<p>To produce competitive vehicles, their comfort is one important issue to take into account during the development process. The aim of this Master Thesis is to develop an on-line comfort evaluation tool in order to improve research and education in the field of vehicle comfort at the division of Vehicle Dynamics at the Royal Institute of Technology.</p><p>Based on ISO standards concerning comfort an on-line evaluation tool has been developed using DASYLab, which is a software that allows creation of acquisition, control, simulation and analysis tasks.</p><p>The developed tool has been evaluated by performing measurements of a VOLVO V40 equipped with sensors. Different sorts of surfaces and driving conditions have been investigated, and from this investigation one can conclude that the comfort tool works properly.</p>

Tires serve as important components of wheeled vehicles and their analytical modeling has drawn the attention of many researches in the past decades. A high-resolution finite element (FE) tire model contains detailed structural and material characteristics of a tire that exhibit degrees-of-freedom (DoF) in the order of 10⁵ or greater. However, such high-resolution models in their full detail are not practically applicable in multibody dynamic analysis of vehicles and a reduction in their order becomes necessary. In this research different formulations to construct condensed FE tire models suitable for multibody simulations are developed and their characteristics are discussed. In addition, two new and novel forms of substructuring are presented that aim at isolating the contact region of a tire without the need for keeping the boundary DoF which otherwise remain in the reduced system in the standard substructuring procedures. The new substructuring methods provide a great tool in constructing condensed FE tire models with much less total number of DoF compared to cases where a standard substructuring is used. In order to increase the computational efficiency of the condensed FE tire models even further, the possibility of model condensation in the contact region is studied. This research also addresses the applicability of available friction models into the condensed FE tire models. Different formulations of a condensed tire model presented in this research are used to construct several computational models. These models are utilized to simulate certain scenarios and the results are discussed.

The suspension system of a vehicle is conventionally designed such that the spring-damper element is configured in the vertical direction, and the longitudinal connection between the vehicle chassis and wheels is always very stiff compared to the vertical one. This mechanism can isolate vibrations and absorb shocks efficiently in the vertical direction but cannot attenuate the longitudinal impacts caused by road obstacles. In order to overcome such a limitation, a planar suspension system (PSS) is proposed. This novel vehicle suspension system has a longitudinal spring-damper strut between the vehicle chassis and wheel. The dynamic performance, including ride comfort, pitch dynamics, handling characteristics and total dynamic behaviour, of a mid-size passenger vehicle equipped with such planar suspension systems is thoroughly investigated and compared with those of a conventional vehicle. To facilitate this investigation, various number of vehicle models are developed considering the relative longitudinal motions of wheels with respect to the chassis. A 4-DOF quarter-car model is used to conduct a preliminary study of the ride quality, and a pitch plane half-car model is employed to investigate the pitch dynamics in both the frequency and time domain. A 5-DOF yaw plane single-track half-car model along with a pitch plane half-car model is proposed to carry out the handling performance study, and also an 18-DOF full-car model is used to perform total dynamics study. In addition to these mathematical models, virtual full-car models are constructed in Adams/car to validate the proposed mathematical models. For the sake of prediction of the tire-ground interaction force, a radial-spring tire model is modified by adding the tire damping to generate the road excitation forces due to road disturbances in the vertical and longitudinal directions. A dynamic 2D tire friction model based on the LuGre friction theory is modified to simulate the dynamic frictional interaction in the tire-ground contact pitch. The ride quality of a PSS vehicle is evaluated in accordance with the ISO 2631 and compared with that of a conventional vehicle. It is shown that the PSS system exhibits good potential to attenuate the impact and isolate the vibration due to road excitations in both the vertical and longitudinal directions, resulting in improved vehicles’ ride and comfort quality. The relatively soft longitudinal strut can absorb the longitudinal impact and, therefore, can protect the components. The investigation of handling performance including the steady-state handling characteristics, transient and frequency responses in various scenarios demonstrates that the PSS vehicle is directionally stable and generally has comparable handling behaviour to a similar conventional vehicle. The application of PSS in vehicles can enhance the understeer trend, i.e. the understeer becomes more understeer, neutral steer becomes slightly understeer, and oversteer becomes less oversteer. The total dynamic behaviour combining the bounce, pitch, roll and the longitudinal dynamics under various scenarios such as differential brake-in-turn and asymmetric obstacle traversing was thoroughly investigated. Simulation results illustrate that the PSS vehicle has a relatively small roll angle in a turning manoeuvre. In some cases such as passing road potholes, the PSS vehicle has a better directional stability.

