ITMI952398A1

ITMI952398A1 - Pneumatico avente caratteristiche ottimali per il comfort di marcia di un veicolo

Info

Publication number: ITMI952398A1
Application number: IT95MI002398A
Authority: IT
Inventors: Maurizio Boiocchi; Federico Mancosu; Giuseppe Matrascia
Original assignee: Pirelli
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 1997-05-21
Also published as: ES2207664T3; ATE249941T1; ITMI952398A0; DE69629996T2; IT1279059B1; EP0775599B1; DE69629996D1; BR9604584A; US5853509A; JPH09175104A; EP0775599A1

Abstract

Un pneumatico (70) per un veicolo, rappresentabile da un modello dinamico di pneumatico ad anello rigido (1) a parametri concentrati, ha caratteristiche costruttive sostanzialmente equivalenti a parametri concentrati che ricadono nei seguenti intervalli corrispondenti a prestabiliti indici di comfort:rb = 100 - 300 (Ns/m)rbt = 2 - 40 (Nms/rad)rcz = 100 - 350 (Ns/m)rct = 10 - 90 (Nms/rad)Ckx = 18.000 - 70.000 (N),dove rb è uno smorzamento di fondazione radiale del modello dinamico di pneumatico (1); rbt è uno smorzamento di fondazione torsionale del modello dinamico di pneumatico (1); rcz è uno smorzamento residuo radiale del modello dinamico di pneumatico (1); rct è uno smorzamento residuo torsionale del modello dinamico di pneumatico (1); e Ckx è una rigidità di scorrimento di un modello a spazzola del battistrada (71). (Fig. 1)

Description

DESCRIZIONE

dell'invenzione industriale dal titolo:

"Pneumatico avente caratteristiche ottimali per il comfort di marcia di un veicolo"

La presente invenzione riguarda un pneumatico avente caratteristiche ottimali per il comfort di marcia di un veicolo.

Il pneumatico è l'elemento attraverso il quale strada e veicolo si scambiano le forze; l'interesse, però, è tutto rivolto alle forze che dalla strada si trasmettono al veicolo, perché queste influiscono sul comfort di marcia dei passeggeri.

Se una struttura è infinitamente rigida, le forze si trasmettono direttamente, senza alcuna attenuazione; se, invece, la struttura è elastica e dotata di smorzamenti, strutturali o concentrati, le forze trasmesse possono essere attenuate, o viceversa amplificate, per effetto di risonanze. Il pneumatico è un corpo viscoelastico e, come tutti i corpi viscoelastici, vibra quando viene eccitato (da forze o da deformazioni). Si può, quindi, affermare che le vibrazioni avvertite dai passeggeri all'interno del veicolo, sono influenzate o generate dal pneumatico.

Nei veicoli si cerca, allora, di attenuare il più possibile Le forze trasmesse dalla strada o daL propulsore e questo vuol dire ridurre le vibrazioni generate durante La marcia del veicolo. Per attenuare queste vibrazioni, o si ottimizzano le sospensioni del veicolo (ciò che oggi è fatto in direzione verticale), o si ottimizza il comportamento a comfort del pneumatico (soprattutto per la direzione longitudinale e laterale). Il problema non è semplice da risolvere perché un pneumatico ottimizzato per il comfort non è detto che lo sia per tutte le altre prestazioni richieste al pneumatico, quale la guidabilità, la sicurezza, l'usura ecc. Spesso, allora, in funzione del veicolo il costruttore del veicolo sceglie il pneumatico che sia un giusto compromesso per tutte le prestazioni desiderate per cui chiederà al costruttore di pneumatici un procotto che si avvicini il più possibile alle sue esigenze. Se un veicolo ha evidenziato fenomeni di vibrazioni in direzione laterale, richiederà un pneumatico che ottimizzi il comfort in quella direzione, anche se si perde qualcosa in tenuta di strada.

L'analisi dei fenomeni vibratori di un veicolo è, quindi, importante per chi voglia ottimizzarne il comfort attraverso i pneumatici.

A tutt'oggi, questa analisi è fatta attraverso alcune prove sperimentali e attraverso simulazioni con modelli matematici e fisici di pneumatico veicolo eccitazione stradale. I modelli noti, in generale, hanno due obiettivi principali: analisi del fenomeno fisico in esame e predizione dei risultati sperimentali in modo da ridurre al minimo le prove sperimentali che richiedono molto tempo e attrezzature costose.

