Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Research Group on Dynamics of Machines and Vehieles (Office for Research Groups Attached to Universities and Other Institutions)
Starting date
2012-09-01
Closing date
2015-08-31
Funding (in million HUF)
4.600
FTE (full time equivalent)
2.40
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy gumikerék-talaj kapcsolat emlékező hatása a vontatott kerekek esetén nem kívánt nagy amplitúdójú rezgéseket okozhat, vagy bizonyos paraméter tartományokban láthatatlan mikro-simmi jelenséggel járhat. Hőkamerával és hőmérséklet mérővel végzett laboratóriumi kísérletek szintén igazolták, hogy ezen rezgések következtében létrejövő gördülési ellenállás növekedés kimérhető. A kutatás célját olyan kis szabadságfokú mechanikai modellek elemzése képezi, melyekben a különböző forrásból származó regeneratív hatásokat figyelembe vesszük. A modellek vizsgálatánál fő szempont lesz a járművek oldalirányú stabilitása és energia felhasználása. A kutatásnak két téma szolgáltatja alapját. A gumikerék-talaj kapcsolat emlékező hatása kerül vizsgálatra a járművek különböző manőverei során. Ehhez, a jármű és a gumikerék egyszerűsített mechanikai modelljeit használhatjuk. A manőverek lineárisan instabil paraméter tartományait analitikus vagy szemi-analitikus módszerekkel határozzuk meg. A jármű nagy amplitúdójú rezgéseit numerikus bifurkációs eljárásokkal vizsgáljuk. A kerék-talaj kapcsolat kilépő élénél lévő deformáció okozta kerék köpeny rezgések szintén regeneratív hatással bírnak. A deformációs hullámok a kilépő éltől a kerék kerülete mentén végigszaladva eljutnak a kontakt tartomány belépő éléhez. A kutatás célja a kerék köpeny regeneratív hatásának jellemzése különös tekintettel az indukált öngerjesztett rezgésekre.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A tervezett kutatás segítségével igazolhatjuk az érintkezési tartomány memória hatásának valamint a kerékköpeny regeneratív hatásának jelentőségét különböző járműmanőverek esetén. Először, az időkésleltetett mechanikai modellek lineáris stabilitása kerül elemzésre, majd a fellépő nagy amplitúdójú öngerjesztett rezgéseket vizsgáljuk. A kutatás feltételezése szerint a kontakt tartomány memóriája kanyarodás során játszik meghatározó szerepet, míg a kerékköpeny deformációs hullámai nagy sebességnél okoznak öngerjesztett rezgéseket.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Korábbi kutatások kimutatták, hogy a vontatott kerék érintkezési tartományának emlékező hatása láthatatlan mikro-simmi rezgéseket okoz bizonyos paramétertartományokban. A kontakt tartományban fellépő mikro-csúszások energia fogyasztása kísérleti úton igazolásra került. A gumikerekek regeneratív hatásainak további vizsgálata hasonló elméleti eredményekhez vezethet a különböző járműmanőverek esetén. Amennyiben a kritikus paramétertartományok meghatározásra kerülnek, ahol öngerjesztett rezgés és megnövekedett energiafogyasztás jelentkezik, akkor a jármű paraméterei helyesebben megválaszthatók a tervezési fázisban. Adaptív szabályozási stratégiák is kifejleszthetők, melyek kiküszöbölhetik a jármú nem kívánt rezgéseit anélkül, hogy jelentősen befolyásolnák a manőverezhetőséget. Mivel kis szabadságfokú mechanikai modellek kerülnek alkalmazásra, így analitikus és szemi-analitikus vizsgálatok végezhetők. A kutatás néhány elméleti eredménye használható lehet olyan összetettebb gumikerék modellek hitelesítésére, melyek csak numerikus szimulációs módszerekkel vizsgálhatók.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A gumikerekek mechanikai modellezése a járműdinamika egyik legizgalmasabb kutatási területe. Mivel a közúti járművek nagy része pneumatikus gumikerekeken gördül, amely közvetíti az erőket az útról a jármű felé, precíz gumikerék modellek szükségesek a járműmozgások pontos szimulációjához a tervezési fázisban. Habár az első gumikerék modell már a múlt század elején megszületett, a gumikerék modellek fejlesztése mindmáig az egyik legfontosabb feladat a járműdinamikában. A kerék-talaj kontakt tartomány időkéséssel való korszerű leírásával fontos paramétertartományok kerültek felfedezésre, melyekben kis amplitúdójú öngerjesztett rezgések léteznek. A tervezett kutatás célja a gumikerekek és járművek olyan kis szabadságfokú mechanikai modelljeinek vizsgálata, melyekben a késleltetett érintkezési modell alkalmazásával olyan felfedezetlen paraméter tartományok találhatók, ahol az instabilitások rezgésekhez és megnövekedett gördülési ellenálláshoz vezetnek. A kutatás során két témát vizsgálunk. Egyrészt, kritikus paraméter együtteseket határozunk meg különböző járműmanőverek esetén. Másrészt, a gumiköpeny regeneratív hatását elemezzük.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Former studies show that the memory effect of the tyre-ground contact patch cause unwanted large amplitude vibrations of towed tyres, or it can also cause invisible micro-shimmy in certain parameter domains. Laboratory experiments with thermal camera and thermometer also validated that the corresponding increase of the rolling resistance has measurable level. The aim of the project is the investigation of low degree-of-freedom mechanical models of tyres and vehicles, where the different sources of the regenerative effects are taken into account. The models will be analysed with special attention to the lateral stability and energy consumption of vehicles. Two topics of the project are proposed. The memory effect of the tyre-ground contact patch will be investigated during different manoeuvres of vehicles. In order to this, simplified mechanical models of the vehicle and tyre structure will be used. The linearly unstable parameter domain of the manoeuvres will be determined analytical or semi-analytical methods. The emerging large amplitude vibrations of the vehicle will be analysed by numerical bifurcation techniques. The lateral vibration of the tyre carcass that is induced by the trailing edge deformation of the contact patch provides another regenerative effect. The deformation waves can travel from the trailing edge of the contact patch to leading edge along the circumference of the tyre. The aim of the project is to characterize the regenerative effect of the tyre carcass with special attention to the induced self-excited vibrations.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The proposed research can prove the relevance of the contact patch memory and the relevance of the regenerative effect of the tyre carcass in case of different manoeuvres of vehicles. First, the linear stability of the time delayed mechanical models will be characterized, after that the emerging large amplitude self-excited vibrations will be investigated. The hypothesis of the project is that the contact patch memory is more relevant during cornering manoeuvres, while the deformation waves of the tyre carcass generates self-excited vibrations at high speeds.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Former studies show that the memory effect of the contact patch cause invisible micro-shimmy of towed wheels in some parameter domains. The energy consumption of the corresponding micro-slips in the contact patch was also validated by experiments. The further investigation of the regenerative effects of tyres can provide similar theoretical results in case of different manoeuvres of vehicles. If the critical parameter domains are determined, where self-excited vibrations and enhanced energy consumption of the vehicles occur, then the parameters of the vehicle can be chosen more properly in the design stage. Adaptive control strategies can also be developed, which can eliminate the unwanted vibration of the vehicle without any significant effect on the manoeuvrability. Since low degree-of-freedom mechanical models will be used in the research, analytical or semi-analytical analyses can be carried out. Certain theoretical result of the project can be used for the verification of much more complex tyre models that can be investigated by numerical simulation techniques.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The mechanical modelling of tyres is one of the most exciting research fields of vehicle dynamics. Since the majority of road vehicles is rolling on pneumatic tyres, which transfer the forces from the ground to the vehicle, precise tyre models are required in order to simulate accurately the vehicle motion during the design stage. Although, the first tyre model was already constructed at the beginning of the last century, the development of tyre models is one of the most important tasks in vehicle dynamics even nowadays. By means of the up-to-date characterization of the tyre-ground contact with time delay, relevant parameter domains were discovered, where small amplitudes self-excited vibrations exist. The aim of the proposed research is the investigation of such low degree-of-freedom mechanical models of tyres and vehicles. The application of the delayed contact model can provide unexplored parameter domains, where instabilities can lead to vibrations and to enhanced rolling resistance of the vehicles. The project will be organized around two topics. On the one hand, critical parameter setups will be determined for different manoeuvres of vehicles. On the other hand, the regenerative effect of the tyre carcass will be investigated.
Final report
Results in Hungarian
A kutatási projektben gumikerekek és járműrendszerek kis szabadságfokú mechanikai modelljeit vizsgáltuk. A késleltetett gumikerék/talaj érintkezési modell implementálásra került az autó, és az autóból és vontatmányból álló járműszerelvény síkbeli mechanikai modelljében. Kis sebességek esetére új paramétertartományokat határoztunk meg, melyekben öngerjesztett rezgések jelentkezhetnek. Ezek a rezgések relevánsak lehetnek a járművek stabilitásának és gumikerekek gördülési ellenállásának szempontjából. A késleltetett gumikerék modell továbbfejlesztéséhez figyelembe vettük a gumiköpeny rezgéseit. A gumikerék deformációinak és két különböző kerékfelfüggesztés interakcióját is elemeztük. Kis amplitúdójú rezgésekhez tartozó paraméter tartományok lettek azonosítva, melyek a gumikerék megnövekedett zajkibocsátását okozhatják. A kutatásban a késleltetett anholonom rendszerek másik példájaként a gördeszka-gördeszkás rendszer is előterébe került. Igazoltuk, hogy az emberi szabályozás időkésése jelentős hatással van a stabilitásra és széles sebességtartományban csak adaptív szabályozással stabilizálható az egyenes vonalú mozgás. Ezen eredmények olyan kísérleti tesztekben használhatók, amelyek új információk adhatnak az emberi szabályozásról.
Results in English
Low degree-of-freedom mechanical models of tyres and vehicle systems were investigated in the research project. The delayed tyre/ground contact model was implemented in the in-plane models of the car and the car-trailer combination. New parameter domains of self-excited vibrations were detected at low vehicle speeds. These vibrations can be relevant from the point of view of the lateral stability of vehicles and the rolling resistance of the tyres. The delayed tyre model was improved by means of the consideration of the tyre carcass vibrations. The interaction of the tyre deformations and different wheel suspensions were analysed. Parameter domains, in which small amplitude vibrations exist, were detected. These vibrations can lead to enhanced noise emission of the tyre. In the project, the skater-skateboard system was also in focus as another example of delayed non-holonomic systems. It was proved that the time delay of the human control has significant effect on the stability, and adaptive control strategies can only stabilize the rectilinear motion for a wide speed range. This result can be used in such experimental tests that can provide new information about the human control.
Takacs D, Stepan G: Self-excited lateral vibrations of rolling tires, In: ASME ASME (szerk.) (szerk.) Proceedings of the ASME 2015 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference . Boston, Amerikai Egyesült Államok, 2015.08.02-2015.08.05. Kiadvány: Boston: 2015. Paper DETC2015-47266. , 2015
Varszegi B, Takacs D, Stepan G: Skateboard: a human controlled non-holonomic system, In: ASME ASME (szerk.) (szerk.) Proceedings of the ASME 2015 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference . Boston, Amerikai Egyesült Államok, 2015.08.02-2015.08.05. Kiadvány: Boston: 2015. Paper DETC2015-47512. , 2015
Beregi S, Takacs D, Stepan G: Stability analysis of the car-trailer system with a time-delayed tyre model, In: IAVSD IAVSD (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 24th International Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks . Graz, Ausztria, 2015.08.17-2015.08.21. Kiadvány: Graz: 2015. Paper 46.5. , 2015
Sykora H, Takacs D: Stability of towed wheels in cornering manoeuvre, In: IAVSD IAVSD (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 24th International Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks . Graz, Ausztria, 2015.08.17-2015.08.21. Kiadvány: Graz: 2015. Paper 14.1. , 2015
Takacs D, Stepan G: Study on contact patch memory and travelling waves of tyres, In: Patrick Gruber, Robin S Sharp (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 4th International Tyre Colloquium: Tyre Models for Vehicle Dynamics Analysis. Guildford: [s. n.], 2015. pp. 121-128., 2015
Varszegi B, Takacs D, Stepan G: Position Control of Rolling Skateboard, In: 12th IFAC Workshop on Time Delay Systems . Ann Arbor, Amerikai Egyesült Államok, 2015.06.28-2015.06.30. Kiadvány: International Federation of Automatic Control, 2015. pp. 1, 2015
Beregi S, Takacs D: Tire induced vibration of the car-trailer system, In: Investigating Dynamics in Engineering and Applied Science (IDEAS): Book of abstracts. Budapest, Magyarország, 2014.07.03-2014.07.05. Kiadvány: 2014. pp. 1, 2014
Varszegi B, Takacs D, Stepan G, Hogan SJ: Reflex delay influenced stability of skateboarding, In: Investigating Dynamics in Engineering and Applied Science (IDEAS): Book of abstracts. Budapest, Magyarország, 2014.07.03-2014.07.05. Kiadvány: 2014. pp. 1, 2014
Beregi S, Takacs D: Gumikerék dinamikájának hatása utánfutós járműszerelvény stabilitására, In: Baksa Attila, Bertóti Edgár, Szirbik Sándor (szerk.) (szerk.) XII. Magyar Mechanikai Konferencia. Miskolc: Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Műszaki Mechanikai Intézet, 2015. pp. ., 2015
Varszegi B, Takacs D, Hogan S J: A gördeszkázás dinamikája, In: Baksa Attila, Bertóti Edgár, Szirbik Sándor (szerk.) (szerk.) XII. Magyar Mechanikai Konferencia. Miskolc: Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Műszaki Mechanikai Intézet, 2015. pp. ., 2015
Sykora H, Takacs D: Kanyarodás hatása a vontatmányok stabilitására, In: Baksa Attila, Bertóti Edgár, Szirbik Sándor (szerk.) (szerk.) XII. Magyar Mechanikai Konferencia. Miskolc: Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Műszaki Mechanikai Intézet, 2015. pp. 1., 2015
