Evaluation of active rear steering through multi-body simulation

The goal of this thesis work is to evaluate and quantify the advantages and disadvantages of Active Rear Steer (ARS). The evaluation is carried out through Multi-Body System (MBS) simulations. An analytical model has been developed to better understand the basic dynamics of vehicles equipped with rear steering. In parallel, a high fidelity MBS model is developed in Simpack. This model includes suspension kinematics and compliance, allowing for detailed analyses of steering hardware performance. Next, different control strategies aiming at improving manoeuvrability, stability and agility are implemented in Simulink. In order to assess their effectiveness, the high fidelity model is utilised by running co-simulation with Simulink. Manoeuvrability is assessed through constant steer, constant radius and ramp steer manoeuvres. Stability is assessed through transient manoeuvres such as step steer and sine with dwell. Agility is assessed through step steer and frequency response. Ultimately, also a subjective assessment is carried out by means of Volvo Cars' dynamic driving simulator. The conclusion from the assessment is that the drivers feel the all wheel steered vehicle much more stable during evasive manoeuvres. It is concluded that for manoeuvrability the minimum turning radius is reduced by 19% at low velocity; this implies that the steering angle request is reduced at low velocity, while it is increased at high velocity. A slightly higher steering angle request at high velocity might be beneficial since the driver would be able to control the vehicle in a wider range of steering wheel angles. For agility the results are contradicting: on the one hand, according to the step steer rise time difference between lateral acceleration and yaw rate, the controlled vehicles are performing worse than the passive vehicle; on the other hand, according to the frequency response analysis, both the delays between steering input and yaw rate and between lateral acceleration and yaw rate are reduced up to respectively 75% and 46% for the considered frequency range. Finally, for stability, the yaw rate overshoot from a step steer can be reduced up to 65% at high velocity and the sideslip angle can always be reduced. The vehicle equipped with ARS outperforms the passive vehicle in the sine with dwell manoeuvre.

L'obiettivo di questa tesi è di valutare e quantificare per Volvo Cars i vantaggi e gli svantaggi di introdurre lo sterzo attivo all'asse posteriore. La valutazione viene eseguita attraverso simulazioni multi-body. Inizialmente viene eseguita un'analisi basata su un modello monotraccia a due gradi di libertà, con gomme lineari e velocità longitudinale imposta, per studiare come vari la dinamica del veicolo quando viene introdotto lo sterzo posteriore. Contemporaneamente, un modello multi-body viene sviluppato in dettaglio in Simpack. Rispetto al modello analitico, quest'ultimo prende in considerazione la cinematica delle sospensioni e la deformazione introdotta dai cuscinetti, permettendo un'analisi dettagliata dell'attuazione dello sterzo. Successivamente, delle logiche di controllo vengono implementate in Simulink con l'obiettivo di migliorare la manovrabilità a bassa velocità, la stabilità e l'agilità ad alta velocità. Per valutarne l'efficacia, vengono eseguite delle co-simulazioni tra Simulink e il modello multi-body. La manovrabilità viene valutata attraverso manovre di sterzo fisso, raggio costante e ramp steer. La stabilità viene valutata attraverso le manovre di colpo di sterzo e sine with dwell. L'agilità viene valutata attraverso manovre di colpo di sterzo e risposta in frequenza. Infine, viene condotta anche una valutazione soggettiva sfruttando il simulatore di guida dinamico di Volvo Cars. Da quest'ultima valutazione emerge che il veicolo con quattro ruote sterzanti risulta molto più stabile e sicuro da guidare in caso di manovre di emergenza. In conclusione, per la manovrabilità, il minimo raggio di sterzo è ridotto del 19% a bassa velocità; questo risultato implica che l'angolo di sterzo necessario ad affrontare una curva a bassa velocità viene ridotto rispetto ad un veicolo passivo; ad alta velocità è vero il contrario. Una richiesta di sterzo leggermente maggiore, ad alta velocità, potrebbe avere un effetto positivo sulla guida, poichè il guidatore avrebbe la possibilità di controllare il veicolo in un range di angoli di sterzo leggermente più ampio. Riguardo l'agilità, i risultati sono contrastanti: guardando il colpo di sterzo, la differenza del rise time tra accelerazione laterale e velocità di imbardata è maggiore per un veicolo attivo, che indica un maggiore ritardo nella risposta del veicolo; però, secondo la risposta in frequenza, sia il ritardo tra sterzo e velocità di imbardata, sia il ritardo tra accelerazione laterale e velocità di imbardata vengono ridotti, rispettivamente fino al 75% e 46% nell'intervallo di frequenze considerato. Infine, riguardo la stabilità, l'overshoot della velocità di imbardata è ridotto fino al 65% ad alta velocità e l'angolo di assetto è sempre ridotto; dalla manovra di sine with dwell si conclude che un veicolo controllato con sterzo attivo all'asse posteriore riesce ad eseguire la manovra con un'ampiezza del volante pari a due volte quella di un veicolo passivo. In conclusione, senza limitazioni software o hardware, lo sterzo attivo all'asse posteriore è in grado di migliorare la manovrabilità e la stabilità di un veicolo. Riguardo l'agilità è necessario approfondire lo studio.