The work presented in this thesis is devoted to the study of mechanism of tyre force generation and its influence on handling dynamics of ground vehicles. The main part of the work involves the development of tyre models for use under steady-state and transient operating conditions. The general capability of these models is assessedin a full vehicle simulation environment. The interaction between tyre and vehicle dynamics is critically evaluated and the observed vehicle behaviour is related to the inherent characteristics of different tyre models. In the field of steady-state tyre modelling, two versions of a numerical tyre model are developed. The modelling procedure is carried out in accordance with the viscoelastic properties of rubber, which influence the mechanical properties of the tyre structure and play a significant role in the determination of friction in the tyre contact patch. Whilst the initial simple version of the tyre model assumes a parabolic pressure distribution along the contact, a later more elaborate model employs a numerical method for the calculation of the actual normal pressure distribution. The changes in the pressure distribution as a result of variations in the rolling velocity and normal load influence mainly the levels of self-aligning moment, whilst the force characteristics remain practically unaffected. The adoption of a velocity dependent friction law explains the force generating behaviour of tyres at high sliding velocities. The analysis is extended to the area of transient tyre behaviour with the development of a tyre model appropriate for the study of transient friction force generation within the contact patch. The model incorporates viscoelasticity and inertial contributions, and incorporates a numerical stick-slip law. These characteristics are combined together for the successful simulation of transient friction force generation. The methodologies developed for the modelling of transient friction and steady-state tyre force generation are combined and further extended in order to create a generic transient tyre model. This final model incorporates a discretised flexible viscoelastic belt with inertia and a separate fully-dynamic discretised tread, also with inertia and damping, for the simulation of actual prevailing conditions in the contact patch. The generic tyre model appears to be capable of performing under a variety of operating conditions, including periodic excitations and transient inputs which extend to the non-linear range of tyre behaviour. For the evaluation of the influence of the aforementioned tyre models on the handling responses of a vehicle, a comprehensive vehicle model is developed, appropriate for use in handling simulations. The two versions of the steady-state models and the generic transient model are interfaced with the vehicle model, and the response of the vehicle to a step-steer manoeuvre is compared with that obtained using the Magic Formula tyre model. The comparison between the responses is facilitated by the definition of a new measure, defined as the non-dimensional yaw impulse. It is found that the transience involved in tyre behaviour may largely affect the response of a vehicle to a prescribed input.

The thesis presents an intermediate modelling approach to study transient behaviour of vehicle systems, with emphasis put on simplified yet accurate representation of important system elements. A representative non-linear vehicle model is developed in MA TLAB/Simulink environment, where non-linear characteristics of tyre, suspension and braking system are included to capture the dynamic behaviour of a vehicle under transient conditions. The novel aspect of this work is the application of a representative full vehicle-tyre-ABS integrated set-up to study the complicated interaction between tyre and anti-lock braking, under a range of demanding operating conditions, including combined cornering