Per i costruttori di pneumatici i modelli che interessano non sono soltanto quelli del pneumatico ma anche quelli del veicolo e dell’eccitazione stradale. Ciò rende notevolmente complesso il compito del progettista di pneumatici e lo spinge a cercare degli indicatori di comfort che semplifichino o sintetizzino il comportamento del pneumatico sul veicolo. Indici di comfort di un veicolo, dal punto di vista del pneumatico, possono essere le forze al mozzo della ruota del veicolo, nel senso che più basse sono le ampiezze delle forze trasmesse al mozzo dal pneumatico, migliore è il comfort del veicolo. Però questo principio non è assoluto ma relativo al veicolo; in altre parole, se un pneumatico genera delle forze elevate al mozzo di un veicolo, non è detto che lo stesso pneumatico dia delle forze elevate al mozzo di un altro veicolo, e viceversa. La spiegazione di ciò è dovuta al fatto che il pneumatico, che è già un sistema dinamico complesso, è inserito in un altro sistema ancora più complesso, quale è il veicolo; quindi, i fenomeni dinamici dei due sistemi, veicolo e pneumatico, interagiscono tra loro.

P.W.A. Zegelaar et al. in "Tyre Models for thè Study of In-Plane Dynamics", The Dynamics of Vehicle on Roads and on Tracks, Supplement to Vehicle System Dynamics, Volume 23, 1994" descrivono un modello dinamico di pneumatico nel piano. Il pneumatico, in un campo di frequenza da 0 a 130 Hz, è approssimato da un modello consistente in un anello rigido che rappresenta la fascia battistrada, un disco che rappresenta il cerchio di montaggio e La porzione di pneumatico costituita dai taLLoni e molLe radiali e tangenziaLi, distribuite circcnferenzialmente, che connettono l'anello rigido al disco e rappresentano il fianco del pneumatico e l'aria in pressione all'interno deL pneumatico- IL modeLLo comprende anche molle addizionali (rigidità residue) che tengono conto di deformazioni presenti nell'area di contatto (area di impronta) fra pneumatico e strada e un modello a spazzola che tiene conto dello scorrimento sotto l'area di contatto.

Il modello noto considera che la ruota abbia quattro gradi di libertà, due traslatori x e z, in direzione longitudinale e verticale, e due rotatori teta (φ1 eφ2) attorno ad un asse trasversale y. Esso ipotizza, inoltre, che le variazioni di velocità di rotazione della ruota siano piccole in modo che le equazioni del moto del modello possano essere linearizzate. I quattro gradi di libertà della ruota consentono di applicare il modeLLo noto allo studio delle capacità di trasmissione delle vibrazioni del pneumatico in direzione longitudinale x e verticale z e in senso rotatorio teta. Dalle equazioni del moto del modello ad anello si ricava una matrice di trasferimento che descrive la relazione di ingresso-uscita fra spostamenti e forze. Analizzando alcune funzioni di trasferimento con diverse condizioni al contorno si individuano a calcolo i principali modi di vibrare del pneumatico.

Per determinare i parametri concentrati (globali) del modello noto corrispondenti ad un pneumatico preso in esame, vengono usate una tecnica di analisi modale e una tecnica di misure dirette delle proprietà fisiche.

La tecnica di analisi modale è molto dispendiosa, mentre la tecnica di misura diretta viene impiegata operando misure di tipo statico sul pneumatico. Ciò comporta una differenza fra i mvalori delle frequenze proprie calcolate e quelli delle frequenze sperimentali, come rilevato dagli stessi autori. Pertanto, questo modello dinamico di pneumatico fornisce dei risultati, in termini di frequenze proprie, non corrispondenti a quelli misurati sperimentalmente.

Un perfezionamento del modello dinamico di pneumatico ad anello rigido è descritto in una domanda di brevetto italiana depositata in pari data a nome della stessa Richiedente dal titolo "Metodo di controllo per determinare il grado di comfort di un pneumatico di una ruota per un veicolo".

Questo nuovo modello presenta alcune peculiarità che mancano nel modello di P.W.A. Zegelaar et al.. Si tratta a) d; parametri concentrati costituiti da smorzamenti, b) dell'identificazione parametrica di prescelti parametri concentrati mediante determinazione di quattro curve di frequenze proprie e di quattro curve di smorzamenti, ottenute a calcolo e sperimentalmente, e c) dell'utilizzo di una prova di superamento ostacolo del pneumatico in esame per ricavare le curve sperimentali.

