An enhanced tire rolling model for improving stability on low-friction surfaces

Abstract

Об’єкт дослідження – механізм підвищення стійкості автомобіля на слизьких покриттях у контурі активної безпеки. Предмет дослідження – процеси формування бічної сили у взаємодії “шина – дорога” та їх використання для відтворення граничних режимів і адаптивного керування стійкістю. Оскільки відомі методики оцінювання стійкості автомобіля ґрунтуються на спрощених моделях кочення колеса, які не враховують загальну сукупність факторів, що впливають на динаміку руху, розроблено механізм, який враховує нелінійність процесів взаємодії “шина – дорога”, що дає змогу інтегрувати в математичну модель фактори, пов’язані із матеріалами шин, дорожнім мікропрофілем і динамічними навантаженнями. Практична значущість роботи полягає у можливості інтеграції запропонованої моделі в алгоритми ESP/ABS/TCS для онлайн- ідентифікації параметрів дорожнього зчеплення та адаптивного налаштування порогів втручання відповідно до актуальних термокліматичних умов. На рівні інженерного проєктування методика забезпечує побудову “карт” стійкості для різних сценаріїв експлуа- тації, які можна використовувати під час вибору шин, планування випробувальних маневрів і калібрування функцій курсової стабілізації. Запропонований підхід характеризується новизною, зберігаючи універсальність, і може бути розширений з урахуванням таких факторів, як тиск у шині, зношення протектора, залишкова висота рисунка протектора та нерівномірний розподіл навантаження між осями автомобіля. Отримані результати демонструють сигмоїдальну температурну чутливість у зоні близьких до нуля температур, деградацію (випукло вниз) стійкості у разі нарощування зволоження та істотне зменшення бічної вантажопідіймальності у крижаних сценаріях. Зіставлення із квазілінійними оцінками засвідчує, що ігнорування післяпікового спаду призводить до переоцінювання граничних можливостей шини та завищення запасу стійкості під час маневрування. Сукупність отриманих результатів підтверджує, що удосконалення моделей кочення колеса із явним урахуванням нелінійних ефектів є ефективним інструментом для підвищення точності відтворення (облікування) граничних режимів та зменшення аварійності в умовах зниженого зчеплення. Сфери застосування – виробнича сфера автомобільного транспорту, сфера сервісних послуг автомобільного транспорту.Object of study: the mechanism for improving vehicle stability on low-friction surfaces within the active-safety control loop. Subject of study: the formation of lateral force in the tire–road interaction and its use for reproducing (accounting for) limit handling modes and adaptive stability control. Because many existing stability-assessment methods rely on simplified wheel/tire rolling models that do not capture the full set of factors governing vehicle dynamics, we develop a framework that explicitly represents the nonlinear nature of tire-road interaction and integrates tire-material properties, pavement microtexture, and dynamic loading into a single mathematical model. The practical significance is in the possibility of embedding the proposed model into ESP/ABS/TCS algorithms for online identification of road-friction parameters and adaptive tuning of intervention thresholds according to current thermoclimatic conditions. At the engineering-design level, the method enables the construction of stability “maps” for various operating scenarios and can be used for tire selection, test-maneuver planning, and calibration of yaw-stability functions. The proposed approach is novel in that it preserves universality while remaining extendable to account for tire-inflation pressure, tread wear, residual tread depth, and non-uniform axle load distribution. The results reveal a sigmoidal temperature sensitivity near 0 °C, a concave-down degradation of stability with increasing wetness, and a pronounced reduction in maximum lateral force capacity in icy scenarios. Comparison with quasi-linear estimates reveals that neglecting the post-peak decay of the lateral force leads to an overestimation of the tire’s limit capability and an inflated stability margin during maneuvers. Overall, enhancing rolling models with explicit nonlinear effects is an effective tool for more accurate reproduction of limit modes and for reducing accident risk under reduced-friction conditions. Application domain: automotive production and automotive service operations.