Tyre friction potential estimation by aligning torque and lateral force information

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2010

Department

Koneenrakennustekniikan laitos

Major/Subject

Auto- ja työkonetekniikka

Mcode

Kon-16

Degree programme

Language

en

Pages

129 s. + liitt.

Series

Abstract

The modern active systems and the advanced driver assistance systems have certainly reduced the amount of accidents. However these systems are still lacking one major information, which is the friction between the tyre-road interfaces. The performance of these systems could be enhanced substantially if this information was known. Rather simple methods can be used to determine the friction coefficient at the current operating point of the tyre. The challenge arises from the friction potential, which is the maximum friction coefficient that the tyre-road interface can produce. The objective of this master's thesis is to study the feasibility of estimating the friction potential by using the information of lateral force and the self aligning torque of the tyre. The well-known bicycle model of the vehicle is used to determine the lateral force of the front axle, which is divided to left - and right side in accordance with the normal load distribution of the wheels. The normal loads of the wheels are calculated from the angle sensors, which are assembled in the transverse control arms of the vehicle. The same sensors are also exploited to determine the inclination angles of the steering axes. The heart of the estimation method is the brush tyre model. It receives the self aligning torque, lateral - and normal force of the tyre as inputs and outputs the friction potential. The proving ground tests are done with a typical small family estate car (VW Golf Variant Mk5). Two distinguishing proving grounds are chosen for illustrating the operation of the estimation method on high - and low friction level surfaces. Tests also in µ-split conditions and in situation where the vehicle is travelling from high friction level surface to low friction level surface are implemented. Results from both the high- and low friction level surface illustrate that the estimation method is able to detect the friction states of the front tyres in steady state cornering manoeuvres. Remarkable and interesting results are found from the µ-split and surface transition tests were the estimation method distinguishes the difference between the high- and low friction level surfaces. The presented friction estimation method has potential. However lots of work and further studies have to be conducted before this method can assist the modern active safety systems and the upcoming ADAS systems.

Nykyaikaiset aktiiviset turvajärjestelmät ovat vähentäneet liikenneonnettomuuksien määrää merkittävästi. Näiltä järjestelmiltä puuttuu kuitenkin tieto rengas - tie -rajapinnan kitkapotentiaalista. Tämän tiedon avulla kyseisten järjestelmien suorituskykyä pystyttäisiin parantamaan huomattavasti. Renkaan hetkellisen toimintapisteen kitkakerroin voidaan määrittää suhteellisen yksinkertaisilla menetelmillä. Kitkapotentiaalin eli rengas - tie -rajapinnan maksimikitkakertoimen määrittäminen on huomattavasti haasteellisempaa. Tämän diplomityön tavoite on tutkia renkaan sivuttaisvoiman ja palauttavan momentin käyttökelpoisuutta kitkapotentiaalin arvioimiseen. Etuakselin sivuttaisvoima määritetään yleisesti käytetystä kaksipyörämallista. Tämä sivuttaisvoima jaetaan vasemmalle ja oikealle renkaalle pyöränkuormien suhteessa. Pyöränkuormat lasketaan alatukivarsiin asennettujen kulma-anturien tietojen perusteella. Samoja antureita käytetään myös kääntöakselin pitkittäis- ja poikittaiskulmien määrittämiseen. Kitkapotentiaalin arvioimismenetelmä hyödyntää renkaan harjamallia. Se ottaa syötteenä renkaan palauttavan momentin, sivuttaisvoiman sekä pystykuorman ja antaa ulostulona arvion kitkapotentiaalista. Käytännön testit suoritettiin pienellä farmariautolla (VW Golf Variant Mk5). Kaksi erilaista ajorataa valittiin käytännön testejä varten, jotta kyseisen menetelmän toimintaa voitiin tutkia sekä korkea - että matala kitkaisella tienpinnalla. Testejä suoritettiin myös kitkajakautuneella tienpinnalla, jossa ulkokaarteen renkaat olivat liukkaalla päällysteellä ja sisäkaarteen renkaat pitävällä päällysteellä. Tämän lisäksi tehtiin testejä, jossa ajoneuvolla ajettiin pitävämmältä päällysteeltä liukkaalle päällysteelle. Tulokset vakiotilan kaartotesteistä osoittavat, että menetelmä pystyy arvioimaan renkaiden kitka-arvot sekä korkea - että matala kitkaisilla tienpinnoilla. Mielenkiintoisia tuloksia saatiin myös kitkajakautuneen tienpinnan - ja päällysteeltä toiselle ajetuista testeistä. Näistä tuloksista nähtiin selkeästi, että menetelmä kykenee erottelemaan korkean kitkan omaavan tien- pinnan matalammasta sekä antamaan uskottavia arvoja kitkapotentiaaleille. Tässä työssä esitellyllä kitkapotentiaalin arviointimenetelmällä on ehdottomasti mahdollisuuksia auttaa aktiivisia turvajärjestelmiä toimimaan vieläkin tehokkaammin tulevaisuudessa. Paljon työtä ja monia lisätutkimuksia on kuitenkin vielä tehtävä ennen kuin tähän tavoitteeseen päästään.

Description

Supervisor

Juhala, Matti

Thesis advisor

Tuononen, Ari

Keywords

friction estimation, kitkan arvioiminen, self aligning torque, renkaan palauttava momentti, brush tyre model, renkaan harjamalli, bicycle model, ajoneuvon kaksipyörämalli

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122357885

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG