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Cars

Tires

Functions

  • Carry vehicle load
  • Provide a certain stiffness; it is a spring that filters out the load irregularities (hyperbolic)
  • Exchange forces with ground

The tire Ft-z characteristic is non-linear

So it can be linearized and modelled as a spring Ft = k t ⇒ S ∝ z ≤ zat

The compliance gives the tire's deformability; it depends on the vehicle type

- Do force vectors given Ft have Sk ↓ ⇒ large deformation

Longitudinal force

Fx = μx Fz

Braking k = (V - RW) / V

Traction k = (RW - V) / RW

k = longitudinal slip

μ = μ (environmental conditions) "μ = μ (speed)"

If k < klimit; inside the friction cone; in the static case lower than the friction limit, all the wires merge NB

Dry asphalt (μ > 1 ⇒ Fx > Ft)

Wet asphalt

Wet, snow, ice

klim ≈ 1

L = 2πR

V = ωR

KT < L   V < ωR

KT = ωR - V/ωR

KB > L   V > ωR

KB = V - ωR/V

ice melts under vehicle load

  • water film, corner the tire
  • broken water film
  • tire and ground contact, the forces

αp = built in lateral slip

@ α = ∅ => fu = fp

  • effect of pseudo side slip angle
  • to go straight α = αp
  • ply-steer + conicity
  • effect of pseudo camber angle

to go straight you need fu = ∅ , so this is the working point of the vehicle

so ply-steer

no conicity

yet ply-steer

no conicity

balanced

fu ≠ ∅

no ply-steer

yes conicity

proper turning

not balanced

apply a torque

Radial Stiffness of the Tire

fw - pibc + 2S cosϕ ≈ eq vertical direction

tgϕ = S sinϕ / S cosϕ = p{(af - W)/2} = (af - W)/2 / (bc - h)/2

=> S cosϕ = p(bc - h)/2

=> fw - pibc + 2p(bc - h)/2 = fw - pib = Ø

=> fw = pib - in a tire the vertical force is balanced by inner pressure and tire geometry (bc)

Lateral Stiffness of the Tire

Sγs + fd = Sγd eq horizontal direction

Sγs = S cos(90 - ϕ + β) ≈ sinϕ - cosϕ·β (ϕ, β small angles)

Sγd = S cos(90 - ϕ + β) ≈ sinϕ + cosϕ·β

tgβ = d / (af - W) ≈ β

=> fd = 2S cosϕ·β = p{(bc - h)}·d / (af - W) => the lateral force depends on inner pressure and tire geometry

if fw = Ø => W = h = Ø => fd / d = p·bc / af = tire lateral stiffness

so if the α = bf / bc < 1 => fd / d ↑ rageometric (α ≈ %)

for this reason nowadays α≈1 and α ≈ 15% and torus like shapes are not used because they have α=1

Rigid wheel on plastic soil

The pressure acting under the tire due to soil is p = k zn

where n is a function of soil properties and k

assuming the soil compressed only vertically the work per unit surface

L0 = ∫0z0 ρ dz = k z0n+1 / n+1

rolling resistance R · e = L b e → R = b k z0n+1 / n+1 mechanical work diminished by rolling resistance → actually it doesn’t depend on the vertical force

@ This point I need P to find the rolling resistance

P = ∫αφ cosθ · dN, R = ∫αφ γ L θ dN

where cosθ · dN = p b dx is the elementary force in the vertical direction

→ P = ∫αφ p · b dx = b · k √D z0z0 (3-n) / 3

if sand in φ → R = b k √D z0 P = b k √D z0

→ R = b · k ∣ P2 / b2 k2 D ∣ = P2 / bkD

so from a general role, where L = characteristic length

  • P = k1 L3
  • D = k2 L
  • b = k3 L

Rsp = R/P α L/k so to work avoiding a lower rolling resistance it is better to have lower vehicles, high b and D

on the other side the max maximum tractive force is:

T = c · A + P · tg φ

where c φ = f(soil), A = b so it is better to have b↓ = high contact area and the term P tgφ is the frictional force

Discomfort felt by human

Specific level

Stochastic systems

Black box system

  • Input: Sξ
  • Output:
    • Sxz
    • SFz
    • Sxz-x1

H1 = H1xz → Sxz = |H1|2 Sξ

H2 = HFz → SFz = |H2|2 Sξ

H3 = Hxz-x1 → Sxz-x1 = |H3|2 Sξ

H1 = P.F of sprung mass acceleration due to road irregularities ξ=1

H1 = -ω2Xz

H2 = P.F of tire force Ft due to road irregularities ξ=1

H2 = K1(1-X1)

H3 = P.F of relative displacement due to road irregularities ξ=1

H3 = Xz - X1

vehicle running in a curve in ss @ V = ax -> fx = ∅

[HP] δ remains same.

- torque neglected

f frame non dimensione e tře

characteristics it is possible to

define the vehicle's behavior

remember δ = δ0 + ΔA - Δβ

we can plot the handling

diagram from non dimensione the characteristics,

giving a simple representation of δ needed to

perform different maneuvers

=> we design the commerce vehicles to have underveering,

cos (∂δ/∂β) |v1/2 > ∅, that is because the drive is

more intuitive, turning more the steering wheel

However, more characteristics can be complex and highly

non linear, giving rise to more branches in the

handling diagram.

- for the linearized

models of the vehicle

the vehicle stability @ a certain v2/r value is

evaluated with the Routh-Hurwitz criterion:

given ΦF = d(fyF/fzf)/dα

and Φp = d(fyRfzf)/dα => slope coeffs

to have a stable system it is needed:

Φf : Φp > ∅

Φf : Φp

| ∂δ |v->ax => there is the minimum condition

∂e/lr

can occur in overreering branch

McPherson suspension

  • cheap € → one arm less
  • less space needed
  • independent wheels
  • low camber recovery
  • slider friction → risk remains
  • lateral slip

Longitudinal arm suspension

  • simple construction
  • cheap €
  • no lateral slip
  • low space required

→ θwheel = θtrans

Rigid axle body connection

Payload led | Watt linkage

Works well for small displacements, for big ones the body moves laterally.

Coriolis effect

d2rs/dθ2rdθ

momentum impulse

dP = Mot = Rop

momentum

dθ = -dt; Γ = TJw

Rotational given by either up/und

→ D M rw 1/2 = TJw

(C)

The solid axle cannot rotate in the horizontal plane.

Dettagli
Publisher
A.A. 2021-2022
141 pagine
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SSD Ingegneria industriale e dell'informazione ING-IND/14 Progettazione meccanica e costruzione di macchine

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Polistudent di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Ground Vehicle Engineering A e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano o del prof Mastinu Gianpiero.