Este trabalho apresenta o estudo da dinâmica vertical de um veículo off-road de competição e do comportamento elastocinemático de suas suspensões primárias de duplo estágio com o auxílio da ferramenta computacional de simulação de sistemas multicorpos MSC-ADAMS. O modelo multicorpos do veículo inclui os modelos da suspensão dianteira, suspensão traseira, sistema de direção, pneus e massa suspensa. As análises elastocinemáticas das suspensões definiram geometrias que permitem longos cursos de trabalho das suspensões sem variações indesejadas de parâmetros de projeto. Com a análise modal do modelo de veículo completo foram definidos os valores de rigidez das molas das suspensões de duplo estágio que resultaram em valores de freqüência natural no primeiro estágio semelhantes aos indicados para carros de passeio e no segundo estágio, próximos dos encontrados em veículos de competição. A análise de conforto do veículo durante simulação de passagem por trecho de pista demonstrou que os elementos de força definidos na análise modal resultam em níveis de conforto raramente encontrados em veículos de competição. / This dissertation presents the study of a off-road competition vehicle ride and the double rate suspensions elastokinematic behavior using the multibody software MSC-ADAMS. The vehicle multibody model includes the rear and front suspensions, the steering system, the tires and the sprung mass. The suspensions elastokinematic analysis defined geometric configurations that allowed long jounce and rebound travel of wheel, without undesirable project parameters variations. In the modal analysis of the vehicle multibody model, the springs rates that results in natural frequencies values similar to passenger cars for the first suspension stage and, for the second stage, similar to competition vehicles, were defined. The ride analysis during the simulation of the vehicle running on a rough track showed that the force elements defined on the modal analysis resulted in a good ride quality, rarely found in competition vehicles.

Os modelos simplificados de veículos são importantes em fases iniciais do projeto de um veículo, quando muitas características geométricas ainda não estão definidas. No caso de ônibus com sistema de suspensão a ar, os modelos encontrados na literatura não levam em conta efeitos da válvula niveladora de altura. Dois modelos de um ônibus foram desenvolvidos: um modelo não linear de veículo com três graus de liberdade e um modelo em sistema multicorpos com 109 graus de liberdade. Os dois modelos possuem sistema de suspensão a ar com a modelagem termodinâmica do bolsão com a válvula niveladora de altura. As equações do modelo não linear de três graus de liberdade foram construídas utilizando o conceito de derivativos de estabilidade. Para a validação dos modelos, foram realizados ensaios experimentais com o veículo e as seguintes grandezas foram medidas: aceleração lateral, velocidade em guinada, velocidade lateral, ângulo de escorregamento do veículo e ângulo de rolamento. Os resultados obtidos com os modelos foram validados experimentalmente. O comportamento do ângulo de rolamento do veículo devido ao sistema de suspensão a ar foi reproduzido nos dois modelos. Foi desenvolvida uma interface gráfica dentro do ambiente ADAMS para a geração automática de modelos simplificados. Os dados do veículo são inseridos através de uma interface gráfica com caixas de diálogo. Modelos simplificados de veículos são utilizados no controle da dinâmica do veículo. Neste tipo de aplicação, as equações do modelo não linear de três graus de liberdade são resolvidas em tempo real e podem servir como um modelo de referência para sistemas adaptativos de controle. / Simplified vehicle models are very important at the initial stages of vehicle development when all geometric data are not yet available. In the case of a bus with an air suspension system, the models you find in the literature does not taken into account the control leveling valve effects. Two bus models were developed: a nonlinear three degrees of freedom model and a multibody model with 109 degrees of freedom. Both models have thermodynamic air suspension system model with control leveling valve. The three degrees of freedom equations were built using the stability derivative concept. In order to validate the models, experimental tests were carried out and the following variables were measured: lateral acceleration, yaw velocity, sideslip angle and roll angle. The model results were validated against actual data. The roll angle behavior due to air suspension system was reproduced in both models. A graphic user interface for developing simplified vehicle model, based on the nonlinear three degrees of freedom model equations, was built using the ADAMS interface. All the data necessary for the model are introduced via dialog boxes. Simplified vehicle models can be used in vehicle dynamics control. In this kind of application, the three degrees of freedom equations can be solved in real time simulation and can be used as a reference model in adaptive control system, for instance.