and braking. The modelling methodology involves development of low end vehicle models, based on the Newton-Euler formulation. Subsequently, an intermediate vehicle model is devised, where more details are incorporated such as additional DOF to capture the sprung mass motion in space, along with its non-linear interactions with the un-sprung masses, large angle effects, kinematics of steering/wheels and an appropriate tyre model suitable for transient manoeuvres. Particular attention is paid to the suspension system modelling, through inclusion of non-linear effects in springs, dampers, bump-stops, and anti-roll bars, along with the jacking and anti-dive effects using the virtual work method. The model also incorporates a hydraulic brake model, based on the reduced order brake system dynamics for realistic simulation of the braking manoeuvres. A complex multi-body ADAMS/Chassis model, with much greater level of detail, has also been established to extensively compare and enhance the realistic behaviour of the intermediate vehicle model. During the simulation exercise, the intermediate vehicle model has shown good agreement with the complex ADAMS model, thus justifying the accurate representation of vehicle.non-linear characteristics, particularly the suspension system. The realistic behaviour of the vehicle model is further ascertained with a reliable GPS enabled test vehicle, by performing number of manoeuvres on test tracks, including combined cornering and braking. A representative 4-channel conventional ABS system is modelled and integrated in the intermediate vehicle model. The ABS adopts generic peak seeking approach, employing wheel deceleration and brake slip as control variables. External braking inputs, in form of stepped pressure pulses, are also separately used to represent the transient braking system dynamics. In the current work, different transient tyre models based on the single point contact approach and using Magic Formula steady-state characteristics are applied, while studying the influence of their dynamic behaviour on the ABS system. By employing a representative ABS system in a multi-body vehicle model and considering the particularly demanding situation of combined braking I cornering, it is shown that the models which are adequate for pure braking might struggle when the complicated full vehicle dynamics are excited. It is shown that the first order relaxation length approach may not be sufficient to fully satisfy the requirements of an ABS braking, especially if the relaxation length is not modelled as a variable dependent on tyre slip. In comparison, the modelling approach, where the carcass compliances and contact patch properties are explicitly represented, can handle the oscillatory tyre behaviour associated with ABS braking, in a far more accurate manner. In comparison to the earlier studies, which were mostly conducted for straight-line braking, this thesis stresses the fact that the tyre behaviour can be influenced by the complex interaction of handling and braking, and hence the effect should be captured while investigating or evaluating the performance of a tyre model in relation with ABS simulation.

Durch den zunehmenden Einsatz fahrdynamischer Regelsysteme und der Fahrzeugauslegung im Grenzbereich gewinnt die Modellierung des Reifenübertragungsverhaltens bei transienten und extremen Fahrmanövern signifikant an Bedeutung. Die im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelten Messverfahren zur Analyse und Charakterisierung des transienten Reifenseitenkraftverhaltens zeigen, dass die bisher gewählten Verzögerungsansätze erster Ordnung, beschrieben durch die Einlauflänge, keine ausreichende Abbildungsgenauigkeit liefern. Folglich wird ein neuer Verzögerungsansatz zweiter Ordnung eingeführt und durch den Parameter Einlaufdämpfung zweckmäßig beschrieben. Weiterhin wird nachgewiesen, dass die allgemein gebräuchliche Schätzung