Investigation of three-dimensional coupled vibration response of driver-vehicle-road system

Wang, Chaohe; Liu, Pengfei; Gulisano, Federico

doi:HT031386448

Investigation of three-dimensional coupled vibration response of driver-vehicle-road system

Wang, Chaohe^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Chaohe Wang

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Liu, Pengfei (Thesis advisor)^RWTH* ; Gulisano, Federico (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-01-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00568
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1025169/files/1025169.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen (313410)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Während des Fahrbetriebs entstehende Vibrationen beeinflussen nicht nur den Fahrkomfort, gesundheitliche Risiken und die Arbeitseffizienz, sondern wirken sich auch erheblich auf die Fahrzeugleistung sowie die strukturelle Sicherheit von Straßen aus. Obwohl frühere Studien die gekoppelten Schwingungsreaktionen zwischen Fahrer, Fahrzeug und Straße bereits teilweise untersucht haben, wird der menschliche Körper in den meisten Arbeiten stark vereinfacht, beispielsweise als Ein-Freiheitsgrad-(DOF)- oder als konzentriertes Massenmodell. Dadurch können die differenzierten dynamischen Reaktionen einzelner Körpersegmente nicht adäquat erfasst werden. Darüber hinaus beruhen bestehende Kopplungsmodelle in der Regel auf idealisierten Annahmen zum Reifen-Fahrbahn-Kontakt, die für die Beschreibung der dynamischen Hüll- und Filtereffekte von Reifen nicht ausreichend sind. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Arbeit das dreidimensionale (3D) gekoppelte Schwingungsverhalten des Fahrer–Fahrzeug–Straße-Systems und schlägt einen umfassenden Modellierungsrahmen auf Basis eines 3D-flexiblen Rollen-Kontaktreifenmodells vor. Es wurde ein mehrstufiger und erweiterbarer analytischer Ansatz entwickelt, der von einer detaillierten Analyse der Fahrerreaktionen und der Modellierung mehrerer Anregungsquellen bis hin zur Bewertung der Fahrzeug- und Straßenstrukturantworten reicht und somit eine theoretische Grundlage zur Untersuchung gekoppelter Schwingungseffekte unter komplexen Fahrbedingungen bietet. Die Arbeit beginnt mit einer gezielten Übersicht über den Stand der Forschung zu funktionalen Fahrbahnen und argumentiert für einen methodischen Übergang von der klassischen Reifen-Fahrbahn-Kopplung hin zu einer umfassenden Fahrzeug-Fahrbahn-Interaktionsanalyse. Die Übersicht fasst die Vorteile und Einschränkungen bestehender Reifen-Fahrbahn-Kopplungsstudien im Hinblick auf funktionale Fahrbahnprobleme zusammen und zeigt, dass die Integration multifunktionaler Reifenmodelle in die Fahrzeug-Systemanalyse die Untersuchung komplexerer dynamischer Wechselwirkungen, weiter gefasster ingenieurwissenschaftlicher Fragestellungen sowie eine erhöhte praktische Relevanz ermöglicht. Es wird daraus geschlossen, dass der Übergang zur Fahrzeug-Fahrbahn-Interaktionsanalyse ein wesentlicher Schritt für die Weiterentwicklung der Wissenschaft funktionaler Fahrbahnen ist. Auf dieser konzeptionellen Grundlage wurden 3D-Fahrbahnoberflächenmodelle mit unterschiedlichen Rauigkeitsgraden unter Anwendung der Fraktaltheorie und fraktaler Interpolation generiert. Zur Beschreibung des räumlichen Kontakts und der Verformung zwischen Reifen und rauer Fahrbahnoberfläche wurde ein 3D-flexibles Rollen-Kontaktreifenmodell entwickelt, wobei die Fahrbahn als starre Platte modelliert wurde (d. h. die strukturelle Schwingung der Straße wurde vernachlässigt). Durch die Integration der Fahrbahnoberflächen- und Reifenmodelle entstand ein 3D-Fahrzeugdynamikmodell, das anhand klassischer Punktkontaktmodelle sowie experimenteller Messdaten validiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die 3D-Kontaktformulierung räumliche Verformungs- und Kopplungseffekte erfassen