O comportamento da dinâmica lateral de veículos automotivos com esterçamento nas quatro rodas é estudado com o auxílio de uma ferramenta computacional de modelagem e simulação de sistemas multicorpos. São utilizadas duas estratégias de controle do esterçamento das rodas traseiras para a avaliação de suas principais características. Uma das estratégias esterça as rodas traseiras em função do ângulo de esterçamento do volante, e a outra esterça as rodas traseiras em função do ângulo de esterçamento do volante e da velocidade longitudinal do veículo. O teste utilizado para as análises é a entrada degrau de esterçamento, onde é avaliada a resposta transitória e de regime da aceleração lateral, da velocidade de guinada e do ângulo de rolagem dos veículos. Os resultados das simulações mostram que os veículos com esterçamento nas quatro rodas têm o tempo de resposta da velocidade de guinada maior, e da aceleração lateral e do ângulo de rolagem menores que o veículo convencional. Também apresentam uma diminuição no ganho da aceleração lateral, da velocidade de guinada e do ângulo de rolagem. Além disso apresentam uma característica subesterçante mais acentuada. Essas características são mais evidentes no veículo com estratégia de controle função do esterçamento do volante. Os resultados obtidos correspondem ao comportamento dos veículos com esterçamento nas quatro rodas apresentado na literatura. / The lateral dynamic behavior of the automotive vehicles is studied with the aid of a computational tool for multibody systems modeling and simulation. Two rear wheel steering control strategies are used for evaluation of the main four wheel steering characteristics. One strategy steer the rear wheels as a function of the steering wheel angle, and the other one, steer the rear wheels as a function of the steering wheel angle and the speed. The steer step input is the test used, where the lateral acceleration, the yaw rate and the roll angle transient and stead state response are evaluated. The simulation results show that the four wheel steering vehicles have a slower yaw rate time response, and a fast lateral acceleration and roll angle time response than the conventional vehicle. Also four wheel vehicles show a reduction in lateral acceleration, yaw rate a.nd roll angle gain. Moreover they are more understeer than the conventional vehicle. These characteristics are particularly more evident on the vehicle with steer dependent system. The obtained results correspond with four wheel steering vehicles behavior founded in literature.

O objetivo deste trabalho é estudar a influência da rigidez do quadro na dirigibilidade de um veículo de competição fórmula SAE (protótipo E2-M, da equipe EESC-USP) em ambiente multicorpos com o software Adams/Car. Um modelo contendo os subsistemas de suspensão, direção, pneumático, powertrain, barra estabilizadora e quadro foi construído em ambiente multicorpos com componentes modelados como corpos rígidos. Posteriormente foram elaborados três modelos de quadros flexíveis com diferentes valores de rigidez torcional para substituir o quadro rígido. Estes foram obtidos através da análise modal com o auxílio do método dos elementos finitos. Para comparação da dinâmica lateral dos modelos, típicas manobras do estudo de dirigibilidade foram consideradas tais como rampsteer, step-steer e single lane change. Os resultados obtidos foram de aceleração lateral e velocidade de guinada. Pelas condições avaliadas, pode-se concluir que a rigidez torcional de um quadro para o protótipo E2-M pode estar entre 700 e 1500 N.m/o. Essa variação de rigidez representou 5 kg de massa no quadro. Porém deve-se fazer uma avaliação modal com a massa suspensa calibrada para verificar se não existe acoplamento de modos e freqüências com outros subsistemas. / This dissertation is intended to study the influence of frame stiffness in handling of a Formula SAE vehicle (E2-M prototype from EESC-USP Formula SAE team) in multibody with Adams/Car software. A model containing the subsystems of suspension, steering, tires, powertrain, frame and stabilizing bar was built considering rigid bodies. Subsequently, three models of flexible frames were developed with different values of torsional stiffness to replace the rigid frame. They were obtained through modal analysis with the aid of finite element method. For the handling investigation, maneuvers such as ramp-steer, step-steer and single lane change were considered. The results evaluated were lateral acceleration and yaw velocity. According to results, the torsional stiffness for the E2-M prototype can be between 700 and 1500 Nm/o. But an eigenvalue analyses is also necessary to verify if there is no coupling of modes of the calibrated sprung mass with other subsystems.

