Modeling and experimental validation of a multichamber suspension

This thesis work deals with a particular architecture of a suspension spring called multi-chamber air spring, composed of a main chamber with variable volume and two auxiliary chambers with fixed volumes, connected to the main one via two controllable valves. The opening and closure of the valves allow for a modulation of the elastic force provided by the suspension. The aim of this dissertation is the characterization and validation of a multi-chamber air spring. To this end, not only the identification and control of the valves are implemented, but also a detailed mathematical model for the air spring is presented and validated through experimental data. First, different experiments have been performed for the valves, in order to synthesize and test a valve position hybrid control strategy to the end of maximizing the valves timing performances during their opening and closure. Then, experimental data collected on a test bench have been analyzed, both for different passive valve configurations and for valves position switching at different frequencies. Hence, the identification of piston area, volume of the chambers and cross-sections of the valves has been performed through an optimization problem so that the suspension stiffness configurations could be estimated and the mathematical models could fit the experimental data. The obtained results allow the simulated pressure to capture very precisely the behaviour of the real one in all the passive valve configurations and at their switching too, both in quasi-static tests and in dynamic ones.

Questa tesi tratta di una particolare molla per sospensioni basata sull’architettura denominata molla pneumatica multicamera, costituita da una camera principale con volume variabile e due camere ausiliarie con volumi fissi, connesse alla prima tramite due valvole regolabili. L’apertura o chiusura delle valvole permette una modulazione della forza elastica della sospensione. L’obiettivo di questa dissertazione è la descrizione e validazione di una sospensione pneumatica multicamera. A tal fine, non solo sono stati implementati l’identificazione e il controllo delle valvole, ma è stato presentato e validato, attraverso dati sperimentali, anche un modello matematico dettagliato per la molla pneumatica. Innanzitutto, sono stati svolti diversi esperimenti per le valvole, per poter sintetizzare e testare una legge di controllo ibrida per la posizione delle valvole, al fine di minimizzarne il tempo in apertura e chiusura. Dopodichè, sono stati analizzati dati sperimentali raccolti tramite un banco prova, sia per diverse configurazioni di valvola passive, sia per il cambio di posizione delle valvole a diverse frequenze. Dunque, è stata effettuata l’identificazione dell’area del pistone, del volume delle camere e della sezione delle valvole tramite un problema di ottimizzazione, per stimare le configurazioni di rigidezza della sospensione e far sì che i modelli matematici potessero aderire ai dati sperimentali. I risultati ottenuti mostrano che la pressione simulata è in grado di seguire in maniera molto precisa quella reale in tutte le configurazioni passive e con commutazione di valvole in test quasi-statici e dinamici.