Vehicle system dynamics

Docente: Antonio Carcaterra
Pagina web dell'insegnamento: Vehicle System Dynamics c/o DIMA
Crediti: 6
Codice Infostud: 1041431

Obiettivi formativi

Il corso mira a fornire allo studente una teoria unitaria per lo studio dei veicoli in generale, con particolare riferimento ai veicoli terrestri e marini. L'analisi del sistema veicolo viene affrontata sia per sottosistemi componenti (i) sistema propulsivo (ii) sistema di trasmissione (iii) sistema di spinta e controllo direzionale (iv) sistema sospensivo (v) sistema frenante (vi) sistemi di automazione di guida e controllo, sia in termini globali, integrando tutti i sottosistemi all'interno di un unico modello capace di descrive manovre complesse del sistema veicolo.
Lo studente, opportunamente guidato dal docente, sarà in grado di affrontare un problema di sintesi progettuale sulla base dell'esame di brevetti di recente pubblicazione. L'obiettivo è quello di rendere lo studente capace di esaminare un dispositivo innovativo nel settore della dinamica dei veicoli, capirne i principi di funzionamento, saperne effettuare un'analisi di fattibilità sulla base della modellazione e della simulazione del suo comportamento sia isolato che integrato con tutti i dispositivi di bordo.

Programma

PARTE I: MODELLI DI VEICOLI

  1. Introduzione alla dinamica dei veicoli
  2. Modelli generali per lo studio del veicolo
    • Architettura e sotto-sistemi di un veicolo: struttura, sistema di propulsione, sistemi di trasmissione, dispositivi per il controllo dell’assetto e della spinta, sospensioni, sensori, attuatori
    • Equazioni generali del veicolo e dei suoi comandi di controllo
    • Principio di Hamilton e approccio di Eulero-Lagrange
    • Modelli lineari e non lineari, modelli per linearizzazione, stabilità
    • Modelli speciali di sotto-sistemi adatti alla progettazione
    • Elementi di base per il controllo a retroazione di sotto-sistemi del veicolo
    • Controllori PID
    • Problemi di controllo ottimo basati sul principio di Hamilton
    • Teoria del controllo ottimo secondo Pontryagin, LQR-LQG
  3. Cinematica e dinamica dei pneumatici
    • Cinematica del rotolamento di una ruota deformabile
    • Modello Brush e suoi sviluppi
    • Modello Brush-Rod-Beam
    • Modello generale Euleriano di una ruota deformabile in contatto con un piano stradale rigido
    • Effetto combinato di slittamento longitudinale e laterale
    • Modello lagrangiano
    • Modello semiempirico di Pacejka
    • Dinamiche transitorie del pneumatico in rotolamento: effetti di propagazione d’onda e velocità critica di rotolamento
    • Lo pneumatico come dispositivo dinamico per la sterzatura e la spinta/frenatura (analogie con propulsori e timoni)
  4. Sistemi di propulsione, di trasmissione e loro accoppiamento
    • Caratteristiche generali e modellistica di motori a combustione interna e di motori/generatori elettrici
    • Tipologie di trasmissioni: tradizionale a ingranaggi, robotizzata/automatica, epicicloidale; CVT (Continuous Variable Transmission): a cinghia, idraulica, a ripartizione di potenza elettromagnetica, puramente elettromagnetica, impianto di trasmissione per veicoli ibridi, Torotrak, trasmissione giroscopica
    • Prestazioni fondamentali dei sistemi di trasmissione
    • Scelta del rapporto di riduzione nelle trasmissioni tradizionali
    • Scelta del controllo di CVT
    • Modellistica dell’impianto di trasmissione
    • Controllo dell’impianto di trasmissione
  5. Vibrazioni e sospensioni
    • Teoria generale delle sospensioni: Comfort e mobilità
    • Sorgenti di vibrazione
    • Analisi di un quarto dell’intero veicolo: valori di rigidezza e di smorzamento
    • Architettura dei sistemi sospensivi e gradi di libertà
    • Geometria delle differenti soluzioni in uso
    • Analisi del rollio
    • Centro cinematico di rollio
    • Centro statico di rollio
    • Dinamica del rollio e ribaltamento
    • Analisi del beccheggio
    • Comfort: principi di progettazione (coincidenza di frequenze naturali di beccheggio-sollevamento)
    • Mobilità: anti-affondamento e anti-beccheggio
    • Sospensioni speciali: a compensazione pneumatica, idro-pneumatica, mista, interconnessa
    • Teoria e progetto di sistemi semi-attivi di controllo intelligente dello smorzamento (Skyhook e sviluppi recenti)
  6. Modelli dinamici
    • Dinamica generale dei veicoli
    • Modelli dinamici speciali: pump-pitch, rollio, forward-yaw
  7. Veicoli speciali

PARTE II: SIMULAZIONE DINAMICA DELLE MANOVRE DI VEICOLI

  1. Dinamica longitudinale del veicolo
    • Accelerazione del veicolo con trasmissioni convenzionali
    • Accelerazione del veicolo con trasmissioni automatiche e controllate
    • Frenatura con sistemi frenanti tradizionali e controllati attivamente
  2. Dinamica in curva
    • Cinematica di sterzatura
    • Dinamica della sterzatura e accoppiamento con la dinamica del pneumatico e del sistema sospensivo
    • Stabilità del veicolo
  3. Sotto-sistemi di controllo
    • Sistemi di sospensione intelligente
    • ABS, ESP e altri sistemi di controllo attivi e semi-attivi

Modalità d'esame: Prova orale, Valutazione progetto

Testi di riferimento

  • Antonio Carcaterra, “Notes on Vehicle System Dynamics”, 2018
  • Massimo Guiggiani, "Dinamica del Veicolo", Città Studi, 2007
  • Giancarlo Genta, "Meccanica dell'Autoveicolo", Levrotto & Bella, 2000
  • Hans B. Pacejka, “Tyre and Vehicle Dynamics”, Butterworth-Heinemann, 2002