IT201900014133A1 - Sensore di aquaplaning per qualsiasi tipo di pneumatico - Google Patents

Description

Titolo:

“SENSORE DI AQUAPLANING PER QUALSIASI TIPO DI PNEUMATICO” Campo della tecnica

La presente invenzione opera nel campo dei sistemi di sicurezza attiva e passiva di tutti i veicoli presenti su strada ed ha come oggetto un dispositivo atto valutare la condizione di aderenza dei pneumatici alla strada in presenza di acqua e rendere quindi possibile l’attuazione di contromisure per ridurre od eliminare il fenomeno dell’aquaplaning.

Arte nota

La sicurezza stradale dei veicoli e la loro guidabilità sono direttamente correlate all’aderenza degli pneumatici alla superficie stradale e quindi all’ampiezza della superficie di contatto tra il veicolo e la strada. Mentre è impossibile modificare dinamicamente lo stato del battistrada, la rugosità e il drenaggio dell’asfalto, si può, in certe condizioni, prevenire quei fenomeni in grado di diminuire od azzerare temporaneamente il coefficiente di attrito tra lo pneumatico e la strada.

I moderni sistemi di frenata, in particolare l’ABS (Anti-Blockier-System), sono progettati con lo scopo di impedire lo strisciamento della ruota sulla superficie stradale mediante la momentanea attenuazione della frenata. L’efficacia di questo sistema di sicurezza è tanto maggiore quanto minore è l’attrito radente tra lo pneumatico e l’asfalto, condizione esaltata dalla presenza di acqua sulla superficie stradale.

Sebbene quindi l’ABS sia efficace in caso di frenata per evitare che il moto di rotolamento si trasformi in strisciamento compromettendo la direzionalità del veicolo e allungando gli spazi di frenata, esso è totalmente inefficace quando, in perduranza di rotolamento, una pur minima quantità di liquido presente tra il battistrada e il suolo può, per le sue caratteristiche fisiche di non comprimibilità, viscosità e densità, incuneandosi sotto lo pneumatico, generare una pressione verso l’alto che, in determinate condizioni fisiche, è in grado di sostenere il peso del veicolo gravante sulla singola ruota, provocando il distacco dello pneumatico dall’asfalto e azzerando completamente o quasi l’attrito tra le due superfici, fenomeno denominato acquaplaning.

Quindi, in caso di acqua sull’asfalto, esiste una velocità critica dipendente da molteplici fattori, primi fra tutti lo spessore e il disegno del battistrada nonché la sua impronta dinamica sull’asfalto, in cui lo smaltimento laterale dell’acqua dovuto alle scanalature del battistrada non riesce ad evitare il fenomeno dell’aquaplaning. Tale avvenimento è accentuato nelle vetture con un notevole sviluppo della larghezza del battistrada in relazione alla velocità di rotazione della ruota (es. auto sportive) nonché dalla riduzione dello spessore della scolpitura dello stesso a causa dell’usura come evidenziato in Fig. 6. A titolo di esempio prendiamo uno pneumatico standard nuovo per auto largo 10 cm in grado di smaltire circa 8 litri/sec di acqua alla velocità di 100 km/h. Ciò significa che, percorrendo 27,8 m/s, lo pneumatico può garantire una buona tenuta stradale fintanto che lo strato liquido sul fondo stradale non superi 2,88 mm di spessore. Oltre tale limite, il liquido che si incunea sotto lo pneumatico senza essere smaltito, letteralmente, lo “sostenta” proprio come i pattini di un aliscafo fanno con l’imbarcazione. Indipendentemente dal sistema adottato per ripristinare il contatto tra pneumatico ed asfalto, c’è prioritariamente quindi la necessità di valutare in modo affidabile il momento esatto in cui avviene la perdita di aderenza della ruota a causa della pressione negativa del film liquido sul battistrada.

Descrizione dell’invenzione

Il sensore oggetto della presente invenzione risolve in maniera semplice ed efficace il problema della individuazione dello stato di aquaplaning di uno pneumatico.

Vantaggiosamente, detto sensore di aquaplaning è caratterizzato dal fatto di essere atto a tradurre la pressione generata dal film liquido sulla porzione di pneumatico a contatto con la superficie stradale nel momento di distacco dall’asfalto in un segnale utile all’adozione di contromisure.

