Advanced testing of bicycle tyres

The environmental impact produced by internal combustion engine cars and the new regulations, that impose lower levels of air pollution, are pushing to the use of environment-friendly transportation systems as electric vehicles. In this field, bicycles are reaching more and more interest and, thanks to this, they are nowadays one of the most widespread means of transport. Market offers different types of bicycles and, in many cities, they are available several sharing providers that let people rent a bike to travel short distances as an alternative way to public transportation systems. As for cars, tyres represent an important element characterizing bicycle behaviour. The forces exchanged with ground strongly influence controllability, safety and riding properties of bikes. Manufactures provide informations regarding adherence, rolling resistance and ground grip but no interest is given to tyre lateral behaviour (lateral force and self-alignment moment). For this purpose, this thesis focuses its attention to the development of all the components constituting a system able to measure such forces. The project started from a drawing of the whole system describing all the objectives to be achieved. A design phase in SolidWorks 3D environment has been conducted giving special attention to mechanical safety and, at the same time, to weight reduction of components, in order to cover all possible loading conditions of a bicycle tyre. Production phase has been successively realized in association with IMS Technologies S.p.a.. The test rig has been designed to work with RuotaVia external drum in the La.S.T. laboratory of Politecnico di Milano. However, the structure is highly versatile: a flat belt moving the tyre can be implemented, different tyres diameters can be fit in and various tyre forces measurement can be realized. Wheel can be supported either by linear ball bearings or pneumostatic bearings. Implementing the latter, thanks to a nearly zero friction, it is guaranteed no noises in force measurement, in particular when dealing with small quantities to be measured, as the one produced by bicycle tyres. Finally the possibility to asses the influence of the rim on tyre properties has been considered, with the chance to mount the same tyre to both commercial rims and a laboratory one.

L’impatto ambientale prodotto dai veicoli dotati di motori a combustione interna e le nuove normative, che impongono anno dopo anno minori livelli di inquinamento atmosferico, stanno portando sempre più spesso verso l’uso di mezzi di trasporto a favore dell’ambiente, come l’auto elettrica. In questo fronte anche le biciclette stanno acquisendo sempre più spesso maggior interesse rappresentando uno dei mezzi di trasporto più diffusi al mondo. Il mercato offre diverse tipologie di biciclette: city bike, mountain bike, bici da corsa e le più recenti biciclette elettriche (E-bike). Oltre a questa vasta scelta, inoltre, molte città offrono servizi di bike-sharing permettendo di noleggiare una bicicletta per percorrere brevi distanze in città, alternativamente all'uso dei comuni mezzi di trasporto pubblici. Come per i veicoli, gli pneumatici rappresentano uno degli elementi principali nello stabilire il comportamento di una bici. Le forze scambiate tra pneumatico ed asfalto determinano le proprietà di controllabilità, sicurezza e comportamento durante il moto o, più specificatamente, il comportamento longitudinale e laterale della bici. È tuttavia interessante notare che i vari produttori di pneumatici da bici diano indicazioni solamente riguardo aderenza e resistenza al rotolamento, mentre nessuna informazione in merito al comportamento laterale dello pneumatico (forze laterali e momento autoallineante) è fornita al cliente. Per caratterizzare anche queste proprietà, si è deciso di progettare un sistema specifico allo scopo. Questa tesi si concentra quindi sulla realizzazione di tutti i singoli componenti costituenti tale sistema, dalla progettazione alla produzione ed assemblaggio, con conseguente fase di misurazione delle forze. L’iter progettuale inizia da un semplice concept del sistema basato sui requisiti precedentemente definiti. Ogni elemento è stato progettato in ambiente cad 3D utilizzando il software SolidWorks. Particolare attenzione è stata data alla sicurezza meccanica dei componenti e alla riduzione del peso complessivo per poter esplorare le varie condizioni di carico a cui è soggetto uno pneumatico di bicicletta. La produzione ed assemblaggio del sistema è stata curata dalla compagnia IMS Technologies S.p.a.. Gli ingombri del sistema sono stati definiti per poter movimentare lo pneumatico attraverso la RuotaVia presente nel laboratorio La.S.T. del Politecnico di Milano. Si è inoltre cercato di realizzare una struttura altamente versatile: è possibile implementare un sistema a cinghia piana per la movimentazione, montare ruote aventi diametri differenti e, infine, misurate ulteriori forze mediante l’uso di differenti celle di carico. La ruota è fissata ad una forcella monobraccio, a sua volta supportata da guide a ricircolo di sfere. Allo stesso tempo, si è progettato un sistema alternativo di supporto mediante l'impiego di cuscinetti pneumostatici. Questi ultimi, aventi un coefficiente di attrito pari a zero, consentono di ridurre le fonti di rumore durante la misura delle forze. Ciò risulta importante quando si vogliono misurare forze di medio-bassa entità, essendo più sensibili a disturbi esterni, come nel caso dei pneumatici di bicicletta. Infine, è possibile valutare l'influenza del cerchio essendo il sistema compatibile con cerchi commerciali e da laboratorio.