Optimal design of road vehicles subsystems

The competition in the automotive industry requires engineers in different disciplines working closely to develop vehicles that fulfil the customers' requirements and government regulations. The primary objective of the research work is to study efficient approaches to optimise vehicles performance, with particular attention paid to the road vehicles subsystems. The analytical expressions of the suspension performance indices, namely, discomfort, road holding, and working space, are derived for the quarter-car model. The performance indices can be applied to evaluate the ride comfort, handling, and wheel movement while running on randomly profiled roads at different speed. The Pareto-optimal solutions for models with additional spring and inerter are derived analytically by using multi-objective optimisation (MOO) techniques. The analytical optimal solutions allow to simplify the design of the actual suspensions. The MOO techniques are employed in comparing different suspension architectures with inerter as well. It turns out that the inerter for specific architectures can provide benefit on the suspension performance. The responses of the considered models under impulse excitation are also studied referring to the frequency response functions. The invariant points are derived from the transfer functions of discomfort, road holding, and working space. The application of multi-disciplinary optimisation (MDO) methods together with MOO techniques on the vehicle design is considered while optimising a suspension and an electric vehicle (EV) powertrain. The two complex systems are decomposed into smaller disciplines subsystems by applying multi-level MDO methods, analytical target cascading (ATC) and collaborative optimisation (CO). The application of multi-level ATC and CO methods are compared with the single-level all-in-one (AiO) method, with reference to simplicity, transparency, efficiency, and accuracy. The study provides a guideline for implementing MDO to solve complex problems in the vehicle development process.

La competizione nel settore automobilistico richiede l’integrazione di diverse competenze ingegneristiche per sviluppare veicoli che soddisfino le esigenze dei clienti e le normative vigenti. L'obiettivo principale di questo lavoro di ricerca è quello di sviluppare approcci efficienti per ottimizzare le prestazioni dei veicoli terrestri, con particolare attenzione ai sottosistemi dei veicoli stradali. Le espressioni analitiche dei principali indici di prestazione del sistema di sospensione, vale a dire il comfort vibrazionale e la tenuta stradale, sono state derivate considerando un modello “quarto di veicolo”. Gli indici di prestazione considerati possono essere utilizzati per valutare il comportamento del veicolo su strada irregolare a diverse velocità. Le soluzioni ottime per le configurazioni di veicolo con sistema di sospensione che utilizza molla e “inerter” sono state derivate analiticamente applicando tecniche di ottimizzazione multi-obiettivo (MOO). Le tecniche MOO sono state impiegate per confrontare diverse architetture di sospensione. E’ evidenziato che l'”inerter” può fornire vantaggi in termini di prestazione della sospensione. Le risposte dei modelli considerati sono state studiate anche analizzando alle risposte in frequenza. Sono stati ricavati analiticamente i punti invarianti per tutte le grandezze di interesse. L'applicazione di metodi di ottimizzazione multidisciplinare (MDO) insieme alle tecniche MOO finalizzata alla progettazione del veicolo è stata sviluppata ottimizzando inizialmente il sistema di sospensione e successivamente l’intera architettura di un veicolo elettrico (EV). I due sistemi sono stati scomposti in sottosistemi applicando metodi MDO multilivello, in particolare, “analytical target cascading” (ATC) e ottimizzazione collaborativa (CO). L'applicazione dei metodi ATC e CO a più livelli è stata confrontata con il metodo “All-in-One” (AiO) a singolo livello, con riferimento alla semplicità, alla trasparenza, all'efficienza e alla precisione. Lo studio fornisce linee guida per l'implementazione di metodi MDO per risolvere problemi complessi nel processo di sviluppo del veicolo stradale.