der Einlauflänge aus Schräglaufsteifigkeit und Lateralsteifigkeit vor allem bei hohen Radlasten deutlich zu geringe Werte liefert. Zur Abdeckung eines möglichst breiten Anwendungsbereichs werden die Parametereinflüsse Radlast, Fülldruck, Sturz, Vorspur und Geschwindigkeit messtechnisch ermittelt und im neuen Modellansatz berücksichtigt. Auch für die quasistatische Schräglaufsteifigkeit wird ein neues Bestimmungsverfahren mit entsprechenden Einflussanalysen vorgestellt. Bei extremen Fahrmanövern spielt die Fahrzeugstabilität, welche hochsensitiv auf das Reifenverhalten unter Extrembelastungen reagiert, eine entscheidende Rolle. Auch für diesen Anwendungsfall werden neue Mess‐ und Parametrisierungsverfahren eingeführt. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten wird auf den gesamten Entstehungsprozess von Reifenmodelldatensätzen eingegangen. Dieser besteht im Wesentlichen aus Reifenmessung, Signalverarbeitung, Auswahl charakteristischer Kennlinien, methodischer Reifenmodellauswahl, automatischer Parameteridentifikation und qualitativem sowie quantitativem Nachweis der Abbildungsgüte des entstandenen Datensatzes. In diesem Prozess werden Schwachstellen aufgezeigt und durch neue Methoden beseitigt. Die drei Reifenmodelle MF-Tyre, FTire und TM-Easy werden analysiert, parametrisiert und unter transienten und extremen Randbedingungen in Kombination mit MKS-Modellen validiert und getestet. Somit kann die Qualität der erzielten Ergebnisse im Verhältnis zum Parametrisierungsaufwand und der Prozesssicherheit für eine Einsatzempfehlung der verschiedenen Reifenmodelle herangeführt werden. Die Qualität der neuen Reifenmodelldatensätze in Verbindung mit der Radaufhängung wird anhand eines neu entwickelten hochdynamischen Achsprüfstandes durch den Vergleich von Messung und MKS-Simulation validiert. Dazu werden sowohl transiente als auch extreme Manöver mit deren realistischen Belastungssituationen nachgestellt. Auch der Einfluss auf die Gesamtfahrzeugsimulation wird anhand entsprechender Manöver nachgewiesen. Darüber hinaus erfolgt die Herleitung eines linearen Einspurmodells mit transientem Reifenseitenkraftverhalten im Zustandsraum, anhand dessen der dominante Reifeneinfluss auf die Gierreaktion von Fahrzeugen nachgewiesen wird. / Due to the growing influence of vehicle dynamic control systems and suspension dimensioning in stability regions, transient and extreme tyre transfer behaviour gains importance significantly. Two new measurement procedures are introduced to analyze and characterize this tyre behaviour. The results show that the commonly used estimation of the relaxation length by the quotient of cornering and lateral stiffness yields far too small values and that the first order transfer model is insufficient to describe the transient tyre lateral force behaviour. Consequently, a new second order approach is introduced and described by the new parameter relaxation damping. The performed parameter study regarding wheel load, inflation pressure, camber angle, toe angle and driving velocity covers a wide application range of tyres. Moreover, the quasi‐static cornering stiffness is measured and evaluated in an extended range with reduced temperature and wear influences. Extreme manoeuvres are utilized to examine the stability of vehicles, which is dominated by the tyre transfer behaviour under extreme conditions. A new measurement and parameter identification procedure for those conditions is portrayed, as well. This thesis depicts the entire process to obtain a tyre model dataset, namely tyre measurements, signal processing, selection of characteristic curves, methodical selection of a tyre model, automatic parameter identification and qualitative and quantitative evaluation of the final dataset. The tyre models MF‐Tyre, FTire, and TM‐Easy are analysed, parameterized and validated under transient and extreme conditions. A comparison of the results in