kann, wodurch zusätzliche Energie in das Fahrzeugsystem übertragen wird. Dies führt zu höheren prognostizierten Beschleunigungsantworten im Vergleich zu konventionellen Punktkontaktmodellen und verbessert die Modellgüte für die Vorhersage fahrzeugseitiger Schwingungsreaktionen. Aufbauend auf dem validierten Fahrzeugmodell wurde die menschliche Reaktion durch ein gekoppeltes 18-DOF-3D-Fahrer–Fahrzeug-Modell weiter verfeinert, das elf anatomische Komponenten des sitzenden Insassen explizit berücksichtigt. Unter stochastischer Fahrbahnrauigkeitsanregung wurden die schwingungsbedingte Belastung einzelner Organe, der Fahrkomfort sowie der Motion-Sickness-Index (MSI) analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fahrbahnunebenheit der dominierende Einflussfaktor auf Komfort und MSI ist, während die Fahrgeschwindigkeit bei fester Fahrtdauer nur einen begrenzten Einfluss auf den MSI aufweist. Darüber hinaus wurden Magen, Lendenwirbelsäule, Leber und Kopf – in absteigender Reihenfolge – als die empfindlichsten Organe identifiziert. Ergänzend wurden Stoßanregungsszenarien untersucht, die aus mehreren repräsentativen 3D-Schlaglochbedingungen bestanden und mithilfe eines vereinfachten Fahrer–Fahrzeug-Modells analysiert wurden. Als Bewertungskennwerte dienten unter anderem der nach ISO 2631-1 gewichtete Effektivwert (RMS) sowie der gesamte Schwingungsdosiswert (VDV_total), ergänzt durch eine Partialkorrelationsanalyse zur Aufdeckung nichtlinearer Zusammenhänge zwischen Anregungsparametern. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schlaglochtiefe einen deutlich stärkeren Einfluss auf die Stoßintensität hat als die Fahrgeschwindigkeit und dass asynchrone Reifenanregungen zur Reduzierung der Insassenbelastung beitragen können. Da unter Einsatzbedingungen von Schwerlastfahrzeugen die strukturelle Antwort der Straße nicht vernachlässigt werden kann, wird in dieser Arbeit abschließend ein weiteres innovatives Reifen-Dynamikmodell eingeführt, das als Advanced 3D Flexible Roller Contact Tire Model bezeichnet wird. Dieses Modell erweitert bestehende Reifen-Fahrbahn-Kopplungsansätze, indem das dynamische Kopplungsverformungsverhalten von Reifen und Straßenstruktur während der Rollbewegung berücksichtigt wird. Auf dieser Grundlage wurde ein vollständig gekoppeltes 3D-Fahrer–Fahrzeug–Straße-Schwingungsmodell aufgebaut, das eine simultane dynamische Analyse von menschlichem Körper, Fahrzeug und Straßenstruktur ermöglicht. Die umfassende Bewertung erfolgte anhand des Gesamtvibrationswertes (OVTV), des dynamischen Lastfaktors (DLC) sowie der vertikalen Fahrbahnverformung. Die Einflüsse von Fahrbahnrauigkeit, Fahrgeschwindigkeit und Umgebungstemperatur auf Fahrkomfort und strukturelle Sicherheit der Straße wurden systematisch untersucht. Die Ergebnisse belegen, dass das vorgeschlagene Modell die dynamischen Reaktionen aller Subsysteme gleichzeitig berechnen kann. Die verbesserte Energieübertragungsfähigkeit des innovativen Reifenmodells erhöht die Abbildungsgenauigkeit der systemweiten Schwingungskopplung deutlich. Die Fahrbahnrauigkeit bleibt der maßgebliche Einflussfaktor für Fahrkomfort, dynamische Belastungen und die Sicherheit der Straßenstruktur. Zusammenfassend etabliert diese Dissertation einen systematischen 3D-Analyseansatz für die gekoppelte Schwingungsdynamik von Fahrer, Fahrzeug und Straße. Sie verknüpft die theoretische Weiterentwicklung von der Reifen-Fahrbahn-Kopplung zur Fahrzeug-Fahrbahn-Interaktion, entwickelt und validiert innovative 3D-Reifen-Fahrzeug-Straße-Modelle unter Annahmen starrer und verformbarer Fahrbahnen und stellt umfassende Werkzeuge für intelligente Fahrregelung, die Bewertung vibrationsbedingter Gesundheitsrisiken sowie die Auslegung widerstandsfähiger Fahrbahnsysteme bereit. Die Forschung weist eine hohe ingenieurwissenschaftliche Anwendbarkeit sowie ein breites Potenzial für weiterführende wissenschaftliche Untersuchungen auf.