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.

Devido as severas condições as quais veículos militares blindados de esteira são submetidos, o desenvolvimento de modelos que representam o comportamento dinâmico destes veículos torna-se imprescindível, para além da possibilidade de avaliação das intensidades das vibrações ocorrendo na cabine, ser possível criar veículos que tenham vantagens na mobilidade, fator esse que engloba tanto a transposição de obstáculos, como a rodagem em condições menos severas, e por fim, no tempo e na exatidão dos disparos, afetada pelas respostas dinâmicas que o veículo fornece. Para ser possível encontrar um veículo que desempenhe tais condições de forma satisfatória, apenas modelos que representem adequadamente as suas propriedades, apresentando respostas das acelerações e deslocamentos, não são suficientes. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo numérico que tenha a capacidade de simular as condições dinâmicas extremas as quais um veículo de esteira é induzido, e também, otimizar o modelo, com a finalidade de encontrar molas e amortecedores capazes de proporcionar respostas adequadas às funções custo desenvolvidas. Estas funções objetivo são definidas como a combinação linear da aceleração e deslocamento, verticais e rotacionais, em conjunto de restrições impostas, objetivando encontrar uma combinação ideal para mobilidade, tempo e exatidão nos disparos e por fim, molas e amortecedores adequados as condições de logística Para proposta deste estudo, um modelo matemático 2D e um 3D, de um veículo de esteira, foi desenvolvido. O modelo possibilita a avaliação dos graus de liberdade de deslocamento vertical das massas não suspensas e do deslocamento vertical, arfagem e rolagem da massa suspensa. Os efeitos da esteira são modelados como molas verticais lineares exercendo uma força de restauração para alinhar as rodas de rodagem, proporcional ao deslocamento relativo entre essas rodas. A otimização é feita através de ferramentas numéricas presentes no software comercial Simulink, sendo necessário o desenvolvimento das funções custo que caracterizem os objetivos ideais para cada tipo de análise. Os resultados de simulações numéricas sob a forma de cursos de deslocamento de pontos característicos do casco e deslocamentos dos eixos de rodas em um sistema de coordenadas de referência assumido, também estão incluídos, bem como as quantidades de valor RMS de cada uma das respostas, comparando um veículo padrão, com o veículo com a suspensão otimizada. / Due to the severe conditions in which armored military vehicles are submitted, the development of models that represent the dynamic behavior of these vehicles becomes essential, besides the possibility of evaluating the vibration intensities occurring in the cabin, to be possible to create vehicles that have mobility a factor that encompasses both the transposition of obstacles, and the shooting in less severe conditions, and finally, in the time and accuracy of the shots, affected by the dynamic responses that the vehicle provides. In order to be able to find a vehicle that fulfills these conditions satisfactorily, only models that adequately represent its properties, presenting responses of the accelerations and displacements, are not enough. The objective of this work is the development of a numerical model that has the ability to simulate extreme dynamic conditions such as a tracked vehicle is induced, and also to optimize the model with the purpose of finding springs and shock absorbers capable of adequate alternative answers cost functions developed. These are the goals defined as a linear combination of acceleration and displacement, vertical and rotational, together imposed constraints, aiming to find an ideal combination for mobility, time and precision in the shots and, finally, springs and dampers suitable as logistics conditions To propose this study, a 2D and 3D mathematical model of a tracked vehicle were developed. The model allows the evaluation of the degrees of freedom of vertical displacement of the non-suspended masses and the vertical displacement, pitch and roll of the suspended mass. The effects of the track are modeled as linear vertical springs exerting a restoring force to align the road wheels, proportional to the relative displacement between these wheels. The optimization is done through numerical tools present in Simulink software, and it is necessary to develop cost functions that characterize the ideal objectives for each type of analysis. The results of numerical simulations in the form of displacement courses of characteristic hull points and wheel axle displacements in an assumed reference coordinate system are also included, as well as the RMS value quantities of each of the responses, comparing a standard vehicle with the optimized suspension.

