IT201900001001A1 - Metodo e macchina per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni multistrato di uno pneumatico - Google Patents
Metodo e macchina per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni multistrato di uno pneumatico Download PDFInfo
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Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“METODO E MACCHINA PER SOTTOPORRE AD ANALISI MECCANICA DINAMICA DEI CAMPIONI MULTISTRATO DI UNO PNEUMATICO”
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un metodo e ad una macchina per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni multistrato di uno pneumatico.
ARTE ANTERIORE
Le normative di omologazione dei pneumatici prevedono una riduzione del limite massimo delle emissioni acustiche prodotte dai pneumatici durante il rotolamento.
La vibrazione del battistrada dello pneumatico viene trasmessa ed amplificata attraverso il cerchio e il semiasse fino alla carrozzeria dell’autoveicolo e il rumore di fondo che si genera risulta particolarmente fastidioso all’interno dell’abitacolo per gli occupanti dell’abitacolo. Di conseguenza, è sempre più sentita l’esigenza di ridurre le emissioni acustiche prodotte dall’impatto degli pneumatici sulla superficie stradale che consentano una riduzione significativa del rumore generato dal rotolamento dello pneumatico che si trasmette all’interno dell’abitacolo.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire una macchina per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni multistrato di uno pneumatico che sia esente dagli inconvenienti dello stato della tecnica e sia, in particolare, di facile ed economica realizzazione.
Ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire un metodo per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni multistrato di uno pneumatico che sia esente dagli inconvenienti dello stato della tecnica e sia, in particolare, di facile ed economica implementazione.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un metodo ed una macchina per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni multistrato di uno pneumatico secondo quanto stabilito nelle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
- la figura 1 è una vista schematica laterale di una macchina per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni multistrato di uno pneumatico realizzata in accordo con la presente invenzione;
- la figura 2 è una vista esplosa di un campione multistrato utilizzato nella macchina della figura 1; e
- la figura 3 è una vista prospettica di un campione multistrato provvisto di marcatori a contrasto utilizzato nella macchina della figura 1.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un campione multistrato di materiale vulcanizzato da utilizzare nella costruzione di uno pneumatico che deve venire sottoposto ad una analisi meccanica dinamica.
Come noto, nel suo complesso uno pneumatico comprende solitamente una carcassa toroidale, la quale è costituita da una unica tela di carcassa (body ply) parzialmente ripiegata su sé stessa e quindi presentante lateralmente due strati tra loro sovrapposti. Ai lati opposti della carcassa sono disposti due talloni anulari, ciascuno dei quali è circondato dalla tela di carcassa. La carcassa supporta un battistrada anulare che è composto di un materiale a base di gomma vulcanizzata e costituisce la corona dello pneumatico; tra la carcassa ed il battistrada è interposta una cintura di battistrada, la quale comprende due tele di battistrada (tread ply). Ciascuna tela di battistrada comprende un numero di corde, le quali sono annegate in un nastro di gomma, sono disposte affiancate una all’altra con un passo determinato e formano un angolo di inclinazione determinato con un piano equatoriale dello pneumatico. Sopra alla cintura di battistrada (e quindi tra la cintura di battistrada ed il battistrada) è presente uno strato di rinforzo, il quale è comunemente denominato “cap ply” ed è costituito da una fettuccia continua di gomma cruda rinforzata internamente con fili di nylon o similare che viene avvolta longitudinalmente sopra alla cintura di battistrada ed ha la funzione di proteggere e contenere le tele di battistrada.
Il metodo per la costruzione di uno pneumatico prevede, come noto, in primo luogo di avvolgere la tela di carcassa attorno ad un tamburo di formatura per conferire alla tela di carcassa una forma anulare sovrapponendo le due estremità opposte della tela di carcassa.
Successivamente, viene completata la formazione dello pneumatico crudo accoppiando alla tela di carcassa anche gli altri componenti quali il battistrada. Una volta completato l’assemblaggio dello pneumatico crudo, quest’ultimo viene sottoposto ad un processo di vulcanizzazione in appositi stampi per ottenere un pneumatico semi-finito.
Il campione 1 multistrato riproduce l’anima dei materiali (in gomma e tessili) dello pneumatico ed è formato attraverso la sovrapposizione di diversi strati che riproducono la corona dello pneumatico. In particolare, ciascun campione è ottenuto attraverso la sovrapposizione di uno strato BP presentante le caratteristiche della tela di carcassa e definente lo strato inferiore; due strati TP1, TP2 intermedi che riproducono le due tele di battistrada ed uno strato CP superiore che riproduce lo strato di rinforzo. Analogamente a quanto avviene per lo pneumatico, il metodo per la costruzione del campione 1 prevede in primo luogo di sovrapporre i diversi strati BP, TP1, TP2, CP per ottenere un campione crudo; quest’ultimo viene poi sottoposto ad un processo di vulcanizzazione per ottenere un campione 1 vulcanizzato semi-finito.