Vibrations generated during driving have significant impacts not only on driving comfort, health risks, and work efficiency, but also on vehicle performance and road structural safety. Although existing studies have addressed, to some extent, the coupled vibration responses among the driver, vehicle, and road, most of them simplify the human body as a single-degree-of-freedom (DOF) or lumped mass model, failing to capture the differentiated responses of multiple body parts. Moreover, current coupling models typically employ idealized tire-road contact assumptions, which are inadequate for describing the dynamic behaviors of tire enveloping and filtering effects. In this context, this study investigated the three-dimensional (3D) coupled vibration behaviors of the driver-vehicle-road system and proposed a comprehensive modeling framework based on a 3D flexible roller contact tire model. A multi-level and expandable analytical approach was established, ranging from refined driver response analysis and multi-source excitation modeling to vehicle-road structural response assessment, providing theoretical support for evaluating coupled vibration effects under complex driving conditions. The work began with a focused review of advances in functional pavement research, arguing for a methodological shift from traditional tire-pavement coupling toward comprehensive vehicle-pavement interaction analysis. This review synthesized the advantages and limitations of existing tire-pavement coupling studies for addressing functional-pavement challenges and demonstrated that integrating multifunctional tire formulations into vehicle-system analysis enables the study of more complex dynamic interactions, broader engineering questions, and enhanced practical relevance. The review concludes that transitioning to vehicle-pavement interaction analysis is essential for advancing functional pavement science. Based on this conceptual foundation, 3D pavement-surface models with varying roughness levels were generated using fractal theory and fractal interpolation. A 3D flexible roller contact tire model was developed to represent spatial contact and deformation between a tire and a rough pavement surface, where the pavement was treated as a rigid plate (i.e., road structural vibration is neglected). Integration of the road-surface and tire formulations yielded a 3D vehicle dynamic model, which was validated against classical point-contact theory and experimental measurements. Results indicated that the 3D contact formulation captured spatial deformation and coupling effects that transferred additional energy into the vehicle system, producing larger predicted acceleration responses than conventional point-contact models and improving model fidelity for vehicle-level vibration prediction. Building on the validated vehicle model, the human response was refined through a coupled 18-DOF 3D driver-vehicle model that explicitly represented eleven anatomical components of the seated occupant. Under stochastic pavement-roughness excitation, organ-level vibration exposure, driving comfort, and motion sickness index (MSI) were evaluated. The analysis showed that pavement unevenness is the dominant factor influencing comfort and MSI; vehicle speed has a limited effect on MSI under fixed trip durations; and the stomach, lumbar spine, liver, and head are the most sensitive organs in descending order. Complementarily, shock-excitation scenarios composed of multiple representative 3D pothole conditions were investigated using a simplified driver-vehicle model. Assessment metrics included ISO 2631-1 weighted root-mean-square (RMS) and total vibration dose value (VDVtotal) measures, together with partial-correlation analysis to reveal nonlinear relations among excitation parameters. Findings indicated that pothole depth substantially outweighs speed in determining shock severity and that asynchronous tire excitations could help mitigate occupant discomfort. Finally, considering that road structural responses cannot be neglected under heavy-duty truck operation conditions, this study introduced another innovative tire dynamic model named the advanced 3D flexible roller contact tire model, improving upon traditional tire-pavement coupling formulations by accounting for the dynamic coupling deformation behavior of the tire and the road structure during rolling motion. Based on this model, a fully coupled 3D driver-vehicle-road vibration model was established, enabling simultaneous dynamic analysis of the human body, vehicle, and road structure. A comprehensive evaluation was conducted using overall vibration total value (OVTV), dynamic load coefficient (DLC), and vertical pavement deformation metrics. The effects of pavement roughness level, driving speed, and ambient temperature on driver comfort and road structural safety were systematically examined. The results showed that the proposed model could calculate dynamic responses across all subsystems. The energy transfer capability of the proposed innovative tire model significantly enhanced the fidelity of the system-level vibration coupling expression. Pavement roughness remained the dominant factor affecting driving comfort, dynamic loading, and road structure safety. In summary, this dissertation established a systematic 3D driver-vehicle-road coupled vibration analysis framework that linked theoretical progression from tire-road coupling to vehicle-road interaction, developed and validated innovative 3D tire-vehicle-road formulations under both rigid- and deformable-road assumptions, and provided comprehensive tools for intelligent driving control, vibration-induced health risk assessment, and resilient pavement design. The research exhibits strong engineering applicability and broad potential for academic extension.

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