Corso di Sistemi di Trazione
Lezione 14: Gli pneumatici e l’aquaplaning
A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015
Argomenti
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Struttura degli pneumatici
Tipologie costruttive
Impronte a terra
Effetti delle scolpiture
Materiali usati per la mescola
Caratteristiche e resistenze al moto
Concetto di velocità critica
Acquaplaning
Obiettivi della lezione
• Conoscere le tipologie costruttive degli pneumatici
• La struttura del singolo pneumatico e il compito che ogni
parte deve assolvere
• Le prestazioni ed i limiti degli pneumatici
• Comprendere le dinamiche e come queste cambiano le
prestazioni
• L’effetto dell’acqua e il fenomeno dell’acquaplaning
Struttura pneumatico
TR
FH
SH
SW
LS
RW
SLR
OD
MDS
AR
Raggio battistrada
Altezza flangia
Altezza libera
Ampiezza libera
Ampiezza sezione carica
Ampiezza cerchione
Raggio sotto carico
Diametro totale
Distanza minima duale
Fattore di forma
Pneumatico convenzionale
Battistrada
Fianco
Copertura per evitare che le
scritte
mano siano visibili
Tele aincrociate
sulla slide della
sovrapposte
presentazione
Carcassa
Tallone
Angolo tele:
25-40°
rispetto alla
circonferenza
(piano
equatoriale)
Pneumatico radiale
• Angolo tele: 30° rispetto al
piano equatoriale
• Numerose tele incrociate
sulla sommità del pneumatico
(10°- 30°)
Impronte a terra
Convenzionale
Radiale
Esempi di radiale
Belt
Tread
Reinforcement a 0°
Scolpiture dei pneumatici (1/4)
Scolpiture equatoriali
Lamelle
Elementi del
battistrada
irregolari per
ridurre il
rumore
Incavi equatoriali
Scolpiture dei pneumatici (2/4)
Scolpiture e incavi
equatoriali ben definiti
In determinate condizioni
di carico, può avere
problemi
nell’eliminazione
dell’acqua
Scolpiture dei pneumatici (3/4)
Elementi irregolari
Mantiene sempre
aperta parte degli incavi
Scolpiture dei pneumatici (4/4)
Incavi trasversali
Importante effetto
sull’eliminazione
dell’acqua e
sull’aderenza (sia sul
bagnato che
sull’asciutto)
For example – passenger vs. truck tire
wet drainage
in tread design
displaces water
by squeezing
Area = 224 cm2
Load=465 kg
Contact P = 2.1 kg/cm2.
Area = 313 cm2
Load = 2.900kg
Contact P = 9.3 kg/cm2
Materials used in tires
(BY WEIGHT)
RUBBER COMPOUNDS
82%
REINFORCING
MATERIALS (CORDS)
18%
WHAT IS A COMPOUND
POLYMER
PLASTICIZERS
ELASTOMER
OIL,RESINS
FILLER
Continuous-Bed-Silica
RUBBER
COMPOUND
FINE CHEMICALS
CURING AGENT, ANTIOXIDANT
WAX PROTECTION SYSTEM
Principali prestazioni
• Livello di rumore e vibrazioni; • Trasmissione coppia in
accelerazione e in frenatura;
• Aquaplaning;
• Velocità;
• Resistenza al rotolamento;
• Capacità di espellere corpi
estranei;
• Capacità di carico;
• Assorbimento delle asperità;
• Trasmissione sollecitazioni
direzionali;
• Tenuta di strada e stabilità;
• Resistenza all’usura.