I campioni 1 presentano una forma predefinita (ad esempio di geometria parallelepipeda di spessore ridotto), la cui larghezza è compresa fra 2 cm e 15 cm e la lunghezza è compresa fra 10 cm e 80 cm. Secondo una preferita forma realizzativa, i campioni 1 presentano una larghezza di 5 cm e una lunghezza di 47 cm.
I campioni 1 così ottenuti vengono poi sottoposti ad una analisi meccanica dinamica in modo tale da rilevare sperimentalmente le caratteristiche meccaniche.
Prima di sottoporre i campioni 1 alla analisi meccanica dinamica, i campioni 1 vengono sottoposti ad una ulteriore lavorazione. In particolare, su una superficie 2 superiore del campione 1 vengono realizzati dei marcatori 3 a contrasto. In particolare, i marcatori 3 a contrasto vengono realizzati mediante l’applicazione di una vernice, la cui spruzzatura genera un motivo (pattern) a chiazze (con dimensioni sostanzialmente uniforme dell'ordine di mm).
La fase in cui vengono realizzati i marcatori 3 a contrasto è tipicamente realizzata manualmente da un operatore di laboratorio.
I campioni 1 vengono quindi sottoposti alla cosiddetta analisi meccanica dinamica (DMA – “Dynamic Mechanical Analysys) che è una tecnica di analisi utilizzata per lo studio delle proprietà dei campioni 1 che viene realizzata applicando ad un campione 1 in esame una deformazione oscillante ad una data condizione (frequenza) e ad un dato modo (trazione, compressione, taglio, flessione…).
L’analisi meccanica dinamica viene realizzata in una macchina 4 di misura che comprende una stazione 5 di prova la quale è atta ad applicare al campione 1 una sollecitazione meccanica predeterminata. In particolare, il campione 1 è assemblato a due appositi porta-campioni 6 da accoppiare alla stazione 5 di prova. Alle estremità di ciascun campione 1 vengono fissati i due porta-campioni 6, i quali sono provvisti di rispettive morse per stringere e quindi bloccare il campione 1 con una forza di serraggio predeterminata e sono provvisti di organi di collegamento per venire fissati al telaio della macchina 4 di misura.
Una volta assemblato il campione 1 alla macchina 4 di misura, la macchina 4 è predisposta per applicare una sollecitazione meccanica semplice, in particolare per mettere in trazione il campione 1 applicando uno sforzo di trazione predeterminato (ad esempio di 100 N) attraverso degli organi attuatori (di tipo noto e non illustrato). I due porta-campioni 6 vengono allontanati uno dall’altro in modo da applicare due forze uguali e contrarie che tendono ad allungare il campione 1.
Secondo una prima forma realizzativa, la stazione 5 di prova comprende inoltre almeno un dispositivo 7 ottico, in particolare una videocamera, disposta in una posizione affacciata a ed in prossimità del campione 1 in modo da inquadrare in uso una porzione 8 di analisi del campione 1.
Il dispositivo 7 ottico è collegato rigidamente ad un braccio di supporto della macchina 4 di misura in modo da ridurre le possibili sorgenti di vibrazioni.
Secondo una seconda e preferita forma realizzativa, la stazione 5 di prova comprende due dispositivi 7, 7* ottici, in particolare una coppia di videocamere, disposti in una posizione affacciata a ed in prossimità del campione 1 in modo da inquadrare in uso la stessa porzione 8 di analisi.
I dispositivi 7, 7* ottici sono collegati rigidamente ad un elemento di supporto comune della macchina 4 di misura in modo che i due dispositivi 7, 7* ottici siano disposti affiancati (sostanzialmente alla stessa altezza da terra) oppure allineati (ma ad altezze diverse da terra) e che le possibili sorgenti di vibrazioni siano ridotte al minimo.
Si è verificato sperimentalmente che dispositivi 7 ottici comprendenti sensori noti di tipo CCD (chargecoupled device) oppure CMOS (metal-oxide-semiconductor) sono contraddistinti da un ridotto rumore di fondo e sono in grado di offrire prestazioni soddisfacenti.
La stazione 5 di prova comprende inoltre almeno un dispositivo 9 di illuminazione, in particolare una sorgente di luce LED, disposta in una posizione affacciata a ed in prossimità del campione 1; il dispositivo 9 di illuminazione è orientato in modo che il fascio di luce investa in modo uniforme l’intera porzione 8 di analisi.