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.

The Wheel Hub of a rallycross car is analysed to reduce the unsprung mass of the car. The problem statement is to mainly focus on the unsprung mass related to the suspension, and more specifically on the Wheel Hub. One of the objectives of the suspension system of a car is to damping the movement of the car. This is an important area when designing a vehicle, and especially a race car due to the extreme conditions that may result in reduced traction and loose of confidence for the driver. A theoretical model is performed to demonstrate the importance of a low unsprung mass and to illustrate how it affects the vehicle-handling. A process to evaluate the current Wheel Hub and decision to re-design the Wheel Hub is performed, and the parts are analysed using the Finite Element Method to verify the design and material selection. Vehicle dynamics of the car is analysed to calculate the acting forces. Optimization of the design is performed by using Computer Aided Engineering. The re-designed Wheel Hub presented as the result of this project with a Brake Disk Adapter integrated in Hub. This design reduces the number of parts, and the unsprung mass up to 25% without any effects on suspension geometry or other parts of the car.

Devido as severas condições as quais veículos militares blindados de esteira são submetidos, o desenvolvimento de modelos que representam o comportamento dinâmico destes veículos torna-se imprescindível, para além da possibilidade de avaliação das intensidades das vibrações ocorrendo na cabine, ser possível criar veículos que tenham vantagens na mobilidade, fator esse que engloba tanto a transposição de obstáculos, como a rodagem em condições menos severas, e por fim, no tempo e na exatidão dos disparos, afetada pelas respostas dinâmicas que o veículo fornece. Para ser possível encontrar um veículo que desempenhe tais condições de forma satisfatória, apenas modelos que representem adequadamente as suas propriedades, apresentando respostas das acelerações e deslocamentos, não são suficientes. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo numérico que tenha a capacidade de simular as condições dinâmicas extremas as quais um veículo de esteira é induzido, e também, otimizar o modelo, com a finalidade de encontrar molas e amortecedores capazes de proporcionar respostas adequadas às funções custo desenvolvidas. Estas funções objetivo são definidas como a combinação linear da aceleração e deslocamento, verticais e rotacionais, em conjunto de restrições impostas, objetivando encontrar uma combinação ideal para mobilidade, tempo e exatidão nos disparos e por fim, molas e amortecedores adequados as condições de logística Para proposta deste estudo, um modelo matemático 2D e um 3D, de um veículo de esteira, foi desenvolvido. O modelo possibilita a avaliação dos graus de liberdade de deslocamento vertical das massas não suspensas e do deslocamento vertical, arfagem e rolagem da massa suspensa. Os efeitos da esteira são modelados como molas verticais lineares exercendo uma força de restauração para alinhar as rodas de rodagem, proporcional ao deslocamento relativo entre essas rodas. A otimização é feita através de ferramentas numéricas presentes no software comercial Simulink, sendo necessário o desenvolvimento das funções custo que caracterizem os objetivos ideais para cada tipo de análise. Os resultados de simulações numéricas sob a forma de cursos de deslocamento de pontos característicos do casco e deslocamentos dos eixos de rodas em um sistema de coordenadas de referência assumido, também estão incluídos, bem como as quantidades de valor RMS de cada uma das respostas, comparando um veículo padrão, com o veículo com a suspensão otimizada. / Due to the severe conditions in which armored military vehicles are submitted, the development of models that represent the dynamic behavior of these vehicles becomes essential, besides the possibility of evaluating the vibration intensities occurring in the cabin, to be possible to create vehicles that have mobility a factor that encompasses both the transposition of obstacles, and the shooting in less severe conditions, and finally, in the time and accuracy of the shots, affected by the dynamic responses that the vehicle provides. In order to be able to find a vehicle that fulfills these conditions satisfactorily, only models that adequately represent its properties, presenting responses of the accelerations and displacements, are not enough. The objective of this work is the development of a numerical model that has the ability to simulate extreme dynamic conditions such as a tracked vehicle is induced, and also to optimize the model with the purpose of finding springs and shock absorbers capable of adequate alternative answers cost functions developed. These are the goals defined as a linear combination of acceleration and displacement, vertical and rotational, together imposed constraints, aiming to find an ideal combination for mobility, time and precision in the shots and, finally, springs and dampers suitable as logistics conditions To propose this study, a 2D and 3D mathematical model of a tracked vehicle were developed. The model allows the evaluation of the degrees of freedom of vertical displacement of the non-suspended masses and the vertical displacement, pitch and roll of the suspended mass. The effects of the track are modeled as linear vertical springs exerting a restoring force to align the road wheels, proportional to the relative displacement between these wheels. The optimization is done through numerical tools present in Simulink software, and it is necessary to develop cost functions that characterize the ideal objectives for each type of analysis. The results of numerical simulations in the form of displacement courses of characteristic hull points and wheel axle displacements in an assumed reference coordinate system are also included, as well as the RMS value quantities of each of the responses, comparing a standard vehicle with the optimized suspension.

