Design of a multi-purpose agricultural vehicle prototype with active suspensions and four-wheel steering

Multi-purpose agricultural vehicles are designed to operate under varying conditions, both on-road and off-road. They are typically used in vineyards and orchards, often on mountainous terrain, or as versatile utility vehicles for small municipalities for road maintenance or waste collection. Key characteristics of these vehicles include compact dimensions, stability, and maneuverability. This thesis presents the development of a multi-purpose agricultural vehicle equipped with an active suspension system and four-wheel steering. The project was carried out in collaboration with F.lli Paoli S.r.l., a company specializing in manufacturing agricultural vehicle components, which provided design requirements and constraints based on end-user feedback. The main objective of the thesis is the development of a compact agricultural tractor with an integrated load platform, offering high rollover stability while maintaining a relatively narrow maximum width of less than 1300 mm. To achieve this, the vehicle is equipped with self-leveling suspension systems on both the front and rear axles, allowing for lateral tilting of the vehicle body: the lateral shift of the center of mass reduces the risk of rollover. In addition, the vehicle features a four-wheel steering system that supports three different steering modes to improve maneuverability between crop rows and enhance safety on steep slopes. To support the design and assess the interaction of the vehicle’s components, the thesis developed a simulation environment based on multi-body and multi-physics modeling techniques. Notably, the key contributions of the thesis include a multi-domain design approach tailored to the vehicle’s versatility and the implementation of a simulation platform enabling both control system design and comprehensive evaluation of the vehicle’s dynamic performance under realistic operating conditions. Among the main results achieved, the integration of a self-leveling suspension system capable of compensating up to 5° of bank angle stands out. Performance analyses show rollover stability comparable to that of vehicles with a 15% wider track, under equivalent operating conditions. Furthermore, a steering system was developed capable of achieving a turning radius of 2.7 m while simultaneously mitigating the effects of bump steer.

I veicoli agricoli polifunzionali sono progettati per operare in condizioni diverse sia su strada che su percorsi off-road. Questi veicoli sono utilizzati nei vigneti e nei frutteti posti spesso in terreni montuosi, oppure come veicoli tuttofare per le piccole municipalità, per la manutenzione delle strade o per la raccolta dei rifiuti. Le caratteristiche che contraddistinguono questi veicoli sono dimensioni compatte, stabilità e manovrabilità. Questa tesi presenta lo sviluppo di un veicolo agricolo polifunzionale dotato di un sistema di sospensioni attive e di sterzatura integrale. Il progetto è stato realizzato in collaborazione con F.lli Paoli S.r.l., un’azienda specializzata nella produzione di componenti per veicoli agricoli, che ha fornito requisiti e vincoli progettuali basati sul feedback degli utilizzatori finali. L’obiettivo principale di questa tesi è la realizzazione di una trattrice agricola dotata di piano di carico integrato, con elevata stabilità a ribaltamento mantenendo un ingombro massimo laterale relativamente ridotto ossia inferiore a 1300 mm. A tale fine il veicolo è dotato di sospensioni autolivellanti sia all'anteriore che al posteriore che consentono di inclinare lateralmente la cassa del veicolo: lo spostamento laterale del centro di massa del veicolo riduce il rischio di ribaltamento. Inoltre, il veicolo è dotato di un sistema a quattro ruote sterzanti che consente tre modalità di sterzatura per migliorare maneggevolezza nei filari e sicurezza sui pendii scoscesi. La tesi ha sviluppato un ambiente di simulazione basato su tecniche multi-corpo e multi-fisiche per la progettazione e lo studio dell'interazione delle componenti del veicolo. In particolare, i punti di maggiore rilievo della tesi sono: l’approccio di progettazione che includa diversi domini data la versatilità del mezzo; l’implementazione di un ambiente di simulazione che consente sia la progettazione dei sistemi di controllo che la valutazione complessiva delle prestazioni dinamiche del mezzo includendo le complessità dell'ambiente di lavoro. Tra i principali risultati conseguiti nello sviluppo del veicolo si evidenzia l’integrazione di un sistema di sospensioni autolivellanti, in grado di compensare fino a 5° di bank. Le analisi prestazionali mostrano una stabilità a ribaltamento comparabile a quella di veicoli con carreggiata superiore del 15%, a parità di altre condizioni operative. Inoltre, è stato sviluppato un sistema sterzante capace di garantire un raggio di volta di 2.7 m, riducendo contestualmente gli effetti del bump steer.