relation to the complexity of the parameter identification and the process stability leads to global recommendations of applications for different tyre models. The quality of the created tyre model datasets in combination with a vehicle suspension is assessed by a comparison of measurements from the newly developed highly dynamical suspension test rig and equivalent multi‐body simulations. That is, transient and extreme manoeuvres are performed and analysed. Additionally, a linear single‐track model with transient tyre behaviour is been derived, that shows the dominant tyre influence on the vehicle’s yaw behaviour. Finally, the influence of the created tyre model datasets and the additional lateral transfer behaviour on full‐vehicle simulations is verified.

Durch den zunehmenden Einsatz fahrdynamischer Regelsysteme und der Fahrzeugauslegung im Grenzbereich gewinnt die Modellierung des Reifenübertragungsverhaltens bei transienten und extremen Fahrmanövern signifikant an Bedeutung. Die im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelten Messverfahren zur Analyse und Charakterisierung des transienten Reifenseitenkraftverhaltens zeigen, dass die bisher gewählten Verzögerungsansätze erster Ordnung, beschrieben durch die Einlauflänge, keine ausreichende Abbildungsgenauigkeit liefern. Folglich wird ein neuer Verzögerungsansatz zweiter Ordnung eingeführt und durch den Parameter Einlaufdämpfung zweckmäßig beschrieben. Weiterhin wird nachgewiesen, dass die allgemein gebräuchliche Schätzung der Einlauflänge aus Schräglaufsteifigkeit und Lateralsteifigkeit vor allem bei hohen Radlasten deutlich zu geringe Werte liefert. Zur Abdeckung eines möglichst breiten Anwendungsbereichs werden die Parametereinflüsse Radlast, Fülldruck, Sturz, Vorspur und Geschwindigkeit messtechnisch ermittelt und im neuen Modellansatz berücksichtigt. Auch für die quasistatische Schräglaufsteifigkeit wird ein neues Bestimmungsverfahren mit entsprechenden Einflussanalysen vorgestellt. Bei extremen Fahrmanövern spielt die Fahrzeugstabilität, welche hochsensitiv auf das Reifenverhalten unter Extrembelastungen reagiert, eine entscheidende Rolle. Auch für diesen Anwendungsfall werden neue Mess‐ und Parametrisierungsverfahren eingeführt. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten wird auf den gesamten Entstehungsprozess von Reifenmodelldatensätzen eingegangen. Dieser besteht im Wesentlichen aus Reifenmessung, Signalverarbeitung, Auswahl charakteristischer Kennlinien, methodischer Reifenmodellauswahl, automatischer Parameteridentifikation und qualitativem sowie quantitativem Nachweis der Abbildungsgüte des entstandenen Datensatzes. In diesem Prozess werden Schwachstellen aufgezeigt und durch neue Methoden beseitigt. Die drei Reifenmodelle MF-Tyre, FTire und TM-Easy werden analysiert, parametrisiert und unter transienten und extremen Randbedingungen in Kombination mit MKS-Modellen validiert und getestet. Somit kann die Qualität der erzielten Ergebnisse im Verhältnis zum Parametrisierungsaufwand und der Prozesssicherheit für eine Einsatzempfehlung der verschiedenen Reifenmodelle herangeführt werden. Die Qualität der neuen Reifenmodelldatensätze in Verbindung mit der Radaufhängung wird anhand eines neu entwickelten hochdynamischen Achsprüfstandes durch den Vergleich von Messung und MKS-Simulation validiert. Dazu werden sowohl transiente als auch extreme Manöver mit deren realistischen Belastungssituationen nachgestellt. Auch der Einfluss auf die Gesamtfahrzeugsimulation wird anhand entsprechender Manöver nachgewiesen. Darüber hinaus erfolgt die Herleitung eines linearen Einspurmodells mit transientem Reifenseitenkraftverhalten im Zustandsraum, anhand dessen der dominante Reifeneinfluss auf die Gierreaktion von Fahrzeugen nachgewiesen wird.:1 Einleitung 1.1 Stand der Forschung 1.2 Motivation und Ziele dieser Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Reifenkoordinatensysteme 2.2 Reifenprüfstände 