Studio e caratterizzazione sperimentale di veicoli ELV a pedalata assistita

This thesis addresses the study, design, and experimental validation of a new type of pedal-assisted light electric vehicle (ELV – Electric L-category Vehicle), in compliance with European standards EN15194 and DIN79010. In an urban context marked by stringent environmental policies and a growing need for sustainable mobility solutions, these vehicles represent an effective response to the challenges of the energy transition, combining efficiency, safety, and usability even in adverse weather conditions. The research project is aligned with the United Nations Sustainable Development Goals, specifically SDG 7 ("Affordable and Clean Energy") and SDG 11 ("Sustainable Cities and Communities"), contributing to the technical and scientific progress of low-emission urban transport systems. Experimental and analytical work focused on the development of the SNAP vehicle, a pedal-assisted light electric quadricycle, designed in two distinct but comparable configurations: one with a traditional mechanical transmission (drive-by-chain) and one with an innovative electric transmission (drive-by-wire). The primary objective of the analysis was to compare the two drivetrain architectures to identify the most efficient solution suitable for large-scale deployment. After a detailed review of the state of the art in urban mobility, electric vehicles, and cargo bikes, the research addressed the integrated design of the frame, suspension, braking system, steering, and electronics, followed by a phase of physical prototyping and numerical modeling (MATLAB and ADAMS). The experimental tests, conducted according to the protocols required by the DIN79010 standard—including the moose test, constant radius cornering, and straight-line stability tests—allowed the theoretical models to be validated and the dynamic performance of the two systems to be objectively compared. Both configurations exceeded regulatory requirements, demonstrating equivalent stability and safety. However, the drive-by-wire system stood out for its simpler construction, reduced number of mechanical components, lower overall mass, and lower maintenance requirements, as well as for the design flexibility resulting from the elimination of mechanical coupling constraints. Simulations and vehicle tests also confirmed that the asymmetry introduced by an in-wheel drive system does not lead to significant dynamic effects, as the resulting slip angle is negligible and undetectable experimentally. In conclusion, the thesis demonstrates that the adoption of drive-by-wire solutions represents a decisive step towards a new generation of more efficient, modular, and sustainable light electric vehicles. This work provides a solid methodological and experimental basis for the evolution of design paradigms in the urban mobility sector, contributing to the creation of more livable, safe, and low-emission cities.

La tesi affronta lo studio, la progettazione e la validazione sperimentale di una nuova tipologia di veicoli elettrici leggeri a pedalata assistita (ELV – Electric L-category Vehicles), in conformità con le normative europee EN15194 e DIN79010. In un contesto urbano segnato da stringenti politiche ambientali e da un crescente bisogno di soluzioni di mobilità sostenibile, tali veicoli si configurano come una risposta efficace alle sfide della transizione energetica, combinando efficienza, sicurezza e fruibilità anche in condizioni meteorologiche avverse. Il lavoro di ricerca si colloca all’interno degli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite, in particolare dell’SDG 7 (“Energia pulita e accessibile”) e dell’SDG 11 (“Città e comunità sostenibili”), contribuendo al progresso tecnico e scientifico dei sistemi di trasporto urbano a basse emissioni. L’attività sperimentale e analitica si è focalizzata sullo sviluppo del veicolo SNAP, un quadriciclo elettrico leggero a pedalata assistita, progettato in due configurazioni distinte ma comparabili: una con trasmissione meccanica tradizionale (drive by chain) e una con trasmissione elettrica innovativa (drive by wire). L’analisi ha avuto come obiettivo principale il confronto tra le due architetture di drivetrain, al fine di individuare la soluzione più efficiente e idonea alla diffusione su larga scala. Dopo una dettagliata ricognizione dello stato dell’arte in tema di mobilità urbana, veicoli elettrici e cargo bike, la ricerca ha affrontato la progettazione integrata del telaio, delle sospensioni, dell’impianto frenante, dello sterzo e del sistema elettronico, seguita da una fase di prototipazione fisica e modellazione numerica (MATLAB e ADAMS). I test sperimentali, condotti secondo i protocolli previsti dalla norma DIN79010 — tra cui la prova dell’alce, il constant radius cornering e i test di stabilità in rettilineo — hanno consentito di validare i modelli teorici e di confrontare in modo oggettivo le prestazioni dinamiche dei due sistemi. Entrambe le configurazioni hanno superato i requisiti normativi, dimostrando stabilità e sicurezza equivalenti. Tuttavia, il sistema drive by wire si è distinto per la maggiore semplicità costruttiva, la riduzione del numero di componenti meccaniche, la diminuzione della massa complessiva e la minore necessità di manutenzione, oltre che per la flessibilità progettuale derivante dall’eliminazione dei vincoli di accoppiamento meccanico. Le simulazioni e le prove su veicolo hanno inoltre confermato che l’asimmetria introdotta da una trazione in-wheel non comporta effetti dinamici significativi, in quanto l’angolo di deriva risultante è trascurabile e non rilevabile sperimentalmente. In conclusione, la tesi dimostra che l’adozione di soluzioni drive by wire rappresenta un passo decisivo verso una nuova generazione di veicoli elettrici leggeri più efficienti, modulari e sostenibili. Il lavoro fornisce una solida base metodologica e sperimentale per l’evoluzione dei paradigmi progettuali nel settore della mobilità urbana, contribuendo alla realizzazione di città più vivibili, sicure e a basse emissioni.