The Tire Characteristic Role in Vehicle Yaw Stability: a comparative analysis of Electronic Stability Control and Torque Vectoring with racing and winter tires

The tire is a fundamental subsystem of the vehicle, significantly influencing its dynamic behaviour through the forces and moments generated at the tire-road contact patch. Tires play a crucial role in lateral stability control systems, as those algorithms rely on the tire characteristics to ensure stability in every critical situation while improving vehicle handling and feel and enhancing its driveability and safety. The knowledge of tire characteristics is an important aspect to consider, as different compounds tailored for specific driving conditions offer different levels of traction, grip and performance. To evaluate the potential of the knowledge of the tire specification in yaw control, this thesis proposes a comparative analysis of Electronic Stability Control (ESC) and Torque Vectoring (TV) systems with Sport and Winter tire compounds. The TV control system can help improving the performance of the vehicle by optimally distributing the torque to each electric motor based on the measured states and the driver's requests. The tuning procedure for the TV modules is performed for both tire types under consideration in order to ensure optimal handling and a desired vehicle response. An initial testing phase is conducted to assess the effectiveness of the TV algorithm compared to the baseline vehicle. After that a comprehensive cross sensitivity analysis is performed on an ad-hoc simulation environment, proving that without a proper knowledge of the tire characteristics, the control system may lead to unsatisfactory results in terms of control effort, energy consumption, stability and performance. Finally, a qualitative analysis is presented regarding the influence of Sport and Winter tires on a safety-oriented ESC system, able to apply differential braking pressures to the wheels, restoring stability in critical situations. The analysis relys on data collected from real world application.

Lo pneumatico è un componente fondamentale del veicolo, capace di influenzarne significativamente il comportamento dinamico attraverso le forze e i momenti generati al punto di contatto con la strada. Gli pneumatici svolgono un ruolo cruciale nei sistemi di controllo della stabilità laterale, poiché tali algoritmi si basano sulle loro caratteristiche per migliorare la maneggevolezza del veicolo e garantire la sicurezza. La conoscenza di tali caratteristiche è essenziale: diverse mescole, essendo progettate per specifiche condizioni di guida, offrono infatti differenti livelli di trazione, aderenza e prestazioni. Per valutare l'importanza della conoscenza delle specifiche degli pneumatici nel controllo dell'imbardata, questa tesi propone un'analisi comparativa di sistemi di controllo elettronico della stabilità e di distribuzione della coppia, utilizzando pneumatici Estivi Sportivi e Invernali. Il sistema di controllo di distribuzione della coppia può migliorare le prestazioni distribuendo in modo ottimale la coppia a ciascun motore elettrico, in base allo stato del veicolo e alle richieste del conducente. La calibrazione dei moduli del sistema viene eseguita per entrambi i tipi di pneumatici considerati, al fine di garantire una maneggevolezza ottimale e una desiderata risposta del veicolo. Inizialmente, vengono condotti test preliminari per valutare l'efficacia dell'algoritmo rispetto al veicolo di base. Successivamente, viene eseguita una completa analisi di sensitività incrociata in un ambiente di simulazione ad-hoc, dimostrando che, senza una corretta conoscenza delle caratteristiche dello pneumatico, il sistema di controllo può portare a risultati insoddisfacenti in termini di richieste, consumo energetico, stabilità e prestazioni. Infine, viene presentata un'analisi qualitativa riguardante l'influenza degli pneumatici Estivi Sportivi e Invernali su un sistema di controllo elettronico della stabilità, in grado di applicare pressioni di frenata differenziali alle ruote per mantenere il controllo del veicolo in situazioni critiche. Le analisi svolte si basano su dati raccolti sperimentalmente tramite l'utilizzo di un veicolo del Partner Industriale.