2.3 Der Reifen unter Schräglauf 2.4 Grundlagen der Fahrdynamik und Einspurmodell 2.5 Eigenschaften elementarer Übertragungsglieder 2.6 Optimierungsverfahren 2.7 Sensitivitätsanalysen zur Systembetrachtung 2.8 Einbindung von Zwangsbedingungen in Mehrkörpersysteme 3 Transientes Reifenseitenkraftverhalten 3.1 Reifenverhalten nach SCHLIPPE\\DIETRICH 3.2 Reifenverhalten nach BÖHM 3.3 Reifenverhalten nach PACEJKA 3.4 Reifenverhalten nach RILL 3.5 Gegenüberstellung des transienten Reifenseitenkraftverhaltens 4 Reifenmodellierung 4.1 Einteilung der Reifenmodelle 4.2 Magic Formula Tyre: MF‐Tyre 4.3 Flexible Ring Tire Model: FTire 4.4 Tyre Model Easy: TM‐Easy 4.5 Handlungsempfehlungen für die Auswahl von Reifenmodellen 5 Messungen am Reifenprüfstand 5.1 Signalverarbeitung von Reifenmessdaten 5.2 Neue Reifenmessprozeduren 5.3 Statische Reifensteifigkeiten 5.4 Reifenverhalten beim Lenken im Stand 5.5 Schräglaufsteifigkeit 5.6 Übertragbare Seitenkraft – Reibbeiwert 5.7 Transientes Seitenkraftverhalten 5.8 Ergebnisse der Messungen am Reifenprüfstand 6 Parameteridentifikation von Reifenmodellen 6.1 Der virtuelle Reifenprüfstand (vRPS) 6.2 Abbildungsgüte kommerziell parametrisierter Reifendatensätze 6.3 Automatischer Gütereport von Reifenmodelldatensätzen 6.4 Parameteridentifikation von MF‐Tyre Datensätzen 6.5 Parameteridentifikation von FTire Datensätzen 6.6 Parameteridentifikation von TM‐Easy Datensätzen 6.7 Extrapolationsfähigkeit der Reifenmodelle 6.8 Übertragbarkeit der Reifenmodelldatensätze auf reale Straßen 6.9 Neue Ansätze zur Parametrisierung von Reifenmodellen 7 Eine neue transiente Zusatzkomponente 7.1 Vergleich verschiedener Übertragungsglieder im Frequenzbereich 7.2 Einbindung in MKS‐Modelle 7.3 Übertragungsmodul als nichtholonome Zwangsbedingung 7.4 Einbindung einer transienten Zusatzseitenkraft 7.5 Schlussfolgerungen zu Zusatzübertragungskomponenten 8 Reifenverhalten am neuen hochdynamischen Achsprüfstand 8.1 Der Aufbau des neuen Achsprüfstandes am IAD 8.2 Das MKS‐Modell des virtuellen Achsprüfstands 8.3 Vergleich der Spurstangenkräfte beim Lenken im Stand 8.4 Einfluss des transienten Reifenverhaltens am Achsprüfstand 8.5 Sinuslenken am Achsprüfstand 8.6 Extremmanöver am Beispiel Fishhook 8.7 Schlussfolgerungen aus den Achsprüfstandsuntersuchungen 9 Gesamtfahrzeugsimulation 9.1 Einspurmodell mit transientem Reifenverhalten 9.2 Mehrkörperfahrzeugmodell mit transientem Reifenverhalten 9.3 Fahrmanöver mit optimierten Reifenmodelldatensätzen 9.4 Beschreibung von Reifenkennwerten mit statistischen Methoden 9.5 Schlussfolgerungen aus der Gesamtfahrzeugsimulationen 10 Zusammenfassung und Ausblick / Due to the growing influence of vehicle dynamic control systems and suspension dimensioning in stability regions, transient and extreme tyre transfer behaviour gains importance significantly. Two new measurement procedures are introduced to analyze and characterize this tyre behaviour. The results show that the commonly used estimation of the relaxation length by the quotient of cornering and lateral stiffness yields far too small values and that the first order transfer model is insufficient to describe the transient tyre lateral force behaviour. Consequently, a new second order approach is introduced and described by the new parameter relaxation damping. The performed parameter study regarding wheel load, inflation pressure, camber angle, toe angle and driving velocity covers a wide application range of tyres. Moreover, the quasi‐static cornering stiffness is measured and evaluated in an extended range with reduced temperature and wear influences. Extreme manoeuvres are utilized to examine the stability of vehicles, which is dominated by the tyre transfer behaviour under extreme conditions. A new measurement and parameter identification procedure for those conditions is portrayed, as well. This thesis depicts the entire process to obtain a tyre model dataset, namely tyre