Secondo una preferita variante, la stazione 5 di prova comprende due dispositivi 9, 9* di illuminazione disposti in una posizione affacciata a ed in prossimità del campione 1; i dispositivi 9, 9* di illuminazione sono orientati in modo che entrambi i fasci di luce investano in modo uniforme l’intera porzione 8 di analisi. Anche in questo caso i dispositivi 9, 9* di illuminazione sono collegati rigidamente ad un elemento di supporto comune in modo che i due dispositivi 9, 9* di illuminazione siano disposti affiancati (sostanzialmente alla stessa altezza da terra); preferibilmente, i dispositivi 9, 9* di illuminazione sono disposti esternamente rispetto al/ai dispositivo/i 7, 7* ottico/i (in altre parole il/i dispositivo/i 7, 7* ottico/i è/sono interposto/i fra i due dispositivi 9, 9* di illuminazione). Si è verificato sperimentalmente che dispositivi 9 di illuminazione comprendenti sorgenti di luce LED sono contraddistinti da una ridotta generazione di calore (sul campione 1) e sono in grado di offrire prestazioni soddisfacenti.
La stazione 5 di prova comprende inoltre un dispositivo 10 per la generazione di vibrazioni (shaker), preferibilmente elettrodinamico, il quale è destinato ad eccitare con una determinata frequenza il campione 1. Il dispositivo 10 è destinato a riprodurre profili di vibrazione simili a quelli a cui è sottoposto lo pneumatico nel rotolamento sul manto stradale. Il dispositivo 10 per la generazione di vibrazioni è disposto preferibilmente in corrispondenza di una estremità del campione 1; alternativamente, il dispositivo 10 per la generazione di vibrazioni può essere disposto ad una altezza intermedia del campione 1.
La stazione 5 di prova comprende una unità 11 di rilevamento dati collegata al dispositivo 10 per la generazione di vibrazioni e ai dispositivi 7 ottici e comunicante con una unità 12 esterna di supervisione, generalmente un computer. I dispositivi 7 ottici rilevano in continuo delle immagini della porzione 8 di analisi e le trasmettono alla unità 11 di rilevamento dati.
L’unità 12 esterna di supervisione è destinata ad utilizzare le immagini della porzione 8 di analisi per realizzare una analisi di correlazione delle immagini (tecnica nota come DIC – Digital Image Correlation).
L’analisi di correlazione delle immagini prevede sostanzialmente le fasi che seguono:
a) ottenere una immagine di riferimento della superficie 2 superiore (in particolare della superficie 2 superiore della porzione 8 di analisi) quando il campione 1 non è sottoposto ad alcuna oscillazione generata dal dispositivo 10 per la generazione di vibrazioni;
b) avviare il dispositivo 10 per la generazione di vibrazioni con una frequenza ω determinata e variabile;
c) acquisire in continuo immagini della porzione 8 di analisi durante il/la movimento/deformazione generata dal dispositivo 10; e
d) analizzare le dette immagini per calcolare gli spostamenti dei marcatori 3 a contrasto della porzione 8 di analisi rispetto alla immagine di riferimento.
Nel caso in cui sia previsto un solo dispositivo 7 ottico, nella fase d) è possibile riconoscere solo due dimensioni degli spostamenti dei marcatori 3 a contrasto (in questo caso l’analisi è comunemente nota come DIC bidimensionale oppure 2D-DIC). Quando invece vengono utilizzate le immagini provenienti da una coppia di dispositivi 7, 7* ottici, nella fase d) è possibile riconoscere tre dimensioni degli spostamenti dei marcatori 3 a contrasto (in questo caso l’analisi è comunemente nota come DIC tridimensionale oppure 3D-DIC).
Attraverso l’analisi della risposta del campione 1 multistrato alla eccitazione con frequenza ω determinata e variabile generata dal dispositivo 10, l’unità 12 esterna di supervisione ottiene una funzione di risposta in frequenza (FRF). Attraverso tecniche note di identificazione nel dominio delle frequenze, l’unità 12 esterna di supervisione è configurata per ricavare dalla funzione di risposta in frequenza (FRF) i parametri caratterizzanti il comportamento dinamico del campione 1 multistrato; in particolare, l’unità 12 esterna di supervisione è configurata per identificare dalla funzione di risposta in frequenza (FRF) le frequenze di risonanza, le forme modali e gli smorzamenti del campione 1 multistrato.
Secondo una preferita variante, a causa dei rumori ambientali presenti durante l’esecuzione della analisi meccanica dinamica, potrebbero esserci vibrazioni esterne alla macchina 4 di misura, che si sovrappongono a quelle intenzionalmente introdotte con il dispositivo 10 e che potrebbero dar luogo ad errori nella determinazione della funzione di risposta in frequenza (FRF). Per ridurre l’incidenza di tali rumori, la funzione di risposta in frequenza (FRF) è preferibilmente definitiva attraverso il valore medio di una pluralità di funzioni di risposta in frequenza (FRF).
