Design and construction of a force balance for bicycle wheel wind tunnel testing

The aim of this work has been developing and building a new wind tunnel setup used to measure aerodynamic forces during bicycle wheel tests. A custom force balance was designed and constructed; it is able to accurately measure axial force, side force, and yawing moment. Several configurations based on existing Polimi setups and available literature were initially studied. A platform-style architecture was adopted, with the main flexure elements working in tension as they hang the measuring platform from a fixed frame. The balance was designed so that it could be easily scaled up to accommodate full bicycles, motorbikes, and other vehicles, while maintaining relatively simple construction and low cost. FEM code was used to simulate the load cell readings, enabling to estimate sensitivity, cross-talk, non-linear effects, etc. Preliminary testing after construction shows behavior in line with these predictions. Calibration methods were studied, together with procedures to ensure proper wheel alignment with respect to the balance reference directions. The effects of disassembly on calibration parameters were also assessed. A mounting setup was designed in which the wheel is held inverted in the wind tunnel with a bike fork; several systems were studied to spin the wheel. A measuring method for ventilation moment based on coast-down tests was proposed. A procedure to directly balance the wheel when normally mounted on the measuring platform was studied. Finally, a system to determine its moment of inertia was proposed.

L'obiettivo di questa tesi è stato sviluppare e costruire un nuovo setup da galleria del vento utilizzato per misurare le forze aerodinamiche durante i test sulle ruote delle biciclette. Una apposita bilancia è stata progettata e costruita, in grado di misurare accuratamente la forza assiale, la forza laterale e il momento di imbardata. Sono state inizialmente studiate diverse configurazioni basate su setup esistenti del Politecnico di Milano e sulla letteratura disponibile. È stata adottata un'architettura a piattaforma, con gli elementi flessibili principali che lavorano in trazione mentre sospendono la piattaforma di misurazione da un telaio fisso. La bilancia è stata progettata in modo tale da poter essere facilmente scalata per ospitare biciclette complete, motociclette e altri veicoli, mantenendo una costruzione relativamente semplice e a basso costo. È stato utilizzato un codice FEM per simulare le letture delle celle di carico, consentendo di stimare sensibilità, accoppiamenti, effetti non lineari, ecc. I test preliminari dopo la costruzione mostrano un comportamento in linea con queste previsioni. Sono stati studiati metodi di calibrazione, insieme a procedure per garantire il corretto allineamento della ruota rispetto alle direzioni di riferimento della bilancia. Sono stati inoltre valutati gli effetti dello smontaggio sui parametri di calibrazione. È stato progettato un setup di montaggio in cui la ruota viene tenuta capovolta nella galleria del vento con una forcella per bicicletta; sono stati studiati diversi sistemi per far girare la ruota. È stato proposto un metodo di misurazione del momento di ventilazione basato su test di coast-down. È stata studiata una procedura per bilanciare direttamente la ruota quando montata normalmente sulla piattaforma di misurazione. Infine, è stato proposto un sistema per determinare il momento di inerzia della ruota.