Un altro vantaggio di detto sensore consiste nel fatto che esso è applicabile su qualsiasi tipo di pneumatico e può pertanto essere installato su tutte le ruote di un veicolo o solo su parte di esse e in questo caso sulle sole ruote anteriori.

Detto sensore presenta anche il vantaggio di avere dimensioni contenute, facilità di installazione peso leggero e facilità costruttiva e quindi economicità generale, tutti fattori rilevanti e commisurati ad un funzionamento episodico solo in caso di emergenza.

Vantaggiosamente, la sua collocazione è parte interna allo spessore dello pneumatico, in corrispondenza delle scolpiture del battistrada e parte all’interno della sua carcassa, collocazione che lo protegge da urti ed occupa uno spazio necessariamente non utilizzato, approssimativamente lungo l’asse mediano longitudinale dello pneumatico.

Vantaggiosamente, il sensore, al momento dell’attivazione, trasmette un segnale radio ad un ricevitore su scheda micro processata. Detta scheda a microprocessore può comandare l’entrata in funzione di contromisure per l’annullamento del fenomeno dell’aquaplaning attivando un eventuale sistema anti-aquaplaning che esegua autonomamente una sequenza di azioni (ad esempio il cut-off per ridurre la velocità del veicolo), oppure, in alternativa, semplicemente avvisando il conducente dello stato di pericolosità raggiunto.

Un ulteriore caratteristica di detta scheda a microprocessore è costituita dal fatto che essa può consentire la registrazione di uno storico delle rilevazioni del sensore a fini tecnici, statistici, educativi, od assicurativi.

I suoi elementi costitutivi ed in particolare gli interruttori di pressione vengono installati in corrispondenza di fori nello pneumatico e posizionandoli all’interno dei fori stessi in modo da rendere il montaggio non pregiudizievole per la tenuta d’aria ed in modo che detti elementi non sporgano oltre il profilo dell’incavo del battistrada oppure collegati a detti fori tramite tubicini pieni di un fluido incomprimibile cosa che li rende protetti e virtualmente al riparo da shock meccanici dovuti alle irregolarità dell’asfalto.

Il funzionamento del sensore si basa sul principio per cui, se almeno tre punti della superficie di contatto del battistrada con l’asfalto per i quali, in prima approssimazione, passa il piano di appoggio dello stesso, sono contemporaneamente sottoposti ad una pressione verso l’alto pari o maggiore a quella di sostentamento del peso gravante sullo pneumatico stesso, questo si distacca dall’asfalto ed è in condizione di aquaplaning.

La necessità di disporre di più punti di rilevazione della pressione disposti in modo da racchiudere un’area della zona di contatto tra lo pneumatico e l’asfalto (vedi Fig. 6) deriva dalla evoluzione della situazione all’approssimarsi dell’acquaplaning: la prima parte del battistrada che perde contatto è quella centrale poi questa condizione si propaga, al crescere della velocità, alla zona periferica. Solo quando l’intera larghezza del battistrada è sottoposta alla pressione negativa di distacco, lo pneumatico è in condizione di acquaplaning. Questo sottolinea che non basta prevedere uno o più sensori di pressione (come nel brevetto JP2008273515 A) ma la loro disposizione deve essere determinata attentamente e la loro attivazione deve essere contemporanea.

Riguardo al brevetto Michelin EP1977940 A1 risultano chiare alcune differenze fondamentali: nella descrizione del brevetto è esplicitamente indicato l’utilizzo di sensori di pressione che determinino un valori di pressioni da sottoporre a successiva elaborazione e non, come nel caso della presente invenzione, interruttori a pressione il cui stato ON/OFF sia determinato solo dal settaggio iniziale di tensione della molla come descritto in Fig. 7.

Altro importante elemento distintivo tra i due progetti consiste nel posizionamento dei sensori o interruttori di pressione: nel brevetto EP1977940 A1 essi sono conglomerati all’interno dello spessore del battistrada come si vede in Fig. 1 di detto brevetto e non hanno alcun contatto con il liquido che genera la pressione di aquaplaning, potendo essere quindi “ingannati” da irregolarità dell’asfalto anche in caso di assenza del liquido sull’asfalto. Lo stesso non è possibile nel caso del presente progetto in quanto la rilevazione della pressione di aquaplaning è demandata ad una pluralità di punti di presa e di interruttori di pressione, mai tutti ingannevolmente attivabili da irregolarità dell’asfalto.

Nel seguito verranno trattati alcuni aspetti della realizzazione preferita. Ovviamente si tratta di varianti del concetto innovativo che potrebbero essere modificate in vari modi o addirittura tralasciate. Ciononostante esse contribuiscono a chiarire meglio le possibili applicazioni dell’invenzione senza affatto limitarla.

Nella Fig. 1 è mostrato il sensore di aquaplaning oggetto della presente invenzione installato all’interno della carcassa di uno pneumatico di una comune automobile.

Il sensore è composto da più componenti connessi elettricamente tra di loro tali che, se sono tutti contemporaneamente sottoposti ad una pressione pari o superiore ad una soglia per cui sono stati tarati, il sensore di aquaplaning si attiva, secondo lo schema elettrico di Fig. 5.

A partire quindi da uno o più interruttori di pressione e/o punti di rilevazione della pressione (vedi Fig. 1, 8 e 9) se sono attivi contemporaneamente, un trasmettitore collegato o incluso in uno di loro invierà un impulso radio alla scheda a microprocessore in ascolto, secondo il diagramma funzionale di Fig. 4 (per un sensore a tre interruttori).

Una variante del sensore più affidabile e sicura ma più costosa consiste nell’includere la circuiteria elettrica e tutti gli interruttori a pressione in un piccolo contenitore ospitato all’interno della carcassa, connessi ai relativi punti di rilevazione mediante tubicini chiusi e pieni di liquido come illustrato in Fig. 2 e dettagliato in Fig. 8. Questa soluzione, pur comportando l’adozione di elementi singolarmente più costosi (i tubicini), ha il vantaggio di essere più affidabile in quanto il sensore presenta una maggiore durabilità e gli elementi sensibili, costituiti dalla circuiteria elettronica e dagli interruttori a pressione, sono alloggiati all’interno dello pneumatico.

Una ultima variante economica del sensore è infine descritta nella Fig. 9: in questo caso un unico interruttore a pressione è collegato opportunamente a più tubicini di presa della pressione esterna. Solo in caso che da tutti i punti di presa pervenga all’interruttore una pressione uguale o la cui somma sia uguale a quella di aquaplaning, questo potrà attivarsi realizzando il suo funzionamento con la minima presenza di circuiteria elettrica e componentistica meccanica.

Consideriamo a titolo puramente esemplificativo un veicolo di peso 1000 kg equamente ripartito tra due assali ed in moto rettilineo uniforme. Se la superficie di contatto del battistrada (vedi Fig. 5) di uno pneumatico con l’asfalto è di 10x7cm la pressione del liquido su detta superficie al distacco dall’asfalto è pari a 3,6 ata. Quindi sarebbe possibile tarare gli interruttori a pressione ad un valore del 90% : 3,2 ata. Pneumatici di diversa geometria e veicoli con diverso peso di marcia avranno differenti tarature della pressione di attivazione degli interruttori a pressione, effettuata mediante la compressione della molla (4) di Fig. 7, ed è per questo che deve essere personalizzata sia la disposizione dei componenti del sensore (Fig. 3) che le tarature di attivazione degli interruttori a pressione che non possono essere quindi stabilite in maniera univoca alla fabbricazione dello pneumatico ma personalizzate sul veicolo che lo monterà.

La caratteristica del sensore di aquaplaning è tale che la sua efficacia resta intatta al consumo del battistrada divenendo, anzi, sempre più determinante con la diminuzione del suo spessore come risulta evidente in Fig. 6. Per contro, la cattiva gestione della pressione di gonfiamento degli pneumatici può influenzarne negativamente il funzionamento, riducendo o deformando la superficie di contatto dello pneumatico con l’asfalto.

Con riferimento quindi alla Fig. 1 ed al sistema di collegamento in serie degli elementi, l’interruttore di pressione numero (1), il primo ad essere sottoposto alla pressione negativa generata dall’acqua incuneata nel battistrada, si attiverà chiudendosi, poi sarà il turno dell’interruttore (3) connesso elettricamente con il sensore (1) tramite un conduttore presente all’interno della carcassa (4). Questo semplicemente si chiuderà in attesa che, se anche il terzo interruttore (3) si attiverà per la pressione, il circuito elettrico si chiuderà su una trasmittente, ad esempio inclusa o cablata all’interruttore (3), che invierà il segnale radio alla scheda a microprocessore.

Dalle considerazioni che precedono, si possono immaginare almeno tre differenti configurazioni del sensore:

1. Sensore composto solamente da due componenti (ma, in caso di ruote particolarmente strette tipo motociclistico si può pensare di usare anche un singolo elemento) entrambi attivati dalla pressione. La disposizione potrebbe essere longitudinale nella direzione del moto (Fig. 3b) ma anche la disposizione traversale (Fig. 3a) potrebbe essere valutata. Questa potrebbe essere la configurazione più economica ed usuale per pneumatici di piccola larghezza (ad es. per auto di piccola cilindrata).

2. Sensore composto da tre componenti in serie attivati dalla pressione così come descritto nel capitolo precedente. La disposizione dei componenti potrebbe essere con la base del triangolo posta longitudinalmente al moto come in Fig. 1 oppure trasversalmente a questo come in Fig. 3c.

3. Sensore composto da quattro componenti in serie disposti a quadrilatero come in Fig. 3d, tutti attivati dalla pressione con l’ultimo che chiuda il circuito su un trasmettitore. La configurazione di questo sensore quadripartito potrebbe essere la scelta migliore per pneumatici molto larghi per i quali le dimensioni dell’area di contatto con l’asfalto è così grande (oltre i 150-200 cmq) da rendere l’ipotesi di planarità e rigidità della parte di pneumatico a contatto con la strada poco realistica a causa della flessibilità del materiale e delle possibili modificazioni dinamiche.

Descrizione delle figure

L’invenzione verrà qui di seguito descritta in una forma di realizzazione preferita a titolo esplicativo e non limitativo con l’ausilio delle figure annesse, nelle quali:

- Fig. 1 illustra la vista della parte interna dello pneumatico di un’autovettura dotata del sensore di aquaplaning nella configurazione con tre interruttori a pressione o con tre punti di rilevazione. Si vede la collocazione dei tre interruttori (1), (2) e (3) in uno dei quali si immagina incluso la sorgente di alimentazione ed il trasmettitore di segnale, collegati in serie tra di loro mediante il conduttore elettrico(4) oppure, in assenza del conduttore, in grado singolarmente di trasmettere lo stato di chiusura ad una scheda micro processata capace di interpretare la sequenza di attivazione e l’attivazione del sensore.

- Fig. 2 illustra il sensore ove gli interruttori a pressione sono collocati in un alloggiamento all’interno della carcassa (1) dello pneumatico e collegati ai fori di rilevamento della pressione tramite tubicini (2) pieni di fluido, per maggiore compattezza realizzativa e protezione degli elementi elettrici e meccanici.

- Fig. 3 mostra alcune delle possibili disposizioni logiche (od anche fisiche, in caso di presenza del collegamento elettrico tra gli stessi) degli elementi del sensore rispetto al senso di rotazione della ruota, variabili in funzione del tipo di pneumatico e dell’efficienza necessaria

- Fig. 4 mostra il diagramma di flusso del funzionamento del sensore di aquaplaning a tre interruttori a pressione

- Fig. 5 mostra lo schema elettrico del sensore di acquaplaning costituito da tre interruttori a pressione, una batteria ed un trasmettitore di segnale.

- Fig. 6 mostra come si riduce la superficie di contatto dello pneumatico con la superficie della strada in presenza di acqua sull’asfalto al variare sia dello spessore del battistrada che della velocità del veicolo

- Fig. 7 illustra una possibile realizzazione dell’interruttore a pressione. Esso ha dimensioni da stabilire ed è composto da:

1. un barilotto metallico (1) filettato al suo interno (2) che, se inserito all’interno di un foro praticato nello pneumatico, è reso solidale e a tenuta d’aria alla gomma mediante resine per l’incollaggio. Il suo fondo è chiuso da una membrana (6) che, pur assicurando la tenuta all’aria, ha un grado di elasticità tale che la pressione dovuta all’acqua causa di aquaplaning sia in grado di fletterla. Un’altra membrana (7) può o meno essere vulcanizzata a chiusura della parte superiore dell’interruttore a pressione.

2. A ll’interno del barilotto esterno viene avvitato un secondo barilotto metallico (3) filettato per avvitarsi con quello esterno (1) e che presenta un foro centrale da cui fuoriesce l’estremità di un pistoncino (5) solidale con la base della molla (4). Il barilotto interno, avvitandosi in quello esterno, comprime la molla (4) fino al raggiungimento di un modulo elastico tale da consentire il movimento del pistoncino ad essa solidale solo al raggiungimento della pressione di attivazione.

