A unique moving laboratory for tyre testing under traction forces

This thesis work aims to present the analysis and the design process of the MoLAS laboratory, an ambitious project of the Mechanical Department of Politecnico di Milano in collaboration with M.I.U.R. . It is an outdoor road tyre characterization system installed on a truck semi-trail, the first in the world that allows to introduce tyre traction in addition to the braking test on a system able to include a variable steering angle, camber contribution and vertical load changes. Moreover, the system has been realized in order to allow the test of tyres that accommodate in rims from 16" up to 24". This laboratory is a complex project in which a lot of different subsystems, mechanical and electrical, coexist, in order to have a real and complete understanding of the tyre behaviour and performance. The focus of this thesis work is divided into two main subjects: the engine integration on the measuring system and the torsional vibration analysis on the transmission system that connects the engine to the rolling tyre. An analysis on the engine housing in the container has been done. The supporting system was designed to sustain it in its positioning and it was validated with FE method analysis. In order to guarantee the correct interaction on the system, it has been done an examination on the degrees of freedom for small movements of the engine on the container so to modify the previously selected flexural joint and validate it by FE verification. In addition, the complete electrical schematic of the engine has been re-designed in order to eliminate all those sensors that are not useful for achieving the goal. It has been revised completely the engine management system in order to guarantee the best controlling procedure during testing sessions. The I.C.E. acting on the system has been completely revised also in its cooling system architecture and fuel supply scheme to increase the efficiency of the union with the MoLAS structure. The paper also focuses on a torsional vibration analysis on the complete transmission chain starting from the engine power fluctuations and ending with the influences on the tested tyre. It highlight whether the internal combustion engine influences the testing phase of the tyre with its torque vibrations. It points out also the braking test condition, in order to understand the tyre behaviours during test procedure.

Questa tesi ha come obiettivo quello di mostrare le analisi e i processi di design fatti per il laboratorio MoLAS, un ambizioso progetto del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano in collaborazione con il M.I.U.R. . Esso è un laboratorio mobile per test sugli pneumatici stradali in ambiente esterno, il primo al mondo a consentire la possibilità di introdurre la prova di trazione oltre a quella di frenatura della gomma in un sistema che è in grado di introdurre un angolo di sterzata variabile, le variazioni di camber e cambiamenti nel carico verticale. Inoltre, il sistema è stato realizzato per permettere la prova di pneumatici che alloggiano in cerchioni da 16" fino a 24". Il laboratorio è un progetto complesso in cui diversi sottosistemi, meccanici ed elettronici, coesistono in modo da avere uno specchio reale e completo del comportamento e delle performance della mescola dello pneumatico. Il fulcro di questa tesi è diviso in due argomenti principali: l’integrazione del motore sul sistema di misura e l’analisi sulle vibrazioni torsionali sul sistema di trasmissione che connette il motore allo pneumatico in rotolamento. É stata sviluppata un’analisi sui supporti del motore nel container. Il sistema di fissaggio è stato dimensionato per sostenere il motore in posizione ed è stato validato tramite un modello ad Elementi Finiti. Per garantire una corretta interazione con il sistema, è stata fatta un’ispezione sui gradi di libertà per piccoli movimenti del motore sul container per modificare il giunto a lamelle precedentemente selezionato ed è stato validato con un’analisi basata su un modello ad Elementi Finiti. In aggiunta, è stato completamente disegnato lo schema elettrico del motore per eliminare tutti i sensori superflui per l’applicazione. Il sistema di gestione del motore é stato completamente revisionato per garantire il miglior controllo durante le sessioni di test. Il motore a combustione interna è stato rivisto nella sua interezza anche nell’architettura del sistema di raffreddamento e nello schema di alimentazione di carburante per aumentare l’efficienza dell’integrazione sulla struttura del MoLAS. Il lavoro si concentra, inoltre, sull’analisi delle vibrazioni torsionali della catena di trasmissione partendo dalle fluttuazioni di potenza del motore finendo alle interazioni sullo pneumatico testato. Esso evidenzia se il motore influenza la sessione di test con le sue vibrazioni di coppia. È inoltre studiato anche il test di frenata, in modo da capire il comportamento della ruota durante la prova.