influence of the aerodynamic side force and yawing moment on the static stability of the system.

Orientador: Pablo Siqueira Meirelles / Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T13:17:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mognon_RicardoJose_M.pdf: 6522567 bytes, checksum: c295d49c72243d82eac24226d8523fc7 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este projeto tem por objetivo estudar um problema de rigidez estrutural de cabina para caminhões e também da trinca de parabrisas laminados devido às forças dinâmicas geradas pelas suspensões de cabinas e chassis em caminhões pesados e extra-pesados. Essa análise será feita, inicialmente, através da validação dos modelos não lineares de amortecimento, molas helicoidais, barras estabilizadoras, bolsões de ar, feixes de molas e coxins utilizados pelas ferramentas computacionais comerciais para simulação dinâmica de sistemas multicorpos ADAMS/CAR, cujos resultados serão comparados aos obtidos por meio de aquisição de sinais experimentais em campo para sua validação. Análises de elementos finitos serão realizadas para verificar áreas críticas ao redor do parabrisa que justifiquem suas quebras. Tais resultados mostraram que a suspensão traseira de chassis está absorvendo pouca energia devido à falta de amortecedores, barra estabilizadora e um feixe de mola mais adequado, acarretando em um aumento na vibração da cabina. Também se constatou que a suspensão dianteira da cabina foi desenvolvida com um coeficiente de amortecimento abaixo do necessário, causando o final de curso em frenagem ou onde as condições de pista possuem muitos obstáculos ou desníveis. Os dois fatores descritos acima reduzem sensivelmente a vida útil dos componentes da suspensão da cabina que, em conjunto com as tensões residuais da variação do processo de fabricação e montagem, reduzem ainda mais a vida útil do parabrisa colado na estrutura da cabina, tornando-o mais sensível a qualquer deformação. Desta forma, uma nova barra estabilizadora para a suspensão da cabina foi desenvolvida reduzindo as forças dinâmicas principalmente laterais, a transmissibilidade e as deformações estruturais na cabina, assim como também culminou na melhoria da qualidade de fabricação, controle e montagem dos parabrisas / Abstract: This project aims to study a problem of structural stability for trucks and also cracks on laminated windscreens due to the dynamic forces of cab & chassis suspensions on heavy & extra heavy trucks. This analysis will be done through the validation of nonlinear damping models, coil springs, antiroll bars, air springs, leaf springs and bump stops using the commercial software tool for dynamic simulation of multibody systems ADAMS/CAR whose results will be compared to those taken by experimental signal acquisitions in the field and finite element analysis by software ABAQUS to find out critical areas around the windscreen in order to explain the cracks. Such results showed that the rear chassis suspension is absorbing low energy due to the lack of shock absorbers, antiroll bar and a correct leaf spring more appropriate, resulting in an increasing in the vibration of the cab. It also found that front cab suspension was developed with a lower damping coefficient what is always necessary to avoid the end of cab suspension stroke on breaking or on track conditions which have many obstacles or unevenness. Both factors mentioned above significantly decrease the lifetime of cab suspension components which together with the residual strengths of production process & assembly decrease even more the lifetime of bonded windscreen on cab structure that more sensitive to any cab deformation. Thus, a new antiroll bar to cab suspension was developed mainly by decreasing the dynamics forces, the transmissibility and the cab structural deformations and also resulted in the improvement of production process, control and assembly of the windscreens / Mestrado / Dinâmica / Mestre em Engenharia Automobilistica

The purpose of this study is to mitigate the compromise between ride comfort and handling of a small single seat off-road vehicle known as a Baja. This has been achieved by semi-active control of the suspension system containing controllable magnetorheological (MR) dampers and passive hydro-pneumatic spring-damper units. MR fluid is a viscous fluid whose rheological properties depend on the strength of the magnetic field surrounding the fluid, and typically consists of iron particles suspended in silicone oil. When a magnetic field is applied to the fluid, the iron particles become aligned and change the effective viscosity of the fluid. The use of MR fluid in dampers provides variable damping that can be changed quickly by controlling the intensity of the magnetic field around the fluid. Various benefits associated with the use of MR dampers have led to their widespread implementation in automotive engineering. Many studies on conventional vehicles in the existing literature have demonstrated the conflicting suspension requirements for favourable ride comfort and handling. Generally, soft springs with low damping are ideal for improved ride comfort, while stiff springs with high damping are required for enhanced handling. This has resulted in the development of passive suspension systems that provide either an enhanced ride quality or good drivability, often targeting one at the expense of the other. The test vehicle used for this study is distinct in many ways with multiple characteristics that are not commonly observed in the existing literature. For instance, the absence of a differential in the test vehicle driveline causes drivability issues that are aggravated by increased damping. The majority of existing MR damper models in the literature are developed for uniform excitation and re-characterisation of model parameters is required for changes in input conditions. Although recursive models are more accurate and applicable to a wider range of input conditions, these models require measured force feedback which may not always be available due to limitations such as packaging constraints. These constraints required the development of alternative MR damper models that can be used to prescribe the current input to the damper. In this study parametric, nonparametric and recursive MR damper models have been developed and evaluated in terms of accuracy, invertibility and applicability to random excitation. The MR damper is used in parallel with passive damping as a certain amount of passive damping is always present in suspension systems due to friction and elastomeric parts. Most of the existing studies on suspension systems have been performed using linear two degree of freedom vehicle models that are constrained to specific conditions. Usually these models are implemented without an indication of the ability of these models to accurately represent the vehicles that these studies are intended for. For this study, a nonlinear, three-dimensional, 12 degrees of freedom vehicle model has been developed to represent the test vehicle. This model is validated against experimental results for ride comfort and handling. The MR damper models are combined with the model of the test vehicle, and used in ride comfort and handling simulations at various levels of passive damping and control gains in order to assess the potential impact of suspension control on the ride quality and drivability of the test vehicle. Simulation results show that lower passive damping levels can significantly improve the ride comfort as well as the handling characteristics of the test vehicle. Furthermore, it is observed that additional improvements that may be obtained by the implementation of continuous damping control may not be justifiable due to the associated cost and complexity. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2013. / Mechanical and Aeronautical Engineering / unrestricted