Design of a six-components instrumented suspension upright

The thesis focuses on the design of a six-components instrumented suspension upright. It is a new version of the instrumented suspension upright already present in Politecnico di Milano where a bracket with the brake caliper attachments is added on it. This component allows to avoid the attachment of the brake caliper on the frame of the instrumented suspension upright and enables to compute the three components of force and the three components of moment acting on the wheel, including the braking moment. The instrumented suspension upright features a three spokes structure which is equipped with electrical resistance strain gauges wired in six full Wheatstone bridges. Using the output voltages of the six full Wheatstone bridges, it is possible to estimate the loads acting on the wheel by means of a calibration matrix. The existent configuration is composed by an instrumented suspension upright with the attachments of the brake caliper on its frame. This represents a problem in the loads measurements because the reaction force that counteracts the braking force is located at the centre of the three spokes structure and it is measured by the full Wheatstone bridges. This implies the use of two different calibration matrices: one that is used when the driver is braking and one that is used when the driver is not braking. Despite this, the vehicle can be in a situation where the brakes are active but also other longitudinal forces are present, so that both matrices are not able to reproduce the loads applied to the wheel. The solution to avoid these problems is the design of a bracket that is connected directly to the three spokes structure and has the attachments for the brake caliper, so that the brake caliper is no more connected to the frame of the instrumented suspension upright. The use of the bracket allows to measure the loads acting on the wheel in a correct way by means of a unique calibration matrix. It is also capable of measuring the braking moment, which can not be measured by the previous configuration.

La tesi si concentra sulla progettazione di un portamozzo strumentato in grado di misurare le sei componenti di carico. Esso è una nuova versione del portamozzo strumentato già presente al Politecnico di Milano dove una staffa con gli attacchi per la pinza freno è aggiunta allo stesso. Questo componente permette di evitare di connettere la pinza freno al corpo del portamozzo strumentato e permette di calcolare le tre componenti di forza e le tre componenti di momento agenti sulla ruota, incluso il momento frenante. Il portamozzo strumentato presenta una struttura a tre razze che è dotata di estensimetri elettrici a resistenza collegati in sei ponti interi di Wheatstone. Usando le tensioni in uscita dai sei ponti interi di Wheatstone, è possible stimare le forze e i momenti agenti sulla ruota tramite l'utilizzo di una matrice di calibrazione. La configurazione esistente è composta da un portamozzo strumentato che ha gli attacchi per la pinza freno sul suo corpo. Questo rappresenta un problema per la misura delle forze e dei momenti agenti sulla ruota perché la forza di reazione che contrasta la forza frenante agisce al centro della struttura a tre razze e viene misurata dai sei ponti interi di Wheatstone. Ciò implica l'uso di due matrici di calibrazione differenti: una che viene usata quando il guidatore sta frenando e una che viene usata quando il guidatore non sta frenando. Nonostante questo, il veicolo può trovarsi in una situazione dove i freni sono attivi ma anche altre forze longitudinali sono presenti, così che entrambe le matrici non sono in grado di misurare le forze e i momenti agenti sulla ruota correttamente. La soluzione per evitare questi problemi consiste nel progettare una staffa che è connessa alla struttura a tre razze e ha gli attacchi per la pinza freno, così che quest'ultima non è più connessa al corpo del portamozzo strumentato. L'uso della staffa permette di misurare correttamente le forze e i momenti agenti sulla ruota in modo corretto tramite un'unica matrice di calibrazione. È anche possibile misurare il momento frenante, che non poteva essere misurato dalla precedente configurazione.