Nonlinear lateral dynamic behavior of a high capacity transport vehicle

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-12-14
Department
Major/Subject
Koneensuunnittelu
Mcode
K3001
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
94 + 2
Series
Abstract
In order to improve the productivity of freight transport the high capacity transport (HCT) vehicle combinations have been introduced in the traffic circulation. These vehicle combinations are longer in longitudinal dimension and/or greater in mass than the national traffic legislation allows. This kind of vehicle combination is not considered as a special transport, but it requires derogations of law restrictions. An HCT vehicle combination is restricted to drive in good weather conditions and on predefined routes. The lateral dynamic behavior of HCT vehicle combinations have not been examined on low road friction surfaces. The purpose of this thesis is to examine the nonlinear lateral dynamic behavior of a Double-A HCT vehicle combination on low road friction surface. The vehicle combination consists of four different vehicle units, three articulations, multiple axles and multiple wheels. The vehicle units are tractor, semi-trailer, dolly and semi-trailer units. An analytical simulation model is designed based on the single-track model. The single-track model is extended to a multi-wheel model, which includes nonlinear tire characteristics and wheel load transfers. The nonlinear tire model being used is the Magic Formula tire model. Relevant theory and parameters are gathered from literature and industry. The analytical simulation model simulates two different open-loop simulation types at a forward velocity of 80km/h on low road friction surface. A double lane change maneuver based on the ISO 3888 standard and a phase plane simulation method are introduced. The phase plane simulation method is a phase portrait analysis of a specific vehicle unit of the vehicle combination. This kind of phase plane analysis is new for a heavy vehicle combination. This study provides novel results regarding the lateral stability of heavy vehicle combinations on low road friction situations. A sensitivity analysis regarding the lateral stability of the vehicle combination is performed with the two different simulation types. The sensitivity parameters are the length of the dolly unit drawbar and the semi-trailer single or twin wheel parameter. Additionally, a comparison of the lateral stability of the vehicle combination between high and low road friction surfaces is performed. The study indicates that the examined vehicle combination is relatively unstable with high vehicle forward velocities on low road friction surfaces with any kind of sensitivity analysis settings in a double lane change maneuver and with specific state deviations in the phase plane analysis. The phase plane analysis along with the double lane change maneuver, however, indicate that twin wheels on semi-trailer rear axles and longer dolly drawbar promote stable behavior and increase the lateral stability of the vehicle combination significantly on low road friction surface.

Tavarankuljetuksen tuottavuuden parantamiseksi on aloitettu ylisuurten raskaan kaluston (HCT) ajoneuvoyhdistelmien kokeilut tieliikenteessä. Tällainen ajoneuvoyhdistelmä on pidempi ja/tai painavampi, kuin kansallinen tieliikennelainsäädäntö sallii. Tätä ajoneuvoyhdistelmää ei luokitella erikoiskuljetukseksi, mutta se tarvitsee poikkeusluvan. HCT ajoneuvoyhdistelmä saa liiken-nöidä hyvissä keliolosuhteissa ja vain poikkeusluvassa määrätyillä reiteillä. Tällaisen ajoneuvo-yhdistelmän sivuttaista liikedynamiikkaa ei ole tutkittu liukkaissa olosuhteissa. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia Double-A HCT ajoneuvoyhdistelmän epälineaarista sivuttaisdynamiikkaa liukkaissa olosuhteissa. Ajoneuvoyhdistelmä koostuu neljästä ajoneuvo-yksiköstä, jotka ovat vetoauto, puoliperävaunu, etuteli ja puoliperävaunu. Ajoneuvot ovat nivelletty toisiinsa kolmella nivelellä ja ajoneuvoyksiköt sisältävät useita akseleita ja pyöriä. Analyyt-tinen simulaatiomalli suunniteltiin perustuen kaksipyörämalliin. Kaksipyörämalli laajennettiin monipyörä malliin, joka sisältää epälineaariset rengasominaisuudet ja sivuttaiset painonsiirrot. Epälineaariset rengasominaisuudet perustuvat Magic Formula rengasmalliin. Olennainen teoria ja malliparametrit ovat kerätty kirjallisuudesta ja teollisuudesta. Analyyttinen simulaatio malli simuloi kahta avoimen silmukan simulaatiota ajonopeudella 80km/h liukkaalla tien pinnalla. Ensimmäinen simulaatio on kaksoiskaistanvaihto perustuen ISO 3888 standardiin. Toisessa simulaatiotyypissä suoritetaan vaihetason analyysi tietylle ajoneuvoyhdistelmän ajoneuvoyksikölle. Tällaista vaihetaso analyysiä ei ole aikaisemmin tehty raskaille ajoneuvoyhdistelmille rakenteen ja dynamiikan monimutkaisuuden vuoksi. Tämä tutkimustyö sisältää uusia tuloksia liittyen raskaiden ajoneuvoyhdistelmien sivuttaisdynamiikan analysointiin liukkaissa olosuhteissa. Ajoneuvoyhdistelmän sivuttaisdynaamista herkkyyttä analysoidaan näil-lä kahdella simulaatiotyypillä. Herkkyysanalyysin parametrit ovat etutelin aisan pituus ja puoliperävaunujen rengastus asetus. Lisäksi vertaillaan liukkaan ja kuivan olosuhteen välistä vaikutusta sivuttaisdynamiikkaan. Tämä diplomityö osoittaa, että tutkittu ajoneuvoyhdistelmä on suhteellisen epästabiili korkeilla ajonopeuksilla liukkaissa olosuhteissa kaikilla herkkyysanalyysin asetuksilla kaksoiskaistanvaihdossa ja vaihetason analyysissä tietyillä poikkeutuksilla. Vaihetason analyysi ja kaksoiskaistanvaihto osoittavat kuitenkin, että puoliperävaunujen paripyörät ja etutelin pitkä aisa kiinnitettynä lähelle edessä olevan ajoneuvoyksikön taka-akseleita edistävät sivuttaisdynaamista stabiilisuutta huomattavasti myös liukkaissa olosuhteissa.
Description
Supervisor
Pietola, Matti
Thesis advisor
Tuononen, Ari
Keywords
nonlinear, lateral dynamics, phase plane, hct, heavy vehicle, low friction
Other note
Citation