L’unità 12 esterna di supervisione è infine predisposta per correlare la funzione di risposta in frequenza (FRF) del campione 1 multistrato alla generazione del rumore che si avverte all’interno dell’abitacolo.
La macchina 4 di misura ed il metodo fin qui descritti presentano alcuni vantaggi. In particolare, consentono di realizzare in modo efficace ed affidabile una analisi meccanica dinamica di campioni 1 multistrato di una corona di uno pneumatico che consente di valutare sperimentalmente il contributo fornito alla generazione del rumore che si avverte all’interno dell’abitacolo.
Claims (1)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1.- Una macchina (4) per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni (1) multistrato di uno pneumatico che comprende una stazione (5) di prova la quale è atta ad applicare al campione (1) una sollecitazione meccanica di trazione e comprende una coppia di portacampioni (2) collegati a rispettive estremità del campione (1) multistrato; la macchina (4) comprende inoltre almeno un dispositivo (7) ottico disposto in una posizione affacciata a ed in prossimità del campione (1) multistrato in modo da inquadrare una porzione (8) di analisi del campione (1) multistrato; un dispositivo (10) per la generazione di vibrazioni destinato ad eccitare con una determinata frequenza il campione (1) multistrato; una unità (11) di rilevamento dati collegata al dispositivo (10) per la generazione di vibrazioni e al dispositivo (7) ottico per rilevare in continuo delle immagini della detta porzione (8) di analisi; ed una unità (12) esterna di supervisione comunicante con l’unità (11) di rilevamento dati e destinata ad utilizzare le immagini della porzione (8) di analisi per realizzare una analisi meccanica dinamica dei campioni (1) multistrato. 2.- Macchina secondo la rivendicazione 1 e comprendente due dispositivi (7, 7*) ottici disposti in una posizione affacciata a ed in prossimità del campione (1) multistrato in modo da inquadrare la stessa porzione (8) di analisi. 3.- Macchina secondo la rivendicazione 1 oppure 2 e comprendente almeno un dispositivo (9) di illuminazione, in particolare una sorgente di luce LED, disposta in una posizione affacciata a ed in prossimità del campione (1) multistrato e orientato in modo che il fascio di luce investa in modo uniforme l’intera porzione (8) di analisi. 4.- Macchina secondo la rivendicazione 3 e comprendente una coppia di dispositivi (9) di illuminazione disposti in una posizione affacciata a ed in prossimità del campione (1) multistrato e orientato in modo che entrambi i fasci di luce investano in modo uniforme l’intera porzione (8) di analisi. 5.- Un metodo per sottoporre ad analisi meccanica dinamica dei campioni (1) multistrato di uno pneumatico comprendente le seguenti fasi: realizzare su una superficie (2) del campione (1) multistrato dei marcatori (3) a contrasto; acquisire una immagine di riferimento di una porzione (8) di analisi della detta superficie (2); applicare al campione (1) multistrato una sollecitazione meccanica di trazione; eccitare il campione (1) multistrato con una determinata frequenza; acquisire in continuo delle immagini della porzione (8) di analisi durante il/la movimento/deformazione; e analizzare le dette immagini per calcolare gli spostamenti dei marcatori (3) a contrasto della porzione (8) di analisi rispetto alla immagine di riferimento e per realizzare l’analisi meccanica dinamica dei campioni (1) multistrato. 6.- Metodo secondo la rivendicazione 5 e comprendente le ulteriori fasi di predisporre un campione (1) multistrato che riproduca l’anima dei materiali della corona di uno pneumatico. 7.- Metodo secondo la rivendicazione 6 e comprendente le ulteriori fasi di sovrapporre una pluralità di strati (BP, TP1, TP2, CP) per ottenere un campione multistrato crudo; e vulcanizzare il campione multistrato crudo per ottenere un campione (1) vulcanizzato semi-finito. 8.- Metodo secondo la rivendicazione 7 e comprendente l’ulteriore fase di sovrapporre un primo strato (BP) presentante le caratteristiche di una tela di carcassa di uno pneumatico e definente lo strato inferiore; un secondo ed un terzo strato (TP1, TP2) presentanti le caratteristiche di due tele di battistrada di uno pneumatico ed un quarto strato (CP) che riproduce uno strato di rinforzo di uno pneumatico. 9.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 8, in cui la fase di realizzare sulla superficie (2) i marcatori (3) a contrasto prevede di applicare una vernice, la cui spruzzatura genera un motivo (pattern) a chiazze, con dimensioni sostanzialmente uniforme dell'ordine di mm. 10.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 9 e comprendente l’ulteriore fase di acquisire in continuo delle immagini della porzione (8) di analisi da una coppia di dispositivi (7, 7*) ottici in modo da riconoscere tre dimensioni degli spostamenti dei marcatori (3) a contrasto (3D-DIC).
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