Apresenta um modelo multicorpos completo de um veículo comercial leve considerando a flexibilidade do quadro para estudos de dirigibilidade. O modelo de multicorpos foi desenvolvido utilizando o software MSC.ADAMS e inclui a suspensão primária, a cabine, o sistema de esterçamento, o trem de força, o modelo do pneu e um quadro flexível. O comportamento direcional, a dirigibilidade e a interação veículo/pavimento são os fatores que definem o desempenho do veículo em relação à dinâmica lateral. Os parâmetros mais importantes considerando o comportamento lateral do veículo são: a velocidade longitudinal, a rigidez em curva do pneu, a elasticidade da suspensão e do sistema de esterçamento, a transferência lateral de carga, centro de rolamento e propriedades inerciais. Conseqüentemente, considerando a transferência lateral de carga, o uso do quadro flexível se mostra importante. O modelo completo foi validado com resultados experimentais. Típicas manobras para estudo de dirigibilidade foram simuladas, entre elas: curva de raio e velocidade constantes e manobras de dupla mudança de pista. Os resultados obtidos foram a aceleração lateral, a velocidade de guinada, o ângulo de deriva da trajetória, o ângulo de rolamento e o gradiente de esterçamento. Com a análise dos resultados, o veículo mostrou comportamentos diferentes em função da aceleração lateral. Em baixas acelerações laterais, o veículo apresenta um comportamento levemente sub-esterçante. Contudo, em acelerações laterais altas, o veículo se torna sobre-esterçante. Finalmente, uma análise no domínio da freqüência foi realizada e ambos modelos mostraram as mesmas características. / This dissertation presents a complete multibody model of a light commercial truck considering the frame flexibility for handling characteristics studies. The flexible multibody model was developed using MSC.ADAMS, and it includes a complete primary suspension, the cabin, the steering system, the powertrain, a tire model (Delft) and the flexible frame. The directional response behavior, the driveability and the vehicle/road interaction are the factors that define vehicle handling performance. The most important parameters concerning lateral behavior are: longitudinal velocity, tire cornering stiffness, suspension system elasticity, steering systems elasticity, lateral load transfer, roll center and inertial properties. Consequently, regarding lateral load transfer, the use of a flexible frame is very important. The complete model was validated with experimental results and for the purpose of vehicle analyses, typical standard handling maneuvers were undertaken including constant radius turn, constant velocity turn and double lane change. The results obtained were lateral acceleration, yaw rate, side slip angle, roll angle and the understeer gradient. Analyzing the results, the vehicle showed a changing behavior concerning steer. At low velocities and lateral accelerations, the vehicle is slightly understeer. However, at higher velocities and lateral accelerations, it becomes oversteer. Finally, a frequency domain analysis was undertaken using the simplified and the complete model and both models shown the same characteristics.

Apresenta um modelo completo em sistemas multicorpos de uma combinação veicular formada por um cavalo mecânico e um semi-reboque para um estudo de dirigibilidade. O modelo multicorpos foi desenvolvido no MSC.Adams/Car e inclui a suspensão primária, sistema de direção, trem de força, modelo de pneu e um quadro flexível para o cavalo mecânico, e a suspensão primária, modelo de pneu e quadro rígido para o semi-reboque. A resposta dinâmica lateral de uma composição veicular depende das características combinadas de estabilidade direcional, dirigibilidade e interação pneu/pavimento da unidade motora e da unidade rebocada. Os parâmetros mais importantes em relação à dinâmica lateral dos veículos longos combinados são: a velocidade longitudinal, o concerning stiffness dos pneus da combinação veicular, as elasticidades dos sistemas de suspensão e esterçamento do cavalo mecânico, a localização, distribuição do carregamento e momento de inércia em guinada da unidade movida e transferência lateral de carga do veículo como um todo. O modelo foi validado no âmbito dos modos de vibração. As análises de dirigibilidade foram realizadas mediante execução de manobras de mudança simples de pista e de esterçamento com entrada rampa, no MSC.Adams/Car, para calcular métricas comumente utilizadas para avaliação da dinâmica lateral de veículos longos combinados como aceleração lateral, velocidade de guinada, offtracking dinâmico e o gradiente de esterçamento. Análises dos resultados mostraram a influência no tempo de resposta, em regime transitório, do cavalo quando atrelado ao semi-reboque e um comportamento sub-esterçante nas velocidades longitudinais simuladas. A combinação veicular utilizada para este estudo apresenta um comportamento direcional estável. / This work presents a complete multibody model of a heavy articulated vehicle with a tractor and a semitrailer for handling study purposes. The model had been developed on MSC.Adams/Car and includes primary suspension system, steering system, powertrain, tire model and a flexible frame for tractor, suspension system, tire model and a rigid frame for semitrailer. The lateral dynamics response of a heavy articulated vehicle depends on tractor/semitrailer combined characteristics of the directional stability, the manouverability and the tire/road interaction. The most important parameters concerning of the lateral dynamics of heavy articulated vehicles are: longitudinal velocity, combined tire cornering stiffness of vehicular composition, suspensions systems compliance and steering system compliance of tractor, location, load distribution and yaw moment of towing unit and vehicle overall lateral load transfer. The model was validated about modal shapes and frequencies vibrations. Handling analyses had performed with single lane change and ramp steer maneuvers simulation on MSC.Adams/Car to calculate common measures for heavy articulated vehicles lateral dynamics evaluation as lateral acceleration, yaw velocity, dynamic offtracking and understeer gradient. The results analyses showed that the towing unit influences on response of the tractor and an understeer behavior of all vehicular composition over longitudinal velocity range simulated. The heavy articulated vehicle used on this study shows a stable directional behavior.

