Studio teorico sperimentale di una ruota motociclistica intelligente per competizioni

This thesis is focused on the design of a smart wheel for motorcycles. The purpose of this wheel is to measure, in real time, forces and torques at the tire-ground interface in order to improve the performances of the vehicle. A front wheel that have to be used on a racing bike during the days of testing in MotoGP has been considered. The magnesium structure of the wheel has three instrumented spokes, connected to the rim by special joints developed by Politecnico di Milano. The three spokes structure introduces some troubles relating the radial stiffness, that can be partially solved using four magnesium disks in order to uniform the stiffness along the circumferential coordinate. The main part of the thesis is focused on the design of the disks and how to connect them to the rim. The first section of the thesis is on the selection of the disks for the radial stiffening. The chosen disks are those that allow a compromise between radial stiffness, mass and realization costs. The second part of the work has analysed the stress state, both static and fatigue, on the spokes and the joints in order to ensure that the wheel does not break during use. The stress analysis has been completed by a finite elements model. In the third section of the thesis, the opportunity of substituting the bonding of the disks with other techniques, for example welding and fastening by means of screws, has been analysed. The welding has been evaluated by applying a fracture mechanics approach, while a screwed connection has been evaluated with classical formulas provided by international standards. Finally, the experimental calibration of the wheel has been completed, which allowed to find the relationship between the voltage output of the strain gage bridges and the loads applied to the wheel. Thanks to this calibration it’s possible to evaluate the metrological performances of the sensor.

Il presente lavoro di tesi riguarda la progettazione e la risoluzione di alcune problematiche relative ad una ruota dinamometrica per uso motociclistico. Lo scopo di questa ruota è quello di misurare, in tempo reale, le forze e le coppie scambiate nell’interfaccia pneumatico-terreno per poter migliorare le prestazioni del veicolo. Si tratta di una ruota anteriore che deve essere utilizzata su una moto da competizione durante le giornate di test nella categoria MotoGP. La struttura del cerchione in magnesio prevede tre razze strumentate, collegate al canale da particolari giunti per permettere l’adozione di un modello di sensore sviluppato dal Politecnico di Milano. A causa della struttura a tre razze si hanno dei problemi, detti “3 x giro”, che possono essere ridotti grazie all’adozione di quattro dischi di irrigidimento in magnesio. Parte del lavoro di tesi verte sulla scelta dei dischi e sulle modalità di fissaggio di questi nelle proprie sedi. Una prima parte ha, appunto, riguardato la scelta dei dischi di irrigidimento tra le varie soluzioni che sono state proposte. Si sono scelti dei dischi che portassero ad un compromesso tra rigidezza radiale ottenibile, massa introdotta e costi di realizzazione. Una seconda parte del lavoro ha analizzato lo stato di sforzo, sia statico sia a fatica, sulle razze e sulle lamine dei giunti per poter garantire che la ruota non si rompa durante l’utilizzo. L’analisi degli sforzi è stata fatta su un modello ad elementi finiti. Una terza parte ha riguardato la possibilità di sostituire l’incollaggio dei dischi di irrigidimento con altre tecniche, quali la saldatura o il fissaggio tramite viti. La saldatura è stata valutata tramite la meccanica della frattura, mentre le viti sono state valutate con le classiche formule fornite dalle normative. Infine, si è trattata la taratura sperimentale della ruota che ha permesso di trovare il legame tra l’uscita in tensione dei ponti estensimetrici e i carichi applicati alla ruota. Grazie a questa taratura è stato possibile valutare le prestazioni metrologiche del sensore.