Sviluppo e prove sperimentali di una smart wheel

The development of the dynamometer hub (in succession called “Smart Wheel”) is the main object of the present work. This is a technical solution proposed by the Politecnico of Milano for the improvement of the modern active safety systems on vehicles. This system allows the real time measurement of the driving forces and moments at road/wheel contact, with strain gauges put on its spokes, whose shape, dimensions, material and stiffness values have been chosen and optimized in the previous thesis and doctoral works. This job has been developed in two different parts, chronologically subsequent: one purely of planning, experimental the other. In the first part the covering system design of the Smart Wheel has been conduced, in order to protect the whole electronic part and measurement sensors from water, dust and everything else that could cause their bad working. Goal of this operation is to permit the use of the wheel in every weather condition and road type, in optic of a possible, future marketing, even on large scale by vehicle manufactures, thanks to important advantages that this system could give in terms of active safety. The main objective has been reached by manufacturing some principle elements and using accessory elements, which can easily be found on the market, to isolate critical parts and to permit the good working of the system. The covering confers extreme compactness and complete accessibility. It is of easy use and contained costs. The second part is focused on searching a new system for the measurement of the instantaneous wheel angular position (necessary to calculate contact forces/moments) while vehicle is moving. The aim is that of replacing the old, two proximity sensors and gain convenience, toughness and compactness. The disadvantages of the old sensors have been completely eliminated by using a dual axis MEMS accelerometer: a new and very simple mathematical model has been developed, whose validity has been later put through many different experimental tests, in order to recreate conditions that a standard vehicle meets during its life cycle: presence of uneven roads, obstacles and phases of traction/braking. The final comparison between forces and moments progress obtained with the two different systems (the old one and the new one), has allowed to validate the real efficacy of the proposed solution. In addition, the accelerometer has been used to compensate in real time the effect of inertial forces acting on the wheel.

Il presente lavoro ha come obiettivo quello di sviluppare il mozzo dinamometrico (di seguito denominato “Smart Wheel”), soluzione proposta dal Politecnico di Milano per il miglioramento dei moderni sistemi di sicurezza attiva presenti (ormai quasi totalmente di serie) su autoveicoli. Tale sistema permette la misura in tempo reale delle forze e dei momenti che si hanno al contatto ruota-terreno, attraverso la misura delle deformazioni che esse generano sulle razze del cerchio, la cui forma, dimensioni, materiale e valori di rigidezza sono stati scelti e ottimizzati in precedenti lavori di tesi di laurea e dottorato. Il lavoro di sviluppo si divide essenzialmente in due parti, una puramente progettuale, l’altra sperimentale, cronologicamente successive. Nella prima viene affrontata la progettazione di un sistema per la copertura della Smart Wheel, al fine di proteggere tutta la parte elettronica e i sensori di misura da acqua, polvere e quant’altro potrebbe causare il loro malfunzionamento. Scopo di tale operazione è quello di poter permettere l’utilizzo della ruota in qualsiasi condizione atmosferica e di tipologia di terreno percorribile, in ottica di una eventuale, futura commercializzazione anche su vasta scala da parte delle case automobilistiche, visti gli importanti vantaggi che questa soluzione prevede in termini di sicurezza attiva. La protezione è stata ottenuta grazie alla realizzazione di elementi principali, ai quali sono stati affiancati una serie di componenti accessori, facilmente reperibili sul mercato, per l’isolamento delle zone critiche e per permettere il corretto funzionamento del sistema. La copertura realizzata conferisce alla Smart Wheel estrema compattezza, completa accessibilità, facilità di utilizzo, a costi molto contenuti. La seconda parte è incentrata sulla ricerca di una nuova soluzione per la misura della posizione angolare istantanea della ruota durante la marcia del veicolo (necessaria per il calcolo delle forze/momenti di contatto), per sostituire il vecchio sistema, composto da due diversi sensori di prossimità, considerato poco pratico, poco robusto e poco compatto. Tali difetti sono stati del tutto eliminati utilizzando un accelerometro MEMS a due assi, per il quale è stato sviluppato un modello matematico molto semplice per il calcolo dell’angolo e la cui validità è stata poi sottoposta a verifica sperimentale in prove effettuate in diverse situazioni, con l’intento di ricreare le condizioni che un normale veicolo incontra nell’arco della sua vita utile: presenza di irregolarità distribuita e concentrata e presenza di fasi di trazione/frenatura. Il confronto finale tra gli andamenti delle forze e dei momenti ottenuti con i due diversi sistemi di misura ha permesso di validare l’effettiva efficacia della soluzione proposta. L’accelerometro è stato inoltre utilizzato per compensare in tempo reale l’effetto delle forze d’inerzia agenti sulla ruota.