Dal confronto fra i valori dei parametri concentrati cosi ottenuti e campi di valori di smorzamenti e rigidità corrispondenti a prestabiliti indici di comfort, si perviene all'approvazione di quei pneumatici nei quali i parametri concentrati ricadono in predeterminati intervalli.

Scopo della presente invenzione è un pneumatico avente caratteristiche ottimali per il comfort di marcia di un veicolo.

Raggiunge il suddetto scopo, in accordo con l'invenzione, un pneumatico per una ruota di un veicolo comprendente una fascia battistrada, spalle, fianchi, talloni dotati di cerchietti e riempimenti talloni, una carcassa ed una struttura di cintura comprendente tele di cintura, detto pneumatico essendo rappresentabile da un modello dinamico di pneumatico ad anello rigido a parametri concentrati, caratterizzato dal fatto di avere caratteristiche costruttive sostanzialmente equivalenti a parametri concentrati che, misurati sotto un carico verticale compre" so fra 200 e 650 kg, ricadono nei seguenti intervalli corrispondenti a prestabiliti indici di comfort:

dove rb è uno smorzamento di fondazione radiale di detto modello dinamico di pneumatico; rbt è uno smorzamento di fondazione torsionale di detto modello dinamico di pneumatico; rcz è uno smorzamento residuo radiale di detto modello dinamico eli pneumatico; rct è uno smorzamento residuo torsionale di detto modello dinamico di pneumatico; e Ckx è una rigidità di scorrimento di un modello a spazzola di detto battistrada.

Più preferibilmente i suddetti parametri concentrati hanno i seguenti valori:

Ancor più preferibilmente i suddetti parametri concentrati hanno i seguenti valori:

I parametri di smorzamento e rigidità del modello citati sopra sono influenzati dalle caratteristiche strutturali del pneumatico, in particolare:

- rb é influenzato dallo smorzamento pneumatico, cioè dell'aria in pressione all'interno, e dallo smorzamento strutturale dei fianchi del pneumatico; progettualmente sul primo smorzamento non si può operare, mentre sul secondo si può intervenire a livello di materiali: mescola, tessuti gommati e geometria della sezione; ad esempio, un fianco più "in piedi", cioè rettilineo, è più rigido e quindi meno smorzato di un fianco più bombato; - rbt è pure influenzato dallo smorzamento pneumatico e dallo smorzamento strutturale della carcassa del pneumatico; questo smorzamento è legato ai materiali: mescola, tessuti gommati e alla geometria della sezione del pneumatico; ad esempio, un pneumatica ribassato è piu rigido torsionalmente e, quindi, meno smorzato di uno non ribassato;

- rcz è uno smorzamento in direzione verticale legato .all'area d'impronta del pneumatico; è influenzato essenzialmente dal profilo di equilibrio (sezione trasversale) del pneumatico; - rct è uno smorzamento in direzione rotazionale legato principalmente all'isteresi della mescola del battistrada;

- Ckx è la rigidità in direzione longitudinale dell'area d’impronta del pneumatico ed è legata, essenzialmente, alla mescola ed al disegno battistrada.

Caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno ora illustrati con riferimento a forme di realizzazione rappresentate a titolo di esempio, non limitativo, nelle figure alleciate, in cui

la fig. 1 è una vista parziale in propettiva di un pneumatico realizzato secondo l'invenzione avente caratteristiche costruttive ottimali per il comfort di marcia di un veicolo; la fig. 2 mostra un modello di pneumatico ad anello rigido utilizzato in un metodo di controllo di un pneumatico di una ruota per un veicolo;

la fig. 3 è un diagramma di flusso del suddetto metodo di controllo;

Le figg. 4 e 5 mostrano L'andamento di frequenze proprie e smorzamenti percentuali, sperimentali e calcolati, in funzione deLla velocità di avanzamento della ruota, determinati con il suddetto metodo di controllo;

la fig. 6 mostra schematicamente una apparecchiatura per una prova di superamento ostacolo deLla ruota a mozzo fisso;

le figg. 7 e 8 mostrano un vibratore torsionaLe utilizzato per misurare la rigidità di fondazione torsionale Cbt delta ruota nel suddetto metodo di controllo;

le figg. 9 e 10 sono grafici di una funzione di trasferimento fra accelerazioni angolari di un cerchio e del pneumatico della ruota eccitata con il vibratore delle figg. 7 e 8;

la fig. 11 mostra un pendolo torsionale per misurare il momento d'inerzia Ib del pneumatico;

la fig. 12 mostra schematicamente un carrello dinamometrico per una prova di frenata della ruota;

la fig. 13 è un grafico che mostra l'andamento di una funzione di trasferimento fra forza longitudinale e velocità di scorrimento in funzione della frequenza, rilevata sulla ruota sottoposta a prova di frenata con il carrello dinamometrico di fig . 11 ;

La fig. 14 mostra schematicamente un dispositivo per una prova di frenata utilizzabile in alternativa al carrello dinamometrico di fig. 12.

