Design of a brake caliper bracket and metrological evaluation of instrumented uprights for wheel load measurement in high-performance vehicle

This thesis addresses the development of a brake caliper bracket implemented into a sensorized hub carrier aimed at wheel loads measurement. In parallel with the bracket design, two new hub carriers have been developed at Politecnico di Milano. The components are then presented in this work in their respective suspension assemblies and, as part of their last design phase, the final iteration of their static assessments are presented. The measuring system, based on a patent developed at Politecnico di Milano, features a three-spoke sensing structure integrated into the hub carrier. The employment of 24 strain gauges arranged in six full Wheatstone bridges allows, through a linear relationship, to relate their output voltages to the six wheel loads acting on the suspension. The bracket design was deemed necessary due to previous results on past iterations of the same technology. The issue was related to the application points of the two braking reaction forces on the hub carrier. Due to the nature of the solution, only one of the reaction forces, the one transferred by the brake disc, produces a deformation of the sensing structure. Therefore, a fictitious vertical force was measured whenever the braking action was applied. The introduction of the caliper allows for the application of both the breaking reaction forces on the sensing structure such that no deformation related to them is measured. An experimental campaign has been performed to carry out the calibration of the lateral force signal. A numerical calibration is previously made, with the use of a finite element software, by acquiring the strain gauges deformation data resulting from the separate application of the main six wheel loads with unitary value. The real-world data gathered are then used for an optimization of the numerical calibration matrix ensuring the accuracy and reliability of the system measurements.

La presente tesi affronta lo sviluppo di un supporto per pinza freno integrato in un portamozzo strumentato, finalizzato alla misura dei carichi agenti sulla ruota. In parallelo alla progettazione del supporto, sono stati sviluppati presso il Politecnico di Milano due nuovi portamozzi. Quest’ultimi vengono quindi presentati in questo lavoro all’interno dei rispettivi gruppi sospensivi e, come parte della loro fase finale di progettazione, viene illustrata l’ultima iterazione delle rispettive verifiche statiche. Il sistema di misura si basa su un brevetto sviluppato al Politecnico di Milano, nel quale una struttura a tre razze, considerata come isostatica, permette la misura dei carichi agenti su di essa. Per completare il sistema, sono applicati 24 estensimetri a resistenza elettrica raggruppati in 6 ponti completi di Wheatstone; le tensioni in uscita sono correlate, attraverso un modello lineare, alle sei componenti di carico agenti sulla sospensione. La progettazione del supporto è risultata necessaria a seguito dei risultati ottenuti da precedenti iterazioni della stessa tecnologia. Il problema risiede nei punti di applicazione delle due forze di reazione derivanti dall’azione frenante sul portamozzo. A causa della natura della soluzione, solo una delle forze di reazione, quella trasmessa dal disco freno, genera una deformazione della struttura sensorizzata. Di conseguenza, viene misurata una forza verticale fittizia ogni volta che viene applicata la frenata. L’introduzione del supporto consente l’applicazione di entrambe le forze di reazione frenante direttamente sulla struttura sensorizzata, evitando così la misurazione di deformazioni non rappresentative. È stata infine condotta una campagna sperimentale per effettuare la calibrazione del segnale di forza laterale. Una calibrazione numerica è stata precedentemente eseguita, mediante l’utilizzo di un software agli elementi finiti, acquisendo i dati di deformazione degli estensimetri derivanti dall’applicazione separata dei sei carichi ruota principali con valore unitario. I dati sperimentali raccolti sono stati poi utilizzati per ottimizzare la matrice di calibrazione numerica, garantendo l’accuratezza e l’affidabilità delle misure del sistema.