As futuras utilizações de sistemas de controle em automóveis seguirão a tendência de integração, através do desenvolvimento de sistemas de controle integrados capazes de coordenar as ações dos vários subsistemas que compõem o veículo. Esta coordenação e integração requerem que as integrações entre os subsistemas sejam levadas em conta já nos primeiros estágios de projeto, levando ao desenvolvimento de modelos completos de veículos. Neste sentido, o comportamento dinâmico de um veículo de quatro rodas é analisado através de técnicas de modelagem de sistemas multicorpos utilizando-se o programa ADAMS. Posteriormente, são gerados modelos lineares obtidos através do Jacobiano das equações do modelo original, resultando em uma gama de equações na forma de espaço de estados. O modelo linearizado é então submetido a vários tipos de simulações e os resultados são comparados às respostas do modelo não linear de modo a validar as aproximações lineares em diferentes condições de operação do veículo. São também desenvolvidos dois sistemas de controle de suspensão baseados em técnicas de controle ótimo como duas diferentes abordagens: um controlador skyhook que foi implementado no modelo não linear desenvolvido no ADAMS e um controle de suspensão baseado em um controlador RLQ (Regulador Linear Quadrático), com realimentação de saída que utiliza os modelos linearizados na forma de espaço de estados, sendo este último implementado através da co-simulação ADAMS/Matlab. O sistema de controle de suspensão desenvolvido é um primeiro passo na tentativa de projeto de um sistema de controle integrado do movimento. / Future applications of control in automotive vehicles will follow a trend towards system integration, leading ultimately to the development of integrated vehicle control systems capable of coordinating the action of the various subsystems. The coordination and integration of automotive vehicle subsystems require the interaction amongst the various subsystems to be taken into consideration at the control design stages, resulting in full vehicle models. Therefore, a nonlinear 10 degree of freedom model is obtained through MBS modelling techniques present in ADAMS package software. Then, a linear model is obtained by linearization of the system equations through the Jacobian facility also present in ADAMS. The resulting linearised models are simulated and their response are compared to the previous non-linear one in order to validate the linear approximations. This work also presents two distincts suspension control systems based in optimal control theory: a skyhook controler designed at ADAMS (with the non-linear vehicle model) and a LQR (Linear Quadratic Regulator) with output feedback based on the state space linear vehicle model. This last one was designed through ADAMS/Matlab co-simulation facilities. This designed suspension control is a first attempt to future developments of integrated vehicle control.

Analisa o comportamento tribológico do pneumático. Discute o coeficiente de atrito do pneu, a influência do pavimento e os avanços na modelagem. Apresenta uma metodologia para estimativa do desgaste de pneus pelo método dos elementos finitos. Usa o conceito de trabalho de abrasão. Considera nas condições de contorno do modelo de pneu o efeito do camber e do ângulo de deriva. Investiga a interação vibracional entre o pneu e a suspensão como causa de desgaste irregular. Utiliza modelagem de ônibus rodoviário por multicorpos com eixo flexível. Emprega técnica tempo-freqüência para análise do acoplamento modal entre pneu e suspensão. Propõe novos modelos para estudo do desgaste em pneus analisando-se um modelo completo de veículo pelo método dos elementos finitos. Sugere análises de sensibilidade considerando os parâmetros de regulagem da suspensão e condições operacionais dos componentes. Propõe análises estocásticas da especificação do pneu para otimização do sistema pneu-suspensão. / The tire tribological behavior is analyzed. The friction coefficient of rubbers is presented, and its inherent modeling difficulties regarding the operational condition dependence during measurements are discussed. The influence of the pavement roughness and the advances in friction modeling are presented. A predictive methodology to evaluate the tread wear using finite element method and the concept of frictional energy was used. Camber, lateral forces and slip angles are taken into account as boundary conditions for the tire simulations in steady state. The vibrational interaction between tire and suspension concerning irregular wear on front axle truck tires was investigated. A multibody bus model with flexible front axle was used for modal analysis purposes. A time-frequency methodology was applied to identify modal vibrations of the tire and suspension assemblage. A new simulation model for the tire wear was proposed intending to analyze the whole vehicle with under the finite element method. Sensitivity analysis of the vehicle suspension setup and operational conditions of components was suggested. Stochastic analysis of tire specification is recommended to optimize the tire-suspension system.

