Energy harvesting analysis of a controllable electro-mechanical suspension for mountain-bikes

The objective of this thesis is to model and test a rear electro-mechanical suspension (EMS) for mountain bikes, in which the traditional hydraulic damper has been substituted with an electric motor. The advantage of this design is the possibility to control the behaviour of the suspension, aiming at a semi-active control, and to explore energy harvesting potentialities, exploiting road excitation. Regenerated energy could be employed to self-supply the electronics of the system itself. The thesis starts with description of the state of the art and analysis of design proposed in scientific literature for similar applications. Then, EMS has been completely modelled from both mechanical and electric point of views. A 3 mass version of the well-known quarter car model has been used to specifically model the bicycle dynamics, while for electrical side the driver used to control the BLDC motor has been modelled as a 3-phase full-bridge converter. Starting from the definition of the complete electro-mechanical system, operative range of EMS has been identified. Exploiting the discussed model, numerical simulations have been performed to find optimum dampings for energy regeneration and comfort, when vehicle is subjected to different road inputs. The last part of the work describes and analyzes experimental data obtained after two series of ride tests. EMS has been tested first subjected to a step input and then in a park, to quantify the amount of recoverable energy and analyse the effectiveness of damping control. The analysis of experiments has shown that energy harvesting and damping control are feasible and are sensitive to the current controller performances.

L’obiettivo della tesi è la modellazione e la sperimentazione di una sospensione posteriore elettro-meccanica (EMS) per mountain bike, in cui il tradizionale smorzatore idraulico è stato sostituito con un motore elettrico. Il vantaggio di questo design è la possibilità di controllare il comportamento della sospensione, aspirando a un controllo semi-attivo, e di esplorare le potenzialità di energy harvesting, sfruttando l’eccitazione stradale. L’energia rigenerata potrebbe essere impiegata per alimentare l’elettronica del sistema stesso. La tesi inizia con la descrizione dello stato dell’arte e l’analisi dei design proposti nella letteratura scientifica per applicazioni simili. Successivamente, la sospensione elettro-meccanica è stata completamente modellata, da un punto di vista sia meccanico che elettrico. È stata utilizzata una versione a 3 masse del noto modello quarter-car per modellare in maniera specifica la dinamica della bici, mentre per quanto riguarda l’aspetto elettrico, il driver usato per controllare il motore BLDC è stato modellato come un convertitore full-bridge a 3 fasi. A partire dalla definizione del sistema elettro-meccanico completo, è stato possibile identificare il range operativo della sospensione. Utilizzando il modello discusso, sono state eseguite delle simulazioni numeriche per trovare lo smorzamento ottimo per la rigenerazione di energia e per il comfort, sottoponendo il veicolo a input stradali diversi. L’ultima parte del lavoro descrive e analizza i dati sperimentali ottenuti dopo due serie di ride test. La sospensione elettro-meccanica è stata sottoposta prima a un gradino e poi testata in un parco, per quantificare l’energia recuperabile e analizzare gli effetti del controllo di smorzamento. L’analisi degli esperimenti ha mostrato che l’energy harvesting e il controllo di smorzamento sono fattibili e che risentono delle performance del controllo di corrente.