Tire-soil interaction for off-road vehicles

Agricultural and other off-road tyres primarily must satisfy different operational requirements, such as better traction performance, limit slip sinkage, limit soil compaction and support weight of the machine. These requirements strongly depend on the soil characteristics and tyre tread design. Little attention has been devoted to discrete element method (DEM) model that can be used to predict the traction performance as a function of tyre tread design with respect to to soil characteristics considering the effects of discontinuous behaviour of terrain during interaction. An early attempt to predict the tyre-soil interaction has been done by modelling terrain as a collection of deformable layer springs and tyre as deformable ring with tread geometry. Moreover, recently attempts in numerical and discrete element models have been studied and developed, these models can predict traction performance, stresses and sinkage of wheel, but have the weakness of predicting the effects of build-up and cleaning which rise due to discreteness deformation of terrain during interaction. Given the fact that, deformation of terrain is discontinuous in nature during interaction which rise to bulldozing effects, build-up and cleaning phenomenon and these mostly affects performance of wheel and off-road vehicles, then modelling terrain as assemblage of rigid colliding bodies must be studied and developed to predict those effects with respect to soil rheology. In this work a multi-body dynamic software chrono::engine based on discrete elements method for non-smooth contact detection and computational and Bekker-Wong semi-empirical methodology has been used to model tyre-soil interaction to study the effects of terrain deformation with respect to wheel performance during interaction. This has been achieved by using C++ multi-body library in the software for modelling single tyre-soil interaction simulation model. Simulations of tyre-soil interaction has been carried out with this model to study the influence of soil particles characteristics such as particle size, friction, cohesion force, mass/size distribution, shape and tyre tread design parameters such as lugs angle, type, height and spacing on interaction parameters such as wheel slip, traction, slip sinkage, slip velocity and forward velocity. Also, sensitivity and performance analysis has been carried out with the model considering terrain properties. Finally, semi-empirical soft terrain model has been developed in this model. This terrain model is an alternative to granular terrain, in which soil properties depends on Bekker-Wong parameters. The model improves computational time and sinkage estimation accuracy and simulation time as in granular terrain. These two terrain models used in this simulation model gives reliable results of interaction parameters and contact pressure during interaction. The model has been validated with experimental and numerical data available in literature and guarantees an error less that 10% for traction force with respective slip.

Le tipologie di pneumatico agricolo e da veicolo fuoristrada devono soddisfare requisiti operativi diversi, come migliore trazione, valore limite di slittamento, di sprofondamento e di compattamento del terreno, e supporto del peso del veicolo stesso. Questi requisiti dipendono fortemente dalle caratteristiche del suolo e dalla progettazione del battistrada dei pneumatici. Una discreta attenzione è stata dedicata al modello ad elementi discreti (DEM), che può essere utilizzato per prevedere le prestazioni di trazione della macchina in funzione del design del battistrada degli pneumatici, il quale viene realizzato considerando l’interazione con il profilo irregolare del suolo stradale. Un primo tentativo di prevedere questa interazione è stato effettuato modellando il terreno come una serie di molle deformabili, mentre lo pneumatico è stato modellato come un anello deformabile avente la geometria del battistrada. Inoltre, recentemente sono stati studiati e sviluppati modelli numerici ad elementi discreti per questa applicazione. Quest’ultimi possono prevedere le prestazioni di trazione, sforzi e sprofondamento della ruota, ma non riescono a prevedere gli effetti di accumulo e di pulizia del terreno che sono dovuti alla deformazione del terreno durante l’interazione. Dato che l’irregolarità del terreno è di natura discontinua e durante l’interazione vengono generati effetti di “bulldozing”, accumulo e pulizia, la modellazione del suolo stradale deve essere studiata e sviluppata tramite un sistema di corpi rigidi che impattano tra di essi, ai fini di prevedere le interazioni dovute alla reologia del suolo, che interessano principalmente veicoli a ruote e fuoristrada. In questo lavoro è stato utilizzato il software “chrono::engine” basato sul metodo ad elementi discreti per la rilevazione di contatti non lisci ed il metodo semi-empirico “Bekker-Wong” ai fini di modellare l’interazione tra pneumatico e suolo stradale. È stato quindi possibile studiare gli effetti della deformabilità del terreno in funzione delle prestazioni della ruota. Ciò è stato ottenuto utilizzando la libreria multibody del software. Inoltre, utilizzando questo modello sono state effettuate simulazioni di interazione tra pneumatico e suolo stradale ai fini di studiare l’influenza di parametri, come ad esempio la dimensione delle particelle, l’attrito, la forza di coesione, la distribuzione di massa e dimensioni. La forma e le caratteristiche del battistrada degli pneumatici, l’angolo di inclinazione, tipo, altezza e spaziatura della tassellatura rispetto ai parametri di interazione, quali slittamento e sprofondamento della ruota, velocità di scorrimento e velocità di avanzamento. In aggiunta, sono state effettuate analisi di sensitività e performance considerando le proprietà del terreno. Infine, in questo lavoro è stato sviluppato un modello semi-empirico per terreni soffici. Questo modello è un’alternativa a quello avente terreno granulare in cui le proprietà del suolo dipendono dai parametri di “Bekker-Wong”. Il modello presentato è migliore dal punto di vista del tempo computazionale e dal punto di vista dell’accuratezza nella stima dello sprofondamento. Questi due modelli di terreno utilizzati in simulazione forniscono risultati affidabili per quanto riguarda i parametri di interazione e pressione di contatto. Il modello è stato validato tramite dati sperimentali e numerici disponibili in letteratura, e garantisce un errore minore del 10% per quanto riguarda la forza di trazione e in presenza di slip.