In fig 1 è mostrato un pneumatico 70 comprendente una fascia battistrada 71, spalle 72, fianchi 73, talloni 74 comprendenti cerchietti 76 costituiti da fili di acciaio, riempimentitallone 77, un Listino antiabrasivo 75 e bordi di rinforzo 78, una carcassa 80 comprendente una o più tele di tessuto gommato 79 risvoltate attorno ai cerchietti 76, una struttura di cintura comprendente strisene di tessuto gommato 81 rinforzate con cordicelle incrociate fra loro nelle due strisele e disposte simmetricamente rispetto al piano equatoriale del pneumatico ed una eventuale striscia di tessuto gommato 83 in posizione radialmente più esterna, provvista di cordicelle orientate circonferenziaImente, cioè a 0°, e un rivestimento interno, impermeabile all'aria, (liner) 82.

Il pneumatico 70 presenta caratteristiche costruttive sostanzialmente equivalenti a parametri concentrati di un modello dinamico di pneumatico ad anello rigido, descritti in dettaglio più oltre, che ricadono nei seguenti intervalli corrispondenti a prestabiliti indici di comfort:

dove rb, rbt, rcz, rct e Ckx hanno i,significati indicati più sopra.

Attraverso il modello dinamico di pneumatico citato sopra, si determinano quattro modi propri di vibrare del pneumatico. Al fine di avere un buon comfort si definiscono gli andamenti di smorzamenti percentuali del pneumatico preso in esame relativi ai quattro modi vibrare in funzione della velocità di avanzamento della ruota.

Gli intervalli numerici degli smorzamenti, relativi alle quattro frequenze proprie, in corrispondenza delle velocità di avanzamento sono i seguenti:

1. CARICO VERTICALE STATICO SULLA RUOTA: 200-450 Kg

2. CARICO VERTICALE STATICO SULLA RUOTA: 450-650 Kg

Gli smorzamenti percentuali relativi ai quattro modi di vibrare del pneumatico dipendono essenzialmente dagli smorzamenti strutturali del pneumatico, rappresentati fisicamente nel modello da smorzatori concentrati, descritti più oltre.

In particolare, nel pneumatico 70 realizzato di misura 225/55 ZR 16 il battistrada 71 è formato da una mescola avente

In fig. 2 è mostrato un modello di pneumatico ad anello rigido, sul quale è basato il metodo di controllo di un pneumatico di una ruota per un veicolo, citato sopra. Il modello ad anello rigido è piano ed ha parametri concentrati (globéili) corrispondenti a quelli del pneumatico preso in esame. Il modello di pneumatico comprende un anello rigido 2 che rappresenta fascia battistrada, spalle, struttura di cintura e la corrispondente porzione di carcassa ed ha massa e momento d'inerzia dove ρΑ è la massa per unità di lunghezza di fascia battistrada, spalle, struttura di cintura e corrispondente porzione di carcassa ed R è il raggio medio esterno deL pneumatico. Il modello di pneumatico compre.nde un disco 3 che rappresenta il cerchio della ruota ed i talloni del pneumatico ed ha momento d'inerzia Ir costituito dal momento d'inerzia di cerchio e talloni. Il modello comprende moLle radiali A e 5 e una molla tangenziale 6, interposte fra anello 2 e disco 3 e distribuite circonferenzialmente, che rappresentano, rispettivamente, la rigidità pneumatica del fianco e della carcassa, a pneumatico gonfio, ed hanno rispettivamente rigidità di fondazione radiale e rigidità di fondazione torsionale dove Cv è la rigidità tangenziale per unità di lunghezza della cintura e Cw è la rigidità radiale per unità di lunghezza della cintura. Il modello comprende smorzatori radiali 7 e 8 e uno smorzatore tangenziale 9, interposti fra anello 2 e disco 3, aventi, rispettivamente, smorzamenti di fondazione rb ed rbt che corrispondono alle rigidità di fondazione Cb e Cbt.

