A smart wheel for urban bus application

Active control vehicle systems, used for improving safety and comfort of road vehicles, require real time information of the vehicle status. Availability of tire road contact force information, directly measured, and not estimated on the basis of mathematical models, is crucial. For this purpose many studies have been carried out over the years proposing intelligent tires/wheels able to measure contact forces and moments. In the framework of the ITS ITALY 2020 project, Politecnico di Milano is developing a sensing wheel, with the goal of measuring the vertical load acting on a bus wheel. The present work describes the designed prototype, analyzing both the design and testing phases. The FE analysis, performed on a forged aluminum wheel, allows to identify ventilation holes as elements with high deformation level. Then, steel supports are designed in order to transfer the displacement at the holes diameter to the armatures of a capacitive sensor used in this study. No structural modification on the wheel has been made. Hardware components for data acquisition and transfer, have been carefully chosen, considering wireless communication as the best solution, maintaining low cost, low size and weight. Wheel experimental tests, carried out by applying static loads to the bead seats without tire, reveal a good sensitivity of the prototype, reaching a vertical load discretization of less than 100N. Moreover, both static wheel tests and experiments performed on the standalone sensor, demonstrate high linearity between applied force and measured capacitance. Lastly, FE models of the wheel are created and, after their validation, the output are exploited in order to write a software able to evaluate vertical load variations in real time.

I sistemi di controllo attivi del veicolo, introdotti negli ultimi decenni, richiedono prestazioni sempre più elevate, al fine di migliorare la sicurezza e il comfort di guida. La disponibilità di informazioni relative al contatto tra pneumatico e strada, ottenute in modo diretto, senza l'utilizzo di modelli matematici, risulta essenziale. A questo scopo numerosi studi sono stati svolti negli anni, per lo sviluppo di ruote intelligenti atte alla misurazione di forze e momenti di contatto, nonchè delle condizioni della strada. All'interno del progetto ITS ITALY 2020, il Politecnico di Milano sta sviluppando un cerchio sensorizzato, in grado di misurare la variazione di carico verticale agente sulla ruota anteriore di un autobus. Il presente lavoro descrive il prototipo realizzato e ne analizza le fasi di progettazione e test sperimentali. Le analisi ad elementi finiti del cerchio di alluminio hanno permesso di individuare i fori di alleggerimento, come elementi a più alta deformazione; di conseguenza, appositi supporti in acciaio sono stati progettati per poter trasferire tale deformazione dalla superficie del foro alle armature del sensore capacitivo utilizzato, senza richiedere alcuna modifica alla ruota. I componenti hardware necessari all'acquisizione e al trasferimento dei dati sono stati scelti appositamente, con l'intento di realizzare una trasmissione dati wireless, mantenendo costi e massa contenuti. I test sperimentali realizzati sul cerchio, seppur svolti solo applicando carichi statici e senza la presenza dello pneumatico, rivelano un'ottima sensibilità del prototipo, il quale è in grado di riconoscere una variazione di carico verticale inferiore a 100N. Inoltre, sia questa campagna di test sia quella svolta con il solo sensore, mostrano un alto livello di linearità tra forza applicata e capacità misurata. Dopo la validazione dei modelli ad elementi finiti realizzati, è stato possibile utilizzare i risultati per la creazione di un software in grado di misurare variazioni di carico verticale in tempo reale sulla base del segnale del sensore acquisito sul giro ruota.