Development of a four-wheel quasi-steady state numerical model for vehicle dynamics simulation

Abstract

As simulações computacionais em dinâmica veicular apresentam diversas vantagens significativas em relação aos ensaios físicos, como a redução de tempo, esforço e custos, além de maior liberdade na definição dos cenários simulados. Por esses motivos, a modelagem veicular numérica tornou-se um elemento fundamental na indústria automotiva, ao permitir aprimorar o projeto de veículos em termos de segurança, eficiência e desempenho. Entretanto, muitas soluções comercialmente disponíveis em dinâmica veicular consistem em modelos transientes com múltiplos graus de liberdade, que são frequentemente demasiadamente complexos e custosos. Isso limita severamente as possibilidades de uso por equipes menores de automobilismo ou por empresas automotivas de pequeno porte. Por outro lado, modelos mais simples muitas vezes não representam adequadamente os fenômenos físicos que influenciam o projeto veicular. Este trabalho apresenta um modelo quase estático em quatro rodas que abrange os principais parâmetros relevantes para o projeto em dinâmica veicular, tais como características de suspensão e direção, comportamento de pneus, influência aerodinâmica e comandos do motorista. O modelo é implementado em C++ com um loop iterativo para verificar restrições físicas ao torque nas rodas, ao escorregamento dos pneus e à transferência de carga. A validação analítica do modelo é realizada, bem como sua comparação com uma solução comercial consolidada em simulação veicular, apresentando resultados satisfatórios em ambos os casos. De forma geral, o modelo propõe uma abordagem mais didática para um tema complexo, como a dinâmica veicular, podendo contribuir para o desenvolvimento de estudantes de engenharia e de equipes menores na indústria automotiva.

Computational simulation in vehicle dynamics has many substantial advantages over physical testing, such as reduced time, effort and expenses, in addition to more freedom in simulated scenarios. For these reasons, numerical vehicular modelling has become a cornerstone of the automotive industry, as it enhances vehicle design in terms of safety, efficiency and performance. However, many commercially available vehicle dynamics solutions consist of transient models with multiple degrees of freedom, which are often too expensive and complex. This severely limits the possibilities for smaller motorsport teams or automotive companies to use them. In contrast, simpler models are often not representative of the physical phenomena that affect vehicle design. This work presents a four-wheel quasi-steadystate model which covers the most important parameters for design in vehicle dynamics, such as suspension and steering parameters, tire behavior, aerodynamic influence and driver input. The model is implemented in C++ with an iterative loop to check for physical constraints on wheel torque, tire slip and load transfer. The model is analytically validated and compared to a well-established commercial solution in vehicle simulation, granting satisfactory results on both fronts. Ultimately, the model presents a more didactic approach to a complicated matter, such as vehicle dynamics, which may help engineering students and smaller teams to thrive in the automotive industry.