Velo Tyre Testing - development of a new braking system to measure bicycle tyres' longitudinal characteristics

This thesis was developed to introduce to the VeTyT test-rig the possibility to perform tests also considering the longitudinal behaviour of the analysed tyre. The test-rig, conceived in 2019, is continuously upgraded and refined to allow for a wider and more precise range of experiments, all regarding bicycle tyres. In this thesis, a new braking system is designed and applied to the system, allowing for the introduction of a longitudinal braking force to the wheel; new measuring systems are also introduced, to evaluate the longitudinal force and slip developed at the tyre. The work explores the current state of the art regarding bicycle tyre measurements and test-rigs, with particular attention on studies concerning longitudinal characteristics. A general overview about car tyres' longitudinal characteristics is also provided, serving as a sound reference for the obtained results. A detailed description of the VeTyT system is reported, explaining the functioning of its elements, together with the alignment procedure of the sub-systems; this represents the starting point of the VeTyT for this thesis work. The design, production and implementation procedure of the new braking system and of the new measurement systems are also cevered, together with the motivations regarding the choices made. Calculations and methods that are needed to obtain the desired quantities from the measured data are reported, namely the equilibrium analyses that allow for the calculation of the forces at the contact patch and the post processing methods used to obtain the characteristic curves. The actual preparation and testing procedure are also explained, detailing every step of the process that must be conducted for the tests. Eventually, the results of the tests are presented, according to the respective testing conditions: pure lateral and pure longitudinal tests are performed to validate both the newly designed systems and the previously existing ones; the Pacejka 89 Magic Formula empirical tyre model is fitted to the obtained experimental results and some concluding remarks are made. Some suggestions for future developments and tests are also proposed.

Questa tesi è stata svolta con l'obiettivo di consentire l'esecuzione di test al banco di prova VeTyT considerando anche il comportamento longitudinale dello pneumatico analizzato. Il banco, nato nel 2019, è soggetto a continui miglioramenti e modifiche, al fine di consentire esperimenti sempre più vari e precisi, tutti riguardanti gli pneumatici di bicicletta. In questa tesi un nuovo sistema frenante è progettato e applicato al macchinario, in modo da permettere l'introduzione di una nuova forza longitudinale frenante alla ruota; sono introdotti anche nuovi sistemi di misura per valutare forze e slittamenti longitudinali allo pneumatico. È esplorato lo stato dell'arte attuale, riguardante studi su pneumatici di bicicletta e relativi banchi di prova, ponendo particolare attenzione agli studi trattanti le caratteristiche longitudinali. Viene fornita una descrizione delle caratteristiche longitudinali degli pneumatici di auto, prese come riferimento per i risultati ottenuti. È riportata una descrizione dettagliata del VeTyT, in cui è spiegato il funzionamento di tutti i suoi elementi, così come la procedura di allineamento dei suoi sottosistemi; ciò rappresenta il punto di partenza del VeTyT per questo lavoro di tesi. Sono trattati design, produzione e implementazione del nuovo sistema frenante e del nuovo sistema di misura, con motivazioni riguardanti le scelte fatte. Sono presentati i calcoli e le metodologie necessarie per ottenere le grandezze desiderate, ossia le equazioni di equilibrio per le forze al punto di contatto e il post processing dei dati per le curve caratteristiche. Sono riportate la preparazione e la procedura di test, entrando nel merito di ogni passaggio che deve essere rispettato per condurre i test. Infine, sono presentati i risultati dei test in base alle rispettive condizioni: sono condotti test puramente laterali e puramente longitudinali, al fine di validare sia i nuovi sistemi introdotti, sia i vecchi sistemi già esistenti. Il modello empirico della Formula Magica di Pacejka 89 è utilizzato per approssimare i risultati sperimentali ottenuti, con alcune considerazioni finali. Qualche suggerimento per sviluppi e test futuri è proposto.