3. un pistoncino (5) atto a fungere da interruttore libero di scorrere all’interno del barilotto interno ma vincolato nella sua sede dalla presenza della molla che lo spinge sul fondo del barilotto esterno ove c’è la membrana elastica che impermeabilizza l’interruttore a contatto con l’acqua.

- Fig. 8 mostra la disposizione degli elementi in caso di istallazione degli interruttori a pressione (2) nella carcassa (Fig. 2), collegati mediante tubicini (1) ai fori sullo pneumatico. Quando gli interruttori a pressione chiudono il circuito elettrico (3) il sensore si attiva.

- Fig. 9 mostra la disposizione degli elementi in caso di utilizzo di un solo interruttore a pressione (2) nella carcassa collegato mediante tubicini (1) ai fori sullo pneumatico. La confluenza dei tre tubicini provenienti da altrettanti fori su un unico interruttore a pressione permette la sua attivazione sia quando ciascuno dei tre fori è sottoposto alla medesima pressione di aquaplaning ma anche allorquando lo sia la pressione risultante dai contributi di ciascuno. Quando l’interruttore a pressione chiude il circuito elettrico (3) il sensore si attiva.

- Fig. 10 mostra l’impronta del battistrada sull’asfalto con evidenziati i fori del sensore di aquaplaning costituito da tre elementi.

Claims (6)

1. Rivendicazioni 1. Sensore di aquaplaning per qualsiasi tipo di pneumatico, caratterizzato dal fatto di essere costituito da: A . Uno o più interruttori a pressione connessi, nel caso di più elementi, in serie da un conduttore ovvero tramite connessione logica realizzata via firmware su scheda micro processata, che ne riceva ed elabori il segnale secondo una precisa sequenza logica. B. Un radiotrasmettitore di segnale alimentato collegato od incluso ad uno o più interruttori a pressione e attivabile dalla chiusura del circuito elettrico costituito dalla totalità degli interruttori a pressione. C. Una scheda a microprocessore atta a ricevere i segnali radio, elaborarli e renderli disponibili al pilota e ai sistemi di sicurezza del veicolo.
2. 2. Sensore di aquaplaning per qualsiasi tipo di pneumatico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la disposizione e numerosità dei fori nel battistrada sia singola o multipla, longitudinale o trasversale al verso del moto o triangolare o quadrangolare o qualunque disposizione geometrica atta a racchiudere un’area della zona di contatto tra battistrada e asfalto.
3. 3. Sensore di aquaplaning per qualsiasi tipo di pneumatico secondo le precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che i suoi componenti costituenti siano installati parzialmente o totalmente nella carcassa dello pneumatico e nello spessore del battistrada in corrispondenza o meno degli incavi di questo, internamente a fori predisposti nel suo spessore o in collegamento con essi tramite tubicini contenenti fluido.
4. 4. Sensore di aquaplaning per qualsiasi tipo di pneumatico secondo le precedenti rivendicazioni, in cui gli interruttori a pressione possano essere tarati anche dinamicamente durante il moto, per variarne la pressione di attivazione singolarmente.
5. 5. Sensore di aquaplaning per qualsiasi tipo di pneumatico, secondo le precedenti rivendicazioni in cui l’interruttore a pressione sia costituito (Fig. 7) da una bussola esterna filettata all’interno chiusa da una membrana superiore ed inferiore, da una bussola interna filettata all’esterno per combaciare con la prima e forata al centro per permettere la fuoriuscita di un pistoncino che funga da interruttore e la cui base sia solidale alla base di una molla contenuta nella bussola interna, comprimibile per variarne il modulo elastico avvitando la bussola interna in modo che possa variare la pressione di attivazione. La membrana inferiore è esposta direttamente alla pressione esterna se l’interruttore a pressione è inserito in uno dei fori del battistrada, o esposta ad essa tramite un tubicino contenente liquido incomprimibile in grado di trasmetterla.
6. 6. Sensore di aquaplaning per qualsiasi tipo di pneumatico secondo le precedenti rivendicazioni in cui un singolo interruttore di pressione sia connesso con più fori nel battistrada tramite tubicini pieni di fluido le cui pressioni sommate trasmettano la pressione rilevata all’esterno all’interruttore di pressione.