Model Based HandlingAnalyses

The thesis consists of building vehicle models for lateral dynamics that provide accurate results, while being simple enough to highlight clear relationships between vehicle properties and handling behaviours. The approach that characterizes the present work is built on the foundations provided by the bicycle, or single-track, model (STM). Nonetheless, its developments and improvements substantially differ from the usual sequence found in literature. Most studies based on this analytical vehicle model satisfy the quest for increased robustness by involving nonlinear description of the contact forces generated between tyres and ground. The presented analysis, instead, embraces the challenge of using completely linear models to describe vehicle lateral dynamics in a variety of driving situations. Hence, the aim of this thesis is to provide the reader with a deeper understanding of the effects of various physical properties on the actual dynamic behaviour, by complementing numerical correlations obtained from simulation outputs with analytical descriptions of their causes. The first step of the presented work deals with the selection and design of driving scenarios aiming at comprehensively evaluating vehicle handling, as well as defining the boundaries of the investigation. As in most engineering problems, a compromise has to be sought, since the set of maneuvers has to be broad enough to point out various dynamic characteristics, while limiting the time needed to perform evaluation of a real vehicle. Furthermore, the space occupation of each maneuver must allow execution in an actual testing facility. The design of suitable driving scenarios triggers an iterative process, in which the initial formulation of the single-track model is complemented with additional states and sources of complexity, based on the limitations that simulation outcomes point out. A complex model, previously built with the aid of Multi-Body Dynamics software, is initially accepted as a \black box", and adopted as a reference to estimate qualities and deficiencies of the results. The next step of the work deals with physical vehicle testing and correlation. After post-processing the data and comparing it to the analytical vehicle model, it is seen that the vehicle model represents the physical vehicle behaviour very well. The area where the model lacks is in transients, which in-turn can be explained by the lack of compliance in the system. The last part of the thesis brie y touches upon the vehicle behaviour in a dynamic driving simulator along with effects of motion cueing gains.Det här arbetet består av att skapa lateraldynamiska fordonsmodeller som både ger noggranna resultat och är tillräckligt enkla för att förtydliga samband mellan fordons egenskaper och deras dynamiska beteende. Tillvägagångssättet som används i den här undersökningen baseras på den så kallade cykelmodellen, eller single-track modellen, dock skiljer sig vidareutvecklingarna av modellen från de typiska som beskrivs i litteraturen. De flesta studierna som baseras på samma analytiska fordonsmodell uppfyller kravet för robusthet genom att beskriva kontaktkrafter mellan däck och mark med hjälp av olinjära funktioner. Den här analysen grundas på utmaningen att enbart använda helt linjära modeller för att beskriva fordons lateraldynamik i olika kösituationer. Således, målet med detta arbete är att ge läsaren en fördjupad förståelse om effekter av många fordonsegenskaper med hänsyn till det dynamiska beteendet, genom att komplettera numeriska korrelationer från simuleringar med analytiska motiveringar om deras orsaker. Det första steget i denna analys handlar om valet och utformningen av manövrar som skall utföras för att få en omfattande överblick över fordons köregenskaper samt definiering av gränserna för undersökningen. Som i de flesta tekniska ämnen behöver en kompromiss åstadkommas: urvalet av konsekvenser skall vara tillräckligt brett för att beskriva många fordonsegenskaper, samtidigt som ett begränsat antal prover kan hjälpa till att minimera tiden och resurserna som behövs för att utföra utvärderingen i verkligheten. Dessutom måste ytan som behövs för att köra varje manöver rymmas på en verklig provbana. Utformningen av lämpliga konsekvenser ger uppslag till en iterativ process, där modellens ursprungliga formulering vidareutvecklas med ytterligare tillstånd och parametrar, som väljs enligt begränsningar i matematiska beskrivningen som identifierats tack vare simuleringarna. En avancerad modell, som byggts i förväg med hjälp av ett stelkroppssimuleringsprogram, betraktas som en ”svart låda”, och utgör en referens för att uppskatta resultatens noggrannhet eller otillräcklighet. Nästa steg i analysen fokuserar på fysisk fordonsprovning och egenskapers korrelation. Jämförelsen mellan experimentella data och resultat från den analytiska fordonsmodellen visar att den matematiska representationen återspeglar fordonets beteende noggrant. Det enda huvudsakliga området där den förenklade modellen avviker från verkligheten är vid transienterna, som kan motiveras av begränsningar i modellens elastiska egenskaper. Sista delen av arbetet berör kortfattat fordonets beteende i en dynamisk körsimulator samt effekter av motion cueing parametrar