Modeling and experimental analysis of a bicycle equipped with an in-wheel suspension system

The vehicle field is continuously pushed to enhance performance and safety guaranteed. In particular, the interest for bicycles is boosted due to many factors as traffic congestion, fuel cost and environment considerations. Objective of many researches, the bicycles comfort quality has reached satisfying results exploiting the advantages brought by the passive suspensions adoption. During the last years, innovative passive suspensions arrangements have been developed with the objective of further increasing the cyclist comfort. One of them, the Softwheel system, composed with three in-wheels passive suspensions, equidistantly set around a central hub, is the core of this thesis. The advantage carried by this technology mainly refers to the provided filtering action against relevant road disturbances, but also the high integration capability with any bicycle structures and different types of vehicles, i.e. wheelchairs, automobile, etc. On the other hand, the efficiency limitation can't be neglected. Suspensions energy losses are involved leading to the forward momentum reduction. The achievement of such results is firstly founded on the kinematic and dynamics analysis of the single Softwheel component. Successively, the Softwheel equipped bicycle model is implemented and properly validated. Simulation tests aimed to carry out the desired system knowledge have been realized, demonstrating the vertical filtering action against road disturbances and the evaluation of the dissipation power amount. Lastly, experimental tests are provided laying emphasis on the comparison between the Softwheel bicycle with respect to a classic bicycle.

Performance, sicurezza e comfort sono alla base delle continue ricerche per il miglioramento tecnologico in ambito veicolistico. In particolare, con l'aumentare delle congestioni stradali, il significativo costo del carburante e l'accresciuta sensibilità verso tematiche ambientali, l'interesse per la bicicletta è considerevolmente aumentato. Obiettivo di molte ricerche, la qualità del comfort delle due ruote ha raggiunto buoni risultati grazie all'uso di sospensioni passive. Negli ultimi anni, diverse configurazioni di sospensioni passive innovative sono state sviluppate con l'obbiettivo di migliorare ulteriormente il comfort del ciclista. Una di queste, il sistema Softwheel, composto di tre sospensioni passive interne alla ruota, equidistanti rispetto al mozzo, è il focus di questo lavoro di tesi. Il vantaggio di questo sistema è reppresentato dall'azione filtrante che è in grado di produrre in risposta ai disturbi stradali, riducendo le vibrazioni trasmesse al ciclista. Un altro vantaggio è la sua facile applicabilità su diversi tipi di veicoli: oltre la bicicletta, la sedia a rotelle, l'automobile, etc. D'altra parte, deve essere evidenziata la riduzione di efficienza. Infatti, la dissipazione energetica dovuta alla corsa delle sospensioni comporta una perdita del momento meccanico esercitato dalla pedalata. La verifica degli effetti prodotti dal sistema di sospensioni passive è stata inizialmente possibile mediante lo studio del comportamento cinematico e dinamico del singolo componente Softwheel. Successivamente, il modello complessivo della bicletta Softwheel è stato sviluppato e opportunamente validato e, attraverso lo svolgimento di diversi test di simulazione, è stato possibile definire l'effetto dell'azione filtrante delle sospensioni e misurare la quantità di potenza dissipata dalle stesse. Da ultimo, sono stati effettuati diversi test sperimentali mettendo a confronto il comportamento della bicicletta Softwheel rispetto ad una bicicletta tradizionale.