Suspension parameters analysis for different track conditions

Abstract

Este trabalho, aqui apresentado, tem como objetivo o estudo do comportamento do sistema de suspensão de um veículo ao atravessar estradas com obstáculos, como lombas ou buracos. Para atingir este objetivo, uma vasta revisão literária foi feita. Sendo este um tópico extenso, três tipos de revisão foram feitos. Primeiro, a um estudo global à tecnologia usava hoje em dia em pneus e nos sistemas de suspensão de veículos foi compilado. Uma breve menção à cinemática de veículos é empreendida. De seguida, a dinâmica do contacto pneu/solo é sistematicamente explanada, para compreender os diversos modelos de pneu (força) existentes. Adicionalmente, os conceitos fundamentais da análise da dinâmica multicorpo são expostos para justificar a modelação do veículo como um sistema multicorpo. Com toda a teoria apresentada, os conceitos previamente explicados são aplicados na prática para a formulação de um método que visa estimar a trajetória de um veículo atravessando uma qualquer estrada. O primeiro passo a executar é a escolha do modelo de pneu a utilizar. Percebe-se que se deve usar modelos matemáticos, culminando na escolha da Magic Formula. Os passos seguintes consistem na introdução de uma metodologia, que estima o contacto entre um pneu e o solo, para simular as dinâmicas pneu/solo de um veículo. Dois métodos diferentes são expostos: o primeiro para estradas completamente planas, sem obstáculos; o segundo, para estradas com obstáculos, como lombas ou buracos. Este modelo é posteriormente inserido num programa de análise das dinâmicas multicorpo, MUBODYNA3D, e diversas simulações são realizadas. Estas simulações começam pela definição do veículo como um sistema multicorpo, com corpos conectados por juntas cinemáticas. As primeiras simulações são realizadas numa estrada plana para validar os modelos e metodologias previamente criadas. O integrador, que integra os resultados das equações do movimento para prever a trajetória, é refinado. Finalmente, simulações com estradas com obstáculos são geradas. Por fim, os resultados dessas simulações são discutidos, percebendo-se que apresentam um valor inesperado. Ao atravessar um obstáculo, as rodas perdem o contacto com a superfície, provocando a descolagem do carro. No entanto, é concluído que a análise de sistemas multicorpo é de extrema relevância para a simulação de realidades complexas, produzindo resultados precisos.

This work, hereby presented, has a primary target of studying the behaviour of a road vehicle’s suspension system, while it is traversing roads with big obstacles, such as potholes or speed bumps/humps. To accomplish this task, a broad literature review was made. Since this is an extensive topic, three types of review were made. Firstly, an overview of the state-of-the-art technology used in tires and suspension systems nowadays is compiled. A brief mention to vehicle kinematics is also made. Then, the dynamics of the contact tire/road are systematically explained, in order to understand the diverse tire force models that exist. Lastly, a rundown of the fundamental concepts of multibody dynamics analysis is exposed to substantiate the modelling of a vehicle as a multibody system later on. With the theory behind, all concepts previously abridged are put to practice, into the formulation of a method to estimate the trajectory of a vehicle crossing a certain road. The first step to execute this is to choose the tire force model to use. It is seen that, in this case, the mathematical models are the best choice, which culminates in the selection of the Magic Formula model. The following steps consist of introducing the contact estimation methodology created to simulate the tire/road dynamics of a vehicle. Two different methods are exposed: the first for fully flat roads, with no obstacles; the second, for road that possess obstacles, like bumps for example. This model is then inserted into a multibody dynamics analysis program, MUBODYNA3D, and some forward dynamic simulations are performed. These simulations start with the definition of the vehicle as a multibody system, with bodies connected by kinematic joints. The first simulations are performed in flat roads to validate the models and methodologies created. The solver, that integrates the results of the equations of motion to predict the trajectory, are then refined. Finally, simulations using roads with obstacles are conducted and the results analysed. In the end, the simulations result in some unexpected behaviour from the vehicle. While crossing an obstacle, it tends to lose contact with the surface and, thus, lift off the road, which is unrealistic. Nonetheless, it is concluded that multibody systems analysis is extremely important to simulate and analyse complex realities, with precise results.