Il modello comprende anche una molla verticale 10, una molla longitudinale 11 e una molla tangenziale 12 che simulano deformazioni presenti nell'area di contatto (area di impronta) fra pneumatico e strada ed hanno rigidità residue, rispettivamente, radiale Ccz, longitudinale Ccx e torsionale Cct. Il modello comprende pure uno smorzatore verticale 13 e uno smorzatore tangenziale 14, aventi rispettivamente smorzamenti residui rcz ed rct, corrispondenti alle rigidità residue Ccz e Cct. Il modello comprende inoltre un'altra molla longitudinale 15 e uno smorzatore longitudinale 16 che rappresentano un "mooello a spazzola" che simula fenomeni di scorrimento nell'area di contatto. Il modello a spazzola ha rigidità di scorrimento Ckx

dove Cp è la rigidità deL battistrada per unità di

lunghezza (funzione della frequenza) e 2a è La lunghezza dimamica dell'area di impronta.

In fig. 2 sono mostrati un asse verticale zb e un asse Longitudinale xb aventi origine in 0 (traccia·di un asse trasvei— sale yb), un angolo di rotazionedb dell'anello 2, un angolo di rotazionedr del disco 3, una coppia di trazione T, una freccia f (distanza del centro dell'area di impronta rispetto all’asse zb), velocità di avanzamento della ruota Vx e veLocità di scorrimento Vsx,b.

Le equazioni del moto del modello ad anello rigido, ottenute attraverso equilibri dinamici per piccole variazioni delle variabili indipendenti sono le seguenti:

Una volta implementato il modello di pneumatico, restano da determinare, di volta in volta, i parametri concentrati del modello corrispondenti al pneumatico preso in esame. Per far ciò, si ricorre ad un metodo originale consistente in una tecnica ibrida fra misure dirette di alcune proprietà fisiche del pneumatico e identificazione parametrica delle rimanenti mediante metodi matematici, utilizzando una opportuna prova dinamica sperimentale consistente in una prova di superamento ostacolo su ruota-strada con pneumatico a mozzo fisso, che verrà descrita più oltre.

Il numero totale dei parametri del modello da determinare è quattordici. Si tratta di mb; Ib; Ir; Cbt; Ckx (o Cp); a; Cb; rb; Cct; rct; rbt; Ccz; rcz; Ccx. Di questi parametri, sei sono misurati sperimentalmente, in una maniera che verrà descritta in dettaglio più oltre. I parametri misurati sono: mb; Ib; Ir; Cbt; Ckx Co Cp); a (fotografia dell'area d’impronta). " sei parametri del modello misurati sperimentalmente sono scelti oculatamente; in particolare si sono scelti quei parametri la cui misura non è critica (come il peso e il momento d'inerzia del pneummatico, il momento d'inerzia del cerchio, ecc.), oppure quei parametri che non variano con la velocità di avanzamento del pneumatico (rigidità torsionale), o quelli la cui variazione con la velocità è nota (lunghezza area d'impronta).

Quindi, in totale, rimangono da determinare otto parametri del modello, in particolare: Cb; rb; Cct; rct; rbt; Ccz; rcz; Ccx. Con il metodo secondo l'invenzione si utilizzano i risultati ottenuti da una prova di superamento ostacolo a mozzo fisso, come verrà descritto in dettaglio più oltre. Da questa prova si ricavano otto informazioni sperimentali, consistenti nell'andamento, con la velocità della ruota, delle prime quattro frequenze proprie del pneumatico e dei relativi smorzamenti, che permettono di identificare in modo univoco gli etto parametri restanti. Pertanto, si esegue una sola prova sperimentale, con notevole risparmio di tempo e di costi rispetto al modello dinamico di P.W.A. Zegelaar et al. in cui i parametri vengono determinati mediante analisi modale.

In fig. 3 è mostrato un diagramma di flusso del metodo di controllo citato sopra.

