Progettazione di un sistema di calibrazione per smart wheel

The present thesis focuses on the design of a calibration system for a multiaxial wheel force transducer called Smart Wheel. The function of this tool is the real-time measurement of the three forces and three moments acting at the tire-ground interface. The system should allow the calibration of a 17’’ wheel, applied on an off-road military vehicle, and a 22.5’’ wheel, applied on an heavy truck. These steel wheels are based on a three spokes structure, whose deformations are sensed by strain gauges, connected to obtain six Wheatstone half-bridges. The purpose of this setting is the calculation of the forces and the moments acting on a wheel hub, starting from the bridges output voltages through a calibration matrix. A static calibration of the smart wheel consists in the application of different configurations of known forces and moments and the acquisition of the corresponding strain gauges signals. The system allow to simulate the real dynamics loads acting on the wheel during the ride. The machinery present two load application systems used to perform, respectively, the normal load and the vectorial composition of the lateral and longitudinal ones. Two monoaxial load cells are integrated in these systems: they gives the reference values of the input forces. The smart wheel can be fixed in different angular position and can be rotated around an axis coincident with the application direction of the perpendicular force acting on the wheel; in this way, all the load cases can be performed. The main objectives of the design are the achievement of a simples uses and of a lightweight structure, with a negligible deformation caused by the application of loads. The attention to this last feature, together with the optimal choice of dimensional tolerances and surface finishing, allows to obtain a machinery that enables the assessment of the characteristics of the sensors in terms of uncertainty, linearity and cross-talk.

Il presente lavoro di tesi verte sulla progettazione di un sistema di taratura per trasduttori di forza multiassiali tipo Smart Wheel; lo scopo di questo strumento è la misura, in tempo reale, delle forze e delle coppie scambiate tra il centro ruota ed il terreno. Si tratta, nello specifico, di una ruota da 17'' che trova applicazione su un mezzo fuoristrada militare e di un'altra, da 22.5'', destinata a un mezzo commerciale pesante. Su ogni razza del sensore sono posizionati quattro estensimetri, collegati con configurazione a mezzo ponte di Wheatstone; lo scopo della taratura è quello di risalire, a partire dai segnali di tensione in output, alle forze agenti a centro ruota, grazie ad una matrice di calibrazione. Si tratta di applicare dei carichi, in tre direzioni ortogonali, che permettano di simulare le effettive forze e i momenti scambiati, durante la marcia, tra ruota e terreno. La macchina di calibrazione presenta due sistemi di carico, destinati, rispettivamente, all'applicazione del carico normale ed alla composizione vettoriale dei carichi laterale e longitudinale; in tali sistemi sono integrate delle celle di carico monoassiali, che danno il riferimento sui carichi in ingresso al sensore. La Smart Wheel può essere bloccata in diverse posizioni angolari e ruotata attorno all’asse coincidente con la direzione di applicazione del carico verticale, modificando le forze laterali e longitudinali applicate. Gli obiettivi principali della progettazione sono stati la realizzazione di una struttura che fosse, per quanto possibile, di semplice impiego, relativamente leggera e poco deformabile per effetto dei carichi. Proprio l'attenzione verso quest'ultimo aspetto, unitamente alla scelta di tolleranze dimensionali e finiture superficiali rigorose, consente una corretta valutazione delle caratteristiche metrologiche del sensore in termini di incertezza, linearità e cross-talk