Radial truck tire structure: TREAD
Influence:
•Treadwear
•Traction
•Rolling resistance
•Cutting/cracking
•Heat generation
•Force and moment
Radial truck tire structure:
BELT SYSTEM
Protector belt
Working belts
Split transition
belt
Influence:
•Treadwear
•Separation resistance
•Tread cutting
•Bruise resistance
•Force and moment
Radial truck tire structure:
SIDEWALL
Influence:
•Durability
•Rolling resistance
Radial truck tire structure:
PLY
Influence:
•Fatigue and separation
resistence
•Treadwear
•Load capacity
Radial truck tire structure:
LINER
Influence:
•Inflation pressure
•Fatigue and separation
resistence
•Heat generation
Radial truck tire
structure: BEAD
Influence:
Separation resistance
Radial truck tire structure:
BEAD AREA STABILIZERS
Influence:
• Separation resistance
• Lateral handling
Rolling resistance vs. speed
At 100 km/h, the contribution of tires is only 25%
65%
25%
10%
Rolling resistance vs. IP
Inflation Pressure
(kPa)
RR - 185/70R14 88H, 350 kg load @ 80 km/h
270
250
230
210
190
170
150
3.6
3.8
4
4.2
Resistance (kg)
4.4
4.6
psi pound force per square inch (also lb/in^2, pfsi or lbf/in^2)
Rolling resistance vs. aspect
ratio
Main contributors to rolling resistance
1. Rubber
Hysteresis
2. Sidewall
deflection
3. Tread/Road
Friction
Velocità critica del pneumatico
(1/6)
Velocità critica del pneumatico
(2/6)
• Il pneumatico vibra sia nel suo piano che in direzione
trasversale;
• Nella parte posteriore della zona di contatto il pneumatico
tende a staccarsi dal suolo o a diminuire la pressione;
Velocità critica del pneumatico
(3/6)
• Le pressioni normali σz si concentrano nella parte
anteriore della zona di contatto e la loro risultante si
sposta in avanti, causando un aumento del momento
z·Δx;
• La potenza necessaria all’avanzamento viene dissipata
all’interno, causando elevati aumenti di temperatura.
Velocità critica del pneumatico (4/6)
Velocità critica del pneumatico (5/6)
Velocità critica del pneumatico (6/6)
Fenomeno dell’aquaplaning
Zona 1: Senza rottura velo liquido e presenza di forze inerziali
Zona 2: Parziale rottura del velo con asperità superficiali della
pavimentazione e presenza di forze viscose
Zona 3: Contatto asciutto
Riduzione zone 1 e 2
Zona 1: pavimentazione con ruvidezze
macro
Zona 2: pavimentazione con ruvidezze micro
Aderenza nell’aquaplaning
Funzione di:
• Spessore del fluido;
• Velocità del veicolo;
• Scolpiture del pneumatico;
• Ruvidezza (micro e macro) della
pavimentazione;
• Impronta pneumatico;
• Pressione.
Spindown
Le forze di resistenza al rotolamento
esercitate dal velo d’acqua rallentano la
rotazione della ruota (spindown).
Lo spindown esprime la variazione % di
velocità della ruota con l’acqua.
Valori del 10% e del 100% identificano le
soglie di innesco parziale e totale.
Spin Down of Unbraked Wheel
When aquaplaning occurs, perhaps the most unexpected
feature is the condition in which free-rolling (unbraked)
wheels slow down or stop completely.
This wheel spindown arises from hydrodynamic lift effects
which combine to provide a total wheel spin-down moment
in excess of the wheel spin-up moment caused by all tyre
drag sources.
Force on a tyre part 1
A indicates the size of the
tyre "footprint"
Dt is the drag force caused
by all the tyre drag sources,
which combine to form the
wheel spin-up moment
Fm is the vertical load on the
tyre due to vehicle mass
Vr is the wheel rotational
speed
Force on a tyre part 2
A fluid wedge has started to penetrate the tyre footprint
and the wheel is partially supported by the
hydrodynamic force produced by this wedge.
B is the tyre/water contact area, and the tyre footprint
(A) is decreasing in size.
Because of this, the tyre drag (Dt) is decreasing and
the force Fm is moving forward of the axle line, causing
a wheel spindown moment.
Force on a tyre part 2
Full aquaplaning speed has
been reached and the tyre
has been completely lifted off.