measurements, signal processing, selection of characteristic curves, methodical selection of a tyre model, automatic parameter identification and qualitative and quantitative evaluation of the final dataset. The tyre models MF‐Tyre, FTire, and TM‐Easy are analysed, parameterized and validated under transient and extreme conditions. A comparison of the results in relation to the complexity of the parameter identification and the process stability leads to global recommendations of applications for different tyre models. The quality of the created tyre model datasets in combination with a vehicle suspension is assessed by a comparison of measurements from the newly developed highly dynamical suspension test rig and equivalent multi‐body simulations. That is, transient and extreme manoeuvres are performed and analysed. Additionally, a linear single‐track model with transient tyre behaviour is been derived, that shows the dominant tyre influence on the vehicle’s yaw behaviour. Finally, the influence of the created tyre model datasets and the additional lateral transfer behaviour on full‐vehicle simulations is verified.:1 Einleitung 1.1 Stand der Forschung 1.2 Motivation und Ziele dieser Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Reifenkoordinatensysteme 2.2 Reifenprüfstände 2.3 Der Reifen unter Schräglauf 2.4 Grundlagen der Fahrdynamik und Einspurmodell 2.5 Eigenschaften elementarer Übertragungsglieder 2.6 Optimierungsverfahren 2.7 Sensitivitätsanalysen zur Systembetrachtung 2.8 Einbindung von Zwangsbedingungen in Mehrkörpersysteme 3 Transientes Reifenseitenkraftverhalten 3.1 Reifenverhalten nach SCHLIPPE\\DIETRICH 3.2 Reifenverhalten nach BÖHM 3.3 Reifenverhalten nach PACEJKA 3.4 Reifenverhalten nach RILL 3.5 Gegenüberstellung des transienten Reifenseitenkraftverhaltens 4 Reifenmodellierung 4.1 Einteilung der Reifenmodelle 4.2 Magic Formula Tyre: MF‐Tyre 4.3 Flexible Ring Tire Model: FTire 4.4 Tyre Model Easy: TM‐Easy 4.5 Handlungsempfehlungen für die Auswahl von Reifenmodellen 5 Messungen am Reifenprüfstand 5.1 Signalverarbeitung von Reifenmessdaten 5.2 Neue Reifenmessprozeduren 5.3 Statische Reifensteifigkeiten 5.4 Reifenverhalten beim Lenken im Stand 5.5 Schräglaufsteifigkeit 5.6 Übertragbare Seitenkraft – Reibbeiwert 5.7 Transientes Seitenkraftverhalten 5.8 Ergebnisse der Messungen am Reifenprüfstand 6 Parameteridentifikation von Reifenmodellen 6.1 Der virtuelle Reifenprüfstand (vRPS) 6.2 Abbildungsgüte kommerziell parametrisierter Reifendatensätze 6.3 Automatischer Gütereport von Reifenmodelldatensätzen 6.4 Parameteridentifikation von MF‐Tyre Datensätzen 6.5 Parameteridentifikation von FTire Datensätzen 6.6 Parameteridentifikation von TM‐Easy Datensätzen 6.7 Extrapolationsfähigkeit der Reifenmodelle 6.8 Übertragbarkeit der Reifenmodelldatensätze auf reale Straßen 6.9 Neue Ansätze zur Parametrisierung von Reifenmodellen 7 Eine neue transiente Zusatzkomponente 7.1 Vergleich verschiedener Übertragungsglieder im Frequenzbereich 7.2 Einbindung in MKS‐Modelle 7.3 Übertragungsmodul als nichtholonome Zwangsbedingung 7.4 Einbindung einer transienten Zusatzseitenkraft 7.5 Schlussfolgerungen zu Zusatzübertragungskomponenten 8 Reifenverhalten am neuen hochdynamischen Achsprüfstand 8.1 Der Aufbau des neuen Achsprüfstandes am IAD 8.2 Das MKS‐Modell des virtuellen Achsprüfstands 8.3 Vergleich der Spurstangenkräfte beim Lenken im Stand 8.4 Einfluss des transienten Reifenverhaltens am Achsprüfstand 8.5 Sinuslenken am Achsprüfstand 8.6 Extremmanöver am Beispiel Fishhook 8.7 Schlussfolgerungen aus den Achsprüfstandsuntersuchungen 9 Gesamtfahrzeugsimulation 9.1 Einspurmodell mit transientem Reifenverhalten 9.2 Mehrkörperfahrzeugmodell mit transientem Reifenverhalten 9.3 Fahrmanöver mit optimierten Reifenmodelldatensätzen 9.4 Beschreibung von Reifenkennwerten mit statistischen Methoden 9.5 Schlussfolgerungen aus der Gesamtfahrzeugsimulationen 10 Zusammenfassung und Ausblick