Three-dimensional kinestatic analysis of McPherson front suspension with steering and caster angle input

Abstract

Esta dissertação desenvolve um modelo de mecanismo tridimensional que incorpora a variação do ângulo de cáster em uma suspensão McPherson e adiciona um sistema de direção do tipo cremalheira e pinhão. Modelos tradicionais geralmente não incluem os sistemas de suspensão e direção no mesmo modelo de análise. Além disso, abordagens convencionais geralmente utilizam modelos planares de suspensão, com algumas simplificações para conseguir aproximar os resultados próximos ao comportamento real do veículo. No caso de modelos de sistema de direção, estes também costumam ser tratados em um plano horizontal com o eixo do pino mestre na direção vertical. O estudo geralmente é feito analisando-se o comportamento da direção quando os ângulos de cáster e inclinação do pino mestre são zero. Este modelo baseia-se no trabalho de Erthal (2010) e permite a avaliação da cinemática de posição e das forças estáticas dentro do domínio de estabilidade para qualquer entrada de direção e ângulo de cáster. O método de Davies é utilizado para analisar o comportamento lateral do veículo até que o limite de estabilidade do veículo seja atingido, ou seja, quando o veículo perde o contato da roda interna à curva do solo e tende a capotar. O modelo desenvolvido pode ser usado para criar uma ferramenta analítica que possibilita aos engenheiros prever o comportamento de veículos durante manobras de curva ou quando submetido a diferentes fontes de força. Os resultados alcançados neste estudo podem servir de base para trabalhos envolvendo mecanismos mais complexos, utilizando o método de Davies. A principal limitação com relação ao uso deste método, com relação a dinâmica do veículo, está no método em si, que ainda não possui estudos robustos que permitam o seu uso além da análise cinestática.

Abstract: This dissertation develops a three-dimensional mechanism model that incorporates caster angle variation in a McPherson suspension and adds a rack-and-pinion steering system. Traditional models do not incorporate suspension and steering systems in the analysis. Furthermore, traditional ways tend to use planar suspension models, with some simplifications to approximate the behavior of a vehicle. Looking at steering system models, they are also usually treated with a vertical kingpin axis, analyzing the behavior of the steering when the caster and kingpin inclination angles are zero. This model is based on the work of Erthal (2010) and allows the evaluation of kinematics and static forces within the stability domain for any steering input and caster angle. The Davies method is used to analyze the lateral behavior of the vehicle until the turning threshold is reached. The developed model can be used to create an analytical tool that allows engineers to predict the behavior of the vehicle during turning maneuvers or when subjected to different sources of force. The results of this study establish a foundation for further research on vehicle kinematics employing the Davies method, allowing for more complex mechanisms models. At this juncture, the study of vehicle dynamics is constrained by the limitations inherent to the dynamics approach used in the Davies method.