The wheel spin-up moment
(Dt) is approaching zero and
the vertical force Fm has
moved even further forward
of the axle line.
The wheel spindown moment
is thus at a maximum and the
wheel's rotational speed will
be decreasing fairly rapidly
towards zero.
Frenata con l’aquaplaning
In caso di brusca frenata:
• Ruote bloccate;
• Pneumatico scivola sulla superficie bagnata;
• Perdita di controllo della direzione;
• Riduzione drastica coeff. di aderenza;
• Continuazione aquaplaning anche per velocità minori della
velocità di innesco vc.
Trattazione analitica
Uguaglianza tra carico sulla ruota P e forze normali Fn
sviluppate dal fluido:
P  c  A  ρ  v c2
ρ = densità del fluido;
A = area di contatto pneumatico-pavimentazione;
c = coeff. caratteristico del pneumatico.
Velocità critica in aquaplaning
vc 
P
A c ρ
P/A  f ( p )
p = pressione gonfiaggio pneumatico
La velocità vc cresce con la pressione p
Per un’autovettura vc ~ 80 km/h
Considerazioni
Aquaplaning “dinamico” accompagnato dall’effetto delle
forze viscose sul fluido;
Per spessori non sufficienti le forze viscose possono essere
le uniche responsabili del fenomeno;
La ruvidezza micro della pavimentazione riveste un ruolo
importante.
Relazioni sperimentali
Velocità di innesco Vp
legge di Gallaway
SD% di spindown
Longitudinal hydroplaning test
Water trough
150 m
Rail
The test car has a piece of equipment that engages a
straight rail which will prevent the vehicle from losing
control.
The test area is a "pool" of water 7mm deep constant
(adjustable up to 12mm).
Test characteristics
The test tire is the front right,
while the front left remains dry
(on concrete).
The car enters the water trough
and then accelerates; when
hydroplaning starts, the wet tire
slips and the dry tire slows
down.
More characteristics
In-board equipment monitors the speed of
front left and right wheels and records vehicle
speed when the speed of the wet tire is 120%
of the speed of the dry tire à critical speed.
The test is then repeated for different initial
speeds to compensate for every possible
disturbance.
Foto di prove sperimentali su
3
1
2
pista
Direzione
del moto 4
5
6
Considerazioni sulle prove
I pneumatici che mantengono l’aderenza
hanno il battistrada più nitidamente visibile.
Sono il n. 1, 4 e 6 con lieve strato d’acqua
davanti.
Il n. 2 ha uno spesso strato d’acqua di fronte.
Il n. 3 ha metà dell’impronta che galleggia.
Drum Testing Machine
Pressioni impronta profili A e B
Sezioni trasversali pneumatico
Profilo (Reifen) C medio
Profili dei pneumatici
ricavati dal profilo C
Direzione moto
Scolpito
Non scolpito
Andamento
pressioni nei diversi
punti dell’impronta
Tipo di impronta a
seconda del
profilo adottato
Pressioni impronta profili C, D e E
Direzione moto
Pneumatico non scolpito
Profili e pressioni
Ordinate: max
coefficiente di
aderenza
Ascisse: velocità km/h
Curve in funzione
dello spessore
d’acqua da 0,2 mm a
3,0 mm
Pneumatico non scolpito
Pneumatico scolpito
Profili e pressioni
Si instaura
l’aquaplaning
Ordinate: max
coefficiente di
aderenza
Ascisse: velocità km/h
Si instaura
l’aquaplaning
Curve in funzione
dello spessore
d’acqua da 0,2 mm a
3,0 mm
Pneumatico scolpito
Si instaura
l’aquaplaning
Si instaura
l’aquaplaning
Forza longitudinale N max
N
m
Forza trasversale N max
N
m
Angolo di deriva pari a 3°
Pneumatico Conti Contact
La sezione accentua il
profilo E dove le pressioni
erano concentrate sulla
parte esterna dell’impronta
Profilo E
Profilo CC