Road unevenness relation to road safety - a vehicle dynamics study

• Main Author: De la Gardie, Fredrik
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Fordonsdynamik 2018
• Subjects: Engineering and Technology; Teknik och teknologier
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-226531

The purpose of this Master thesis in Vehicle Engineering, is to study the road unevenness relation to road safety. The long term objective is to be able to prioritize which road section that is in the need of repair and maintenance prior to other road sections. This study focus on how close to an acceptable safety limit the vehicle is handled when it is run over different road surfaces. This applies to straight road sections as well as cornering, where the road surface is uneven and bumps/pits occurs. No driver behaviour or random actions are analysed but these aspects will be included in the overall discussion. The method to analyse this is through computer simulation. From a Volvo S40 a computerised vehicle model has been developed in Matlab and the effect of different road unevenness has been implemented and analysed. Forces that are generated by the unevenness of the road are compared with the normal forces that a driver needs to correct the course based on the friction between tire and road surface. On this basis, a margin to the risk of losing the grip can be estimated. In this way it can be interpreted how a road section contributes more or less, compared to another section, to whether the vehicle is closer to a safe limit from a vehicle dynamic perspective. The vehicle model has been analysed at a speed of 70 km/h with the simplification that the irregularities can be described by sinusoidal shapes. For larger bumps or dips in the road the results show that both front and rear tires can absorb side forces so that stability can be achieved. If the grip would deteriorate due to gravel, ice, etc. there is a risk that the vehicle loses steering control and/or cord leading to damage of the tyre and consequently an accident will occur. For the analysed road unevenness in the form of bumps and pits the tires do not have any ability to absorb required side forces during an avoidance manoeuvre when travelling over the road due to the tyre model used. It is therefore important that a section with varying unevenness are analysed to determine a maximum speed so that the control of the vehicle during the whole distance can be maintained regardless of whether control needs to be done in connection with the unevenness. A recommendation of future work in this area is to develop this model to make it more robust and to update the input data with relevant data for one today representative car and to carry out a more detailed full-scale modelling with also lateral simulations. If the model was verified with measured normal forces for a test car that has travelled over various bumps and pits, this would also be valuable to confirm the validity of the model. There would also be improvements if available road profile is implemented in the analysis so that realistic examples can be analysed for better real-world analysis. === Arbetet avser att, ur ett fordonsdynamiskt perspektiv, studera vägojämnhetens påverkan på trafiksäkerheten. Det långsiktiga målet med arbetet är att kunna prioritera vilka vägavsnitt som behöver repareras före andra. Studien behandlar hur nära en acceptabel säkerhetsgräns fordonet ligger rent fordonsdynamiskt när den färdas över vissa vägunderlag. Det gäller såväl på raksträckor som vid kurvtagning där vägytan har större ojämnheter (svackor) och gupp eller gropar. Metodiken som har använts är datasimulering. Utifrån en Volvo S40 har en fordonsmodell byggts upp i Matlab och inverkan av de olika typerna av vägojämnheter har sedan analyserats. Krafter som skapas från vägojämnheter jämförs sedan med de normalkrafter som en förare behöver för att korrigera kursen utifrån friktionen mellan däck och vägbana. Utifrån detta kan en manövermarginal uppskattas och på så sätt kan tolkning ske hur vida ett vägavsnitt bidrar mer eller mindre, jämfört med ett annat avsnitt, till att fordonet befinner sig närmare en trafiksäker gräns rent fordonsdynamiskt. Analysen har gjorts utifrån antagandet att fordonet har färdats med en hastighet på 70 km/h över de olika vägprofilerna. För större ojämnheter och svackor i vägbanan visar resultaten att både fram och bakdäck kan uppta de nödvändiga sidkrafterna för att stabilitet skall upprätthållas då goda vägförhållanden råder. Men skulle greppet försämras exempelvis av grus, halka etc. så föreligger risk att fordonet tappar styrförmåga och/eller får sladd. En begränsning i denna studie är att inga förarbeteenden eller slumpmässiga händelser kommer analyseras men däremot kommer dessa tas med i den övergripande diskussionen. Dessutom har ojämnheterna antagits vara beskrivna av sinus-funktioner och däcken har beskrivits av en modell som ej tar hänsyn till laterala egenskaper. För att kunna bestämma en maximal hastighet under vilken en kontroll över fordonet kan upprätthållas under hela sträckan oavsett manöver är det av vikt att ett vägavsnitt med varierande ojämnheter analyseras. För att vidareutveckla denna modell och göra den mer robust och aktuell rekommenderas att indata uppdateras med relevanta data för en idag representativ bil samt att modelleringen genomförs i full skala. Om modellen kan verifieras med uppmätta normalkrafter för en bil som har färdats över olika ojämnheter eller gupp vore det värdefullt. Att även implementera uppmätta vägprofiler så att realistiska exempel kan analyseras skulle dessutom ge ännu mer verklighetstrogna analyser.