Influence of the drive torque distribution on vehicle handling and stability

Abstract

Neue Antriebsarchitekturen in allradgetriebenen Elektrofahrzeugen inkludieren oft mehrere individuelle Antriebsmotoren und bieten im Vergleich zu mechanisch gekoppelten Antriebssystemen neue Möglichkeiten für Fahrdynamikregelsysteme. Diese Arbeit untersucht den Einfluss der Momentenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse auf die Lateraldynamik von Fahrzeugen unter Berücksichtigung einzelner Motoren an der Vorder- und Hinterachse. Die variable Momentenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse, in Kombination mit der gegenseitigen Beeinflussung der Reifenlängs- und Reifenquerkräfte im kombinierten Schlupfbereich, kann einen erheblichen Einfluss auf die Handling- und Stabilitätseigenschaften haben, was ein tiefgehendes Verständnis des gemeinsamen Einflusses erforderlich macht. Vor allem für das automatisierte Fahren müssen Fahrzeugregelsysteme in der Lage sein, den fahrdynamischen Grenzbereich, bei dem nichtlineares Systemverhalten auftritt und die Stabilität und Handlingeigenschaften maßgeblich beeinflusst, zu beherrschen. Die Nutzung der nichtlinearen Handlingeigenschaften des Fahrzeugs, einschließlich großer Schwimmwinkel, kann in bestimmten Fällen die Manövrierfähigkeit, beispielsweise für Ausweichmanöver, erhöhen. Es erfolgt eine theoretische Untersuchung des Powerslides, der ein instabiler Fahrzustand ist, wobei der Einfluss der Momentenverteilung auf die stationären Zustände sowie die Stabilitätseigenschaften analysiert wird. Verschiedene Systemeingänge - Lenkwinkel, Gesamtmoment und Momentenverteilung - werden hinsichtlich der Steuerbarkeit des instabilen Modes des Powerslides analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Momentenverteilung ein effektiver Aktor zur Stabilisierung des Powerslides ist und dem Gesamtmoment überlegen sein kann. Für ein Fahrzeug mit Hinterradantrieb wird die Dynamik nach Verlust der Stabilität, das postkritische Verhalten, bei konstant gehaltenen Fahrereingängen untersucht. Dabei konvergiert der Fahrzustand entweder zu einem stabilen stationären Zustand mit sehr kleinem Kurvenradius oder zu einem stabilen Grenzzyklus, der einem instabilen Gleichgewichtszustand zugehörig ist. Messungen mit einem Versuchsfahrzeug bestätigen die theoretischen Erkenntnisse. Zusätzlich wird der Einfluss der Momentenverteilung bei Manövern mit gleichzeitiger Längs- und Querbeschleunigung untersucht, wobei unterschiedliche Arten des Stabilitäts-verlusts identifiziert werden. Die Takens-Bogdanov Lösung stellt die Grenze zwischen Unter- und Übersteuern im Grenzbereich dar und definiert gleichzeitig das maximal mögliche Beschleunigungspotenzial stabiler Fahrzustände, das im GG-Diagramm veranschaulicht wird. Daraus ergibt sich, dass die Momentenverteilung entlang der Takens-Bogdanov Lösung ein geeignetes Auslegungskriterium für eine sichere und gleichzeitig performante Allradgrundverteilung ist, was durch den Vergleich mit dem durch Optimierung berechneten GG-Diagramm bestätigt wird. Neben der Takens-Bogdanov Lösung werden zugehörige Hopf und Fold Lösungen identifiziert, die zugleich die Grenzen des praktisch relevanten Stellbereichs für die Momentenverteilung darstellen.

Modern powertrain topologies of electric all-wheel drive vehicles often include multiple motors, offering the advantage of arbitrary drive torque distribution between the individual axles or wheels, and providing new capabilities in vehicle dynamics control. This cumulative thesis investigates the influence of the front-to-rear drive torque distribution on vehicle lateral and yaw dynamics, taking into account individual motors at the front and rear axles. Considering the mutual influence of longitudinal and lateral tyre forces in the combined slip region, variable drive torque distribution may significantly influence the handling characteristics and stability properties of the vehicle. Hence, a profound understanding of this coupled behaviour is necessary. For automated and assisted driving and for safe operation near the limits of handling, vehicle control systems should be capable to execute extreme manoeuvres or support the driver, where nonlinear system properties significantly affect stability, controllability, and consequently, safety of the vehicle. Utilising the nonlinear handling regime, including large vehicle sideslip angles, may be beneficial in particular cases to increase manoeuvrability, e.g. to avoid obstacles. A theoretical investigation of a steady-state high sideslip manoeuvre, the powerslide, is conducted regarding the influence of the drive torque distribution on its dynamics. Steady-state conditions and corresponding stability properties are derived, and the effectiveness of different actuator inputs, i.e., steering angle, total drive torque, and drive torque distribution, in stabilising the unstable powerslide is analysed and discussed. The results indicate that the drive torque distribution is an effective control input for the stabilisation task and may be superior to the total drive torque. Considering rear-wheel drive only, the dynamic behaviour after the loss of stability at the powerslide is studied by applying bifurcation analysis. For a range of constant steering angles and drive torques, the vehicle motion and states converge either to a stable equilibrium with a considerably smaller radius of curvature than in the considered powerslide condition, or to a stable limit cycle orbiting an unstable equilibrium. Vehicle measurements confirm these theoretical findings. In combined longitudinal and lateral accelerated manoeuvres, the change in vehicle handling and stability properties resulting from modifying the drive torque distribution in all-wheel drive vehicles is analysed, and different types of loss of stability are identified utilising bifurcation analysis. Besides Hopf and Fold bifurcations, the Takens-Bogdanov bifurcation is studied in more detail, revealing that the respective solution branch represents the boundary between final understeer and final oversteer of the vehicle, defining the maximum possible, stable acceleration envelope. Therefore, the drive torque distribution at the Takens-Bogdanov branch may be considered a good design criterion for a safe and performant powertrain baseline setup, which is validated through comparison with the optimised GG envelope of the vehicle. Related Hopf and Fold branches define limits for practically reasonable drive torque distributions.