A utilização de sistemas de controle para estabilidade de conjuntos de barras para pulverizadores agrícolas é uma tendência devida principalmente aos problemas ambientais e de custo. Neste trabalho, o comportamento dinâmico de um pulverizador de arrasto é analisado através de um modelo não linear, obtido através de técnicas de modelagem de sistemas multicorpos utilizando-se o programa ADAMS. Foram utilizadas duas estratégias de controle PID e \"fuzzy\" a partir de medidas obtidas com fusão de sensores. A estratégia de controle clássica PID foi desenvolvida e implementada no modelo não linear no ADAMS através de ferramentas internas existentes no programa. Já a estratégia \"fuzzy\" foi desenvolvida e implementada no modelo não linear no ADAMS através da técnica de co-simulação ADAMS/Matlab. O comportamento dos sistemas de controle foi investigado através de simulação computacional. Foram testados alguns tipos de entradas (entrada degrau, entrada harmônica, entrada randômica e entrada randômica com descontinuidades bruscas). Em todas as simulações os resultados obtidos com os sistemas de controles ativos mostraram melhor estabilidade do conjunto de barras. Entre as leis de controle implementadas (PID e \"fuzzy\") não houve grandes diferenças entre as oscilações da barra exceto na entrada do tipo randômica com descontinuidades bruscas. Neste caso a lei de controle \"fuzzy\" apresentou uma grande melhoria com boa atenuação das oscilações do conjunto de barras quando comparadas com a aplicação do sistema de controle PID. / The use of active control systems for stability of booms in agricultural sprayers trend is mainly due to the environmental and costs question. In this work, the dynamic behavior of a trailed sprayer is analyzed using a nonlinear model, obtained through techniques of modeling multibody systems using the ADAMS. It is used two active control strategies, PID classical control and fuzzy, with measured data from sensor fusion. The classical PID control strategy was developed and implemented in a nonlinear model on ADAMS software using existing tools built into the program. Fuzzy was another strategy developed and implemented in the nonlinear model on ADAMS software using a technique of co-simulation ADAMS/Matlab. The behavior of control systems was investigated through computer simulation. It was tested some types of inputs (step input, harmonic input, random input and random input with abrupt discontinuities). All simulations data obtained from the applications of active systems showed better stability for boom assembly. Among the implemented two active control laws (PID and \"fuzzy\") there were no significant differences between the oscillations attenuation of the boom, except with the random input with abrupt discontinuities. wherein this case the application of the active control \"fuzzy\" strategy developed better stability on boom than the application of PID control.

Analisa o comportamento tribológico do pneumático. Discute o coeficiente de atrito do pneu, a influência do pavimento e os avanços na modelagem. Apresenta uma metodologia para estimativa do desgaste de pneus pelo método dos elementos finitos. Usa o conceito de trabalho de abrasão. Considera nas condições de contorno do modelo de pneu o efeito do camber e do ângulo de deriva. Investiga a interação vibracional entre o pneu e a suspensão como causa de desgaste irregular. Utiliza modelagem de ônibus rodoviário por multicorpos com eixo flexível. Emprega técnica tempo-freqüência para análise do acoplamento modal entre pneu e suspensão. Propõe novos modelos para estudo do desgaste em pneus analisando-se um modelo completo de veículo pelo método dos elementos finitos. Sugere análises de sensibilidade considerando os parâmetros de regulagem da suspensão e condições operacionais dos componentes. Propõe análises estocásticas da especificação do pneu para otimização do sistema pneu-suspensão. / The tire tribological behavior is analyzed. The friction coefficient of rubbers is presented, and its inherent modeling difficulties regarding the operational condition dependence during measurements are discussed. The influence of the pavement roughness and the advances in friction modeling are presented. A predictive methodology to evaluate the tread wear using finite element method and the concept of frictional energy was used. Camber, lateral forces and slip angles are taken into account as boundary conditions for the tire simulations in steady state. The vibrational interaction between tire and suspension concerning irregular wear on front axle truck tires was investigated. A multibody bus model with flexible front axle was used for modal analysis purposes. A time-frequency methodology was applied to identify modal vibrations of the tire and suspension assemblage. A new simulation model for the tire wear was proposed intending to analyze the whole vehicle with under the finite element method. Sensitivity analysis of the vehicle suspension setup and operational conditions of components was suggested. Stochastic analysis of tire specification is recommended to optimize the tire-suspension system.