Indoor testing of cycling tyres and quality assurance of Vetyt test rig

The aim of this thesis work is to report the modifications made on “Vetyt” test bench, so as to increase the reliability of the measurements of the mechanical properties of bicycle tyres, in sight of the certification and the quality assurance of the device. In addition, several experimental tests were performed so as to analyse the influence of different parameters on bicycle tyre properties. The measurements were performed with road cycling tyres for two reasons. The lack of experimental data in literature and the natural predisposition to instability phenomena (wobble and weave), enhanced by high speed, urged to test this type of tyres. In Chapter 1 a general and brief background on tyre properties is reported, along with the description of the main existing bicycle tyre test benches. Then, in Chapter 2, a complete description of the modifications made to the initial system is provided. The benefit of each modification was evaluated with experimental measurements, signal and FEM analyses. Additionally, the static calibration of the device was performed. In Chapter 3, a in-depth analysis on the uncertainty of measurement is presented. The uncertainty on the values of slip angle, camber angle, lateral force, self-aligning torque and vertical force is estimated basing on available informations of the measuring instruments, and also by series of observations. The repeatability tests proved the important effect of the temperature on the measurement of tyre properties. In Chapter 4 experimental tests on road cycling tyres are presented. The effect of different parameters, i.e. camber angle, vertical load, inflation pressure, rim stiffness, speed was evaluated and discussed. The influence of camber angle variation was deeply analysed and explained with a simplified physical model. The combined effect of vertical load, inflation pressure and rim stiffness was obtained for a particular road cycling clincher tyre, after the experimental data were fitted with Pacejka's “Magic Formula”. The influence of the speed of the belt of the flat track, the system that simulates a rolling road, on the generation of the lateral force, was measured. Lastly an analysis of the relaxation length, an important parameter that defines the dynamic response of tyres, is presented. Inflation pressure variations induce strong variations of relaxation length, that was evaluated as the ratio between the cornering stiffness and the lateral stiffness of the tyre.

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è di presentare le modifiche apportate al banco prova “Vetyt”, al fine di migliorare l'affidabilità delle misurazioni delle proprietà meccaniche degli pneumatici da bicicletta, in vista della certificazione e della messa in qualità dello strumento. Inoltre, numerose prove sperimentali sono state effettuate in modo da analizzare l'influenza di diversi parametri sulle caratteristiche degli pneumatici da bicicletta. Le misure sono state effettuate su pneumatici da ciclismo su strada per due motivi. La mancanza di dati sperimentali nella letteratura e la naturale predisposizione a instabilità dinamica, dovuta alle velocità elevate tipicamente raggiunte, ha sollecitato a indagare questo tipo di pneumatici. Nel Capitolo 1 è riportata una breve introduzione sulle proprietà degli pneumatici, assieme alla descrizione dei principali banchi prova esistenti. Successivamente, nel Capitolo 2, viene fornita una completa descrizione delle modifiche apportate al sistema iniziale. Il beneficio di ciascuna modifica è stato valutato attraverso misure sperimentali, analisi dei segnali e ad elementi finiti. In aggiunta, è stata effettuata la taratura statica dello strumento di misura. Nel Capitolo 3, è presentata una analisi dettagliata dell'incertezza di misura. L'incertezza sul valore di angolo di deriva, camber, forza laterale, momento autoallineante e carico verticale è stata stimata utilizzando le informazioni a disposizione degli strumenti di misura, ed anche attraverso serie di osservazioni. Nel Capitolo 4 vengono presentate le misure sperimentali ottenute con pneumatici da ciclismo su strada. L'effetto di diversi parametri, come camber, carico verticale, pressione di gonfiaggio e rigidezza del cerchio, è stato valutato e discusso. L'influenza della variazione dell'angolo di camber è stata analizzata in dettaglio e spiegata attraverso un modello fisico semplificato. L'effetto combinato di carico verticale, pressione di gonfiaggio e rigidezza del cerchio è stato valutato per un particolare tipo di copertoncino da ciclismo su strada, dopo l'interpolazione dei dati sperimentali con la “Magic Formula” di Pacejka. L'influenza della velocità del tappeto del flat track, il sistema che simula una strada, sulla generazione della forza laterale, è stata esaminata. Infine, è presentata un'analisi sulla lunghezza di rilassamento, un parametro importante che definisce la risposta dinamica degli pneumatici. La variazione di pressione di gonfiaggio provoca grandi variazioni della lunghezza di rilassamento, che è stata calcolata come il rapporto tra la rigidezza di deriva e la rigidezza laterale dello pneumatico.