Design of a moving laboratory for the dynamic testing of tyres

This thesis work is aimed to present a complete overview of the MoLAS system, an ambitious project developed by the mechanical department of Politecnico di Milano consisting in an outdoor tyre characterization system installed on a truck semi-trailer. The focus of this testing system is on automotive tyres, from 16” to 24”. The application of driving torque to the wheel hub is a previously unseen characteristic of the MoLAS system, moreover braking torque, camber angle and steering angle can be varied for a complete understanding of the tyre behavior and performance. MoLAS is a complex project in which a lot of different subsystems, mechanical and electrical, coexist and therefore an accurate design process must be carried out. Moreover, design processes must be followed by strict compliance to international standards, in particular regarding safety issues and homologation procedures. This work focuses on the two main systems of this machine: the measuring system and the trailer, taking into consideration the interactions between the two structures. The design process of this system started in 2019 and is widely reported in two thesis works. The first one, Ceppi, F., Pintus, A. A semi-trailer for a moving laboratory - Architecture and structure, has laid the foundation of the structural and dynamic analysis of the semitrailer alone. The other one, Boleso, D., A semi-trailer for a moving laboratory - Complete measuring system and semi-trailer design, has been carried out with the contribution of the current author and is mainly focused on the measuring system but has updated and improved the trailer under the structural point of view. For this reason, this thesis is the natural prosecution of this last work and aims to update the dynamic analysis, to complete the structural design and to develop the control and measuring systems of the laboratory. Standard design procedures have been followed together with FE analysis in order to design the structure. In particular, the focus has been put on deformation minimization with the purpose of increasing the measurement accuracy. While for dynamic analysis, a multibody simulation software has been used. An important thing to consider is that the structure of this thesis does not reflect the chronological order of the design process; different design variables were regularly updated in an iterative way, taking care of the results of the simulations during the development. Furthermore, expert technical advice has been crucial to identify issues, to design in compliant with regulations and to perform a smart design. The result of this thesis is a measuring system fully developed and designed to execute any test needed to characterize a tyre.

Lo scopo di questa tesi è quello di presentare in modo completo il sistema MoLAS, un ambizioso progetto sviluppato dal Dipartimento di meccanica del Politecnico di Milano, che consiste in un sistema per la caratterizzazione degli pneumatici nel mondo reale installato su un semirimorchio appositamente studiato. Il sistema è stato concepito per testare pneumatici automobilistici, da 16” a 24”. La peculiarità del MoLAS risiede nella possibilità di applicare coppia motrice allo pneumatico in prova, ciò rende unico il laboratorio mobile. Inoltre è possibile applicare coppia frenante, angolo di camber, angolo di sterzo e carico verticale al fine di ottenere un’accurata analisi delle prestazioni e del comportamento dello pneumatico oggetto della prova. Il MoLAS è un progetto complesso nel quale diversi sottosistemi, meccanici ed elettronici, devono coesistere ed essere integrati senza entrare in conflitto tra loro. La progettazione di tutti i componenti è stata svolta tenendo in considerazione il rispetto delle normative internazionali vigenti in materia di sicurezza e procedure di omologazione. Questa tesi si concentra sui due assiemi principali di questo sitema: l'assieme di misura e il semirimorchio, considerando le interazioni tra di essi. La progettazione di questo sistema cominiciò nel 2019 ed è ampiamente descritta in due tesi. La prima, Ceppi, F., Pintus, A. A semi-trailer for a moving laboratory - Architecture and structure, ha posto le basi dell'analisi strutturale e dinamica del solo semirimorchio. L'altra, Boleso, D., A semi-trailer for a moving laboratory - Complete measuring system and semi-trailer design, è stata portata a termine con il contributo dell'attuale autore ed è principalmente focalizzata sull'assieme di misura, tuttavia il semirimorchio è stato aggiornato e migliorato sotto il punto di vista strutturale. Di conseguenza, la presente tesi è il naturale proseguimento di quest'ultima opera e mira ad aggiornare l'analisi dinamica, a completare la progettazione strutturale di entrambi gli assiemi e a sviluppare i sistemi di controllo e misura del laboratorio. Per la definizione del sistema sono state impiegate tecniche di progettazione classica e analitica unite all'impiego di analisi agli elementi finiti. In particolare, è stata prestata particolare attenzione alla minimizzazione delle deformazioni in modo da aumentare l'accuratezza delle misurazioni. Invece, per l'analisi dinamica del semirimorchio è stato impiegato un programma di simulazione multicorpo. Riguardo il presente documento, è importante sottolineare che la struttura non riflette l’ordine cronologico della progettazione, poiché continui aggiornamenti e procedimenti iterativi sono stati necessari per concludere il lavoro. Infine, le opinioni di esperti del settore sono state fondamentali per individuare possibili criticità ed assicurare il rispetto delle normative vigenti. Il risultato di questa tesi è un sistema di misura completo trainabile adatto per svolgere delle prove utili a caratterizzare completamente il comportamento di uno pneumatico.