O indicador de desempenho de um veículo de competição é o tempo gasto para completar uma volta em um circuito. Para minimizar esse tempo o engenheiro de pista pode modificar diversos parâmetros do veículo. A identificação de qual parâmetro será modificado é feita através da percepção do piloto (análise qualitativa) e pela interpretação dos dados colhidos pelos sensores instalados no veículo (análise quantitativa) durante testes. O presente trabalho apresenta algoritmos para análise de desempenho de veículos de competição do tipo Formula em diferentes manobras (aceleração em linha reta, frenagem e curva) e para simulação de uma volta completa em um circuito fechado. Cada algoritmo possui indicadores diretos e indiretos de desempenho, auxiliando na avaliação do comportamento do veículo. A simulação em circuito fechado é dividida em três partes: (1) obtenção da geometria do circuito de forma indireta, (2) levantamento do envelope de limite de desempenho do veículo e (3) simulação de uma volta no circuito. No cálculo é utilizado um modelo matemático não-linear de veículo com seis graus de liberdade, mais quatro graus de liberdade de rotação para os conjuntos roda/pneu. Para a validação do método, o modelo matemático foi concebido com as propriedades de um veículo de Formula 3 (incluindo dados de ensaio em túnel de vento e de bancada de testes de pneus). Os resultados da simulação foram comparados com informações experimentais medidas no veículo completo, trafegando em pista, validando o modelo. Com esse modelo, os algoritmos de desempenho e indicadores apresentados são utilizados para análise de sensibilidade de um parâmetro da configuração do veículo. / The final race car performance goal is the time spent to complete a full lap in a circuit. In order to minimize this lap time engineers can modify several vehicle parameters (setup change). The choice of which parameter will be modified is done analyzing drivers opinion (qualitative analysis) and vehicle sensors data storaged during track testing (quantitative analysis). This work presents a simulation algorithm for Formula type vehicle performance evaluation for different single maneuvers (straight line acceleration, braking and cornering) and lap time simulation. Each algorithm presents its own direct and indirect performance indexes, supporting vehicle behavior evaluation. The lap time simulation algorithm is divided in three parts: (1) indirect race track geometry recreation, (2) vehicle performance envelope and (3) lap time simulation. For this calculation it is used a six degree of freedom non-linear mathematical model for vehicle sprung mass and four rational degree of freedom for the rim/tires set. For algorithm and model validation a Formula 3 vehicle mathematical model was build (including wing tunnel and tire testing data). The simulation results were compared against experimental data from a full lap in a circuit, resulting in a validated mathematical model. With this model, the single maneuver performance algorithm and their indexes were executed for a single vehicle parameter sensibility analysis.

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.