Active roll control of heavy vehicles implementing existing air suspensions

Heavy vehicles are a considerable part of traffic congestion with an enormous contribution to transportation of goods and fuel. Heavy vehicles involve approximately in 35% of fatal accidents, and 38% of these fatalities are caused by rollover, which is the most horrible accident. This crucial accident happens by lack of lateral stability and its consequent damages and costs are drastically high both to roads and occupants. This harmful crash influences even other elements of traffic like passenger cars. Among heavy vehicle combinations, tractor semitrailers engage in around 14% of rollover fatalities. The statistics indicates merely 3% percent of the rollovers are surely preventable by driver while the majority are not avoidable even by using a sophisticated warning system and a highly skilled driver. Therefore, an intervention of advanced active safety systems requires to assist the driver. Moreover, there is a strong negative correlation between steady-state roll stability and the average of rollover accidents: an increase in static rollover threshold of 0.1 g in the range of 0.4-0.7 g causes a 50 percent reduction in the frequency of rollover accidents for tractor semitrailer combinations. Among different controllers proposed by the state of the art, active roll control is the most promising solution for rollover prevention. The objective of this controller is to tilt the vehicle in contradiction to the passive vehicle and toward the center of the turn to enhance the lateral stability. The required actuation force is generated by a compatible set of actuators which is embedded in a reliable control strategy. The state of the art presents active anti-roll bars (ARBs) as a capable actuation system with wide bandwidth of around 4 Hz for the rollover controller while there are serious difficulties to implement and commercialize them. Active ARBs have been implemented with different control logics those are studied during this project as well. This study investigates on designing an innovative active roll control system implementing the full potential of existing air suspension of current heavy vehicles with a minimum possible modification and costs. The objective of the controller is maximizing the lateral stability by reducing the lateral load transfer on axles and improving the rollover threshold. To find the best configuration, the properties and compatibility of active air springs are scrutinized in interaction with the nominated control strategies and in comparison to the state of the art. A nonlinear multi-body vehicle model is used to describe the vehicle response in different maneuvers. Comparing the active ARBs and the innovative active air springs system proves that although the active ARBs have higher capability, the active air springs are compatible and appropriate to be applied in heavy vehicles with air suspension as they are able to improve the rollover threshold by 16% and 35% in steady state and transient maneuvers, respectively and with a very small changes in suspension configuration. Their peak power consumption is around one third of the active ARBs due to the installation distance. Their installation and operational cost is very low, and their bandwidth is wide enough to cover the roll frequencies of the heavy vehicle. Among the control strategies, proportional lateral acceleration feedback control is elite with minimum number of measurements, very low measurement cost, adequately fast response and robust performance to payload position and velocity and as beneficial as the optimal controls. Its proportional gain scheduling was done in a pre-processing phase to pattern the corresponding load transfer, roll angle and lateral acceleration to each selected gain for further applications considering the optimal load distribution on axles of tractor and semitrailer. Accordingly, innovative designed implementation of active air springs system with the proportional lateral acceleration feedback control strategy is the most feasible choice for rollover controller of heavy vehicles equipped with air suspension.

I veicoli pesanti contribuiscono significativamente al trasporto di beni e carburanti ma, al tempo stesso, influenzano fortemente la congestione del traffico stradale. Essi sono coinvolti approssimativamente nel 35% degli incidenti mortali; nel 38% dei casi queste fatalità sono provocate dal ribaltamento del mezzo, che rappresenta l’eventualità più tragica. La principale causa alla base del ribaltamento dei veicoli pesanti è la mancanza di stabilità laterale, che si traduce in gravi conseguenze sia a livello economico che umano. Tra le diverse tipologie di veicoli pesanti, gli autoarticolati sono protagonisti del 14% delle fatalità provocate dal ribaltamento. Le statistiche indicano che circa il 3% dei ribaltamenti può sicuramente essere prevenuto, mentre poco meno del 50% di essi non può essere evitato neanche da guidatori molto esperti. Risulta pertanto necessario sviluppare dei sistemi di allarme che informino il conducente dell’imminente pericolo o implementare dei sistemi di controllo attivi che riducano la propensione del veicolo al ribaltamento. Fra le diverse soluzioni studiate e proposte fino ad oggi, la più efficace è rappresentata dai sistemi di controllo attivo del rollio. Essi permettono invertire la naturale dinamica al rollio durante la percorrenza di una curva, forzando il veicolo ad inclinarsi verso l’interno invece che verso l’esterno, con conseguente incremento della stabilità laterale. Questo studio si focalizza sullo sviluppo di un sistema innovativo di controllo del rollio che sfrutti a pieno le potenzialità delle sospensioni pneumatiche già installate a bordo dei veicoli pesanti odierni. Il controllore ha come obiettivo quello di massimizzare la stabilità laterale, riducendo il trasferimento di carico laterale sugli assi. Al fine di trovare la miglior configurazione per le molle ad aria attive (sospensioni pneumatiche) e di studiarne la compatibilità con lo scopo prefissato, è stata analizzata la loro interazione con le sopraccitate strategie di controllo. L’efficacia del sistema proposto è stata poi verificata attraverso un confronto con lo stato dell’arte. Per simulare il comportamento del veicolo in analisi durante diverse manovre di sterzo è stato utilizzato un modello multicorpo dello stesso. Il controllo attivo anti-ribaltamento qui presentato è in grado di garantire miglioramenti considerevoli, compatibilmente con i vincoli e le limitazioni del sistema di sospensioni pneumatiche esistente. Inoltre, il consumo energetico è contenuto, i costi di installazione e operativi sono modesti e la logica di controllo sviluppata risulta essere la più appropriata per il controllo attivo delle molle ad aria. Dal momento che la maggior parte dei veicoli odierni è già equipaggiato con questo tipo di sospensione, l’installazione consiste semplicemente in leggere modifiche all’equipaggiamento esistente e, pertanto non presenta particolari problemi.