Il blocco 20 rappresenta la prova di superamento ostacolo a mozzo fisso dalla quale si ricavano frequenze proprie e smorzamenti sperimentali del pneumatico in esame (blocco 21). Il blocco 22 rappresenta una prova con un vibratore torsionale dalla quale si ricava la rigidità di fondazione torsionale Cbt. Il blocco 23 rappresenta una prova con un carrello di frenata dalla quale si ricava la rigidità di scorrimento del modello a spazzola Ckx. Il blocco 24 rappresenta un'operazione di misura della lunghezza dell'area di impronta 2a. Il blocco 25 rappresenta una prova con un pendolo torsionale dalla quale si ricavano momento d'inerzia Ir del cerchio e del tallone e momento d'inerzia Ib della fascia battistrada, pacco cinture e carcassa. Il blocco 26 rappresenta un'operazione di determinazione del peso del pneumatico dalla quale si ricava la massa mb della fascia battistrada, spalle, struttura di cintura e La corrispondente porzione di carcassa.

Le frequenze proprie e gli smorzamenti sperimentali e i parametri misurati: Cbt, Ckx, 2a, Ir, Ib ed mb vengono usati per una identificazione a calcolo dei parametri concentrati (globali) del modello dinamico del pneumatico, rappresentata dal blocco 27. Dal calcolo si ricavano i parametri concentrati (globali) del modello: Cb; rb; Cct; rct; rbt; Ccz; rcz; Ccx (blocco 28).

In particolare, gli otto parametri del modello da calcolare consistono in quattro rigidità (Cb,/Cct, Ccz, Ccx) e:quattro coefficienti di smorzamento (rb, rct, rbt, rcz). Il modello dinamico di pneumatico nel piano, descritto in precedenza, è in grado di riprodurre i quattro modi propri del pneumatico nel piano della ruota, che si manifestano nel campo di frequenza 30 - 130 Hz, e che sono anche detti "modi rigidi". In altre parole, il modello ha quattro gradi di libertà che permettono di studiare i quattro modi propri del pneumatico presi in esame: 1° modo 28-40 Hz; II° modo 75-100 Hz; 111° modo 90-110 Hz; IV° modo 100-130 Hz. Il modello, quindi, fornisce da calcolo le quattro frequenze proprie e i relativi quattro smorzamenti, che, naturalmente, sono funzione dei parametri fisici del modello stesso. Variando gli otto parametri concentrati del modello indicati sopra, cambiano le frequenze proprie e gli smorzamenti; si tratta, quindi, di individuare in modo univoco i valori degli otto parametri rimanenti del modello che fanno si che le frequenze proprie e gli smorzamenti calcolati siano uguali a quelli misurati sperimentalmente con la prova di superamento ostacolo a mozzo fisso.

In pratica, dal modello si ottengono otto curve calcolate, in funzione della velocità di avanzamento della ruota: quattro curve per le frequenze proprie e quattro curve per i relativi smorzamenti. Per far coincidere queste otto curve con le otto sperimentali, si applicano metodi di calcolo convenzionali quale, ad esempio, un algoritmo matematico che variando opportunamente gli otto parametri del modello fa si che le frequenze e smorzamenti calcolati coincidano con quelli sperimentati (figg.

4 e 5). Un tale algoritmo non è altro che un risolutore di un sistema di otto equazioni (le otto curve delle frequenze proprie e degli smorzamenti sperimentali) in otto incognite (i parametri concentrati del modello). In altre parole l'algoritmo confronta le curve sperimentali con quelle calcolate e minimizza l'errore, cioè la differenza, variando di volta in volta i parametri del modello. I valori dei parametri cosi identificati (calcolati) sono univoci essendo stato costruito dalla Richiedente un sistema di otto equazioni in otto incognite che ammette una ed una sola soluzione. Inoltre, è da sottolineare che non possono separarsi le quattro curve delle frequenze proprie da quelle degli smorzamenti ed avere cosi due sistemi di quattro equazioni in quattro incognite, perché le otto equazioni (o curve) sono tra toro interdipendenti.

Le prove descritte in precedenza verranno ora descritte in dettaglio.

Come detto sopra, per determinare frequenze proprie e smorzamenti del modello di pneumatico si procede mediante la prova di superamento ostacolo. Con questa prova, diversamente dalle altre prove in cui si misurava direttamente un parametro del modello di pneumatico, si misurano le frequenze proprie e gli smorzamenti del pneumatico in direzione verticale e longitudinale, cioè nel'piano della ruota, mentre queste grandezze non figurano esplicitamente nel modello. Come illustrato in precedenza, queste misure sono fondamentali per la identificazione, ovvero il calcolo, dei restanti otto parametri del modello, cioè quelli che non vengono misurati direttamente.

La prova di superamento ostacolo utilizzata è di tipo interno (indoor), a mozzo fisso su ruota-strada. La prova consiste (fig.6) nel montare una ruota 101 su un mozzo dinamometrico 30 e schiacciarla, con un carico imposto perpendicolare all'asse della ruota, contro una ruota-strada 31 girevole a preoeterminate velocità, portante un riLievo 32 di forma predeterminata che costituisce l'ostacolo. Il carico imposto corrisponde alla quota di peso del veicolo che grava su una ruota.

L'eccitazione a cui è sottoposto un pneumatico 102, nella prova a mozzo fisso, è la deformazione imposta dall'ostacolo quando il pneumatico vi passa sopra con una certa velocità. L'ostacolo, in funzione della velocità di avanzamento della ruota, eccita i moti propri del pneumatico (eccitazione di tipo impulsivo), il quale inizia a vibrare con le sue frequenze proprie. Dopo un tempo più o meno breve queste vibrazioni si smorzano. La metodologia consiste, quindi, nell'analis: delle oscillazioni libere smorzate del pneumatico a diverse velocità di avanzamento. I segnali 33 e 34 variabili net tempo, rilevati al mozzo fisso 30, sono quelli della forza longitudinale e verticale, i quali sono funzione dell'eccitazione data dall'ostacolo, della velocità di avanzamento della ruota e delle frequenze proprie del pneumatico nel piano della ruota. I segnali vengono rilevati da un registratore magnetico 35 e da una unità di acquisizione ed elaborazione 36.

Dalla prova di superamento ostacolo a mozzo fisso, si evidenziano quattro modi propri del pneumatico, detti modi "rigidi". Durante la prova si analizzano nel tempo i segnali di forza, longitudinale e verticale, dopo che l'ostacolo ha abbandonato il pneumatico e si individuano le frequenze proprie e gli smorzamenti con tecniche di analisi o modelli matematici per segnaLi di tipo impulsivo ben noti, quali, ad esempio, il modello Prony o di Ibrahim. I risultati finali sono gli andamenti delle frequenze proprie e degli smorzamenti dei quattro modi di vibrare del pneumatico, cioè quei modi compresi tra 30 - 130 Hz, con la velocità di avanzamento. Quindi, in totale, si hanno otto curve sperimentali in funzione della velocità: quattro delle frequenze proprie e quattro degli smorzamenti.

In alcuni casi è opportuno evidenziare i modi propri della ruota in cui il mozzo è libero di oscillare in direzione verticale e longitudinale. Tali modi propri sono presenti in una vettura al di sotto dei 30 Hz (ca. 14 Hz. in direzione verticale, ca. 20 Hz. in direzione longitudinale).

Per analizzare i modi propri della ruota fra 0 e 30 Hz, si ricorre ad una prova di superamento ostacolo a mozzo mobile (nelle due suddette direzioni). Una apparecchiatura adatta allo scopo è descritta in una domanda di brevetto'italiana depositata in pari data a nome delta stessa Richiedente dal titolo "Apparecchiatura per una prova di superamento ostacolo di una ruota comprendente un cerchio e un pneumatico".

L’apparecchiatura detta "sospensione passiva", simula praticamente il moto di sospensione di una ruota in un veicolo. L’apparecchiatura comprende bracci di sospensione che supportano girevolmente la ruota con il pneumatico e sono collegati ad un telaio di supporto mediante molle a balestra. Le molle a balestra hanno rigidità regolabile mediante variazione dei loro punti di fissaggio al telaio. In tal modo è possibile variare la rigidità della sospensione in direzione verticale e longitudinale, così che le frequenze delle masse non sospese del "simulatore" (sospensione passiva) coincidano con quelle del veicolo in esame.

Per la misura della rigidità di fondazione torsionale Cbt viene utilizzato un vibratore torsionale elettrico, mostrato nelle figg.7 e 8, e descritto in una domanda di brevetto italiana depositata in pari data a nome della stessa Richiedente dal titolo "Vibratore torsionale".

Tale vibratore è costituito da un motore elettrico in corrente continua 41 dotato di un albero 48 su quale è calettata La ruota 101 (cerchio 103 più pneumatico 102). Il motore 41 comprende un rotore 45 con avvolgimenti indotti 47 alimentati in corrente continua mediante mezzi invertitori 411 atti a modificare La polarità degli avvolgimenti indotti 47 e, quindi, del campo magnetico indotto, in modo alternato (sinusoidale). In tal modo l'albero motore 48 inizia ad oscillare, facendo cosi vibrare la ruota 101 in senso rotazionale.

In particolare, le frequenze con cui vibra l'albero motore 48 e, quindi, la ruota 101 sono legate alle frequenze di inveì— sione del campo magnetico. In tal modo si dispone di un vibratore elettrico rotazionale che permette di eccitare torsionalmente il pneumatico per il campo di frequenze che si desidera.

Trasduttori di misura 418, 419, 420 e 421 costituiti da accelerometri sono posti sul cerchio 103 e su una fascetta metallica 422 stretta intorno al battistrada 112 del pneumatico 102. Le misure effettuate sono, quindi, l'accelerazione angolare del cerchio 103 e quella del pneumatico 102 cioè della fascia battistrada, spalle, struttura di cintura e corrispondenti porzioni di carcassa. Facendo il rapporto tra accelerazione singolare del pneumatico (presa come output) e quella del cerchio (presa come input), si ottiene la funzione di trasferimento in ampiezza e fase (in funzione della frequenza di eccitazione), come mostrato nelle figg. 9 e 10. Tale funzione di trafurimento (figg. 9 e 10) presenta un picco (massimo) di risonanza in coi— rispondenza della frequenza propria torsionale del pneumatico. Nota, quindi, la funzione di trasferimento tra le due accelerazioni in ampiezza e fase nel campo di frequenza 0 - 200 Hz e il momento d'inerzia del pneumatico Ib (misurato con un pendolo torsionale, come verrà illustrato più oltre) è possibile risalire matematicamente, applicando Le formule dei sistemi dinamici ad un grado di libertà, alla rigidità di fondazione torsionale Cbt del pneumatico (rigidità posta tra la fasciò battistrada, spalle, struttura di cintura, corrispondente porzione di carcassa e il cerchio).

La misura della rigidità torsionale effettuata con ilvibratore torsionale sviluppato dalla Richiedente è di tipo dinamico (risposta in frequenza del pneumatico) mentre quella riportata nell'articolo di P.W.A. Zegelaar et al. è sostanzialmente differente, probabilmente perché è statica. Ovvero, data una coppia statica al cerchio della ruota, con il pneumatico vincolato dentro una "formella circolare", si legge l'angolo di rotazione del cerchio stesso.

Per misurare il momento d'inerzia del pneumatico Ib, si utilizza un pendolo torsionale (fig. 11) costituito da una molla elicoidale 50 appesa ad una estremità ad una traversa in acciaio 51 e collegata all'altra estremità ad un mozzo 105 fissato al cerchio 103 su cui è montato il pneumatico 102 della ruota 101. La prova consiste nel perturbare il pendolo dalla sua condizione di equilibrio, dando una rotazione iniziale alla ruota 101, e nel lasciarlo oscillare liberamente. Come è noto, il pendolo oscilla con una frequenza che è quella propria del sistema (ruota 101 più molla elicoidale 50); misurando, quindi, il periodo di una oscillazione (con un cronometro o un analizzatore) e conoscendo la rigidità della molla elicoidale 50, è possibile determinare il momento d'inerzia della ruota 101 (cerchio 103 più pneumatico 102). Il momento d'inerzia del pneumatico Ib è determinato per differenza: momento d'inerzia della ruota 101 meno quello del cerchio Ir (incluso il mozzo 105) determinato in precedenza. Si osserva che il momento d'inerzia del pneumatico Ib può suddividersi, sostanzialmente, in un momento d'inerzia della fascia battistrada, spalle, struttura di cintura e corrispondente porzione di carcassa e in momento d'inerzia dei talloni. Per il modello dinamico di pneumatico descritto sopra e per la determinazione della rigidità di fondazione torsionale Cbt si utilizza il momento d'inerzia della fascia battistrada, spalLe, struttura di cintura e corrispondente porzione di carcassa.

Per determinare La rigidità di scorrimento globale del modello a spazzola Ckx si utilizza un carrello dinamometrico, anche detto di "frenata" (fig. 12).

Un carrello 52, sul quale è montata la ruota 101 comprendente il pneumatico 102 in prova, è trascinato da un veicolo 53, dal quale si comanda la frenata sul carrello 52, lungo una pista 54 molto liscia, costruita in piastrelle di marmo. SulLa ruota 101 sono montate due celle di carico 55 per la misura della forza longitudinale, che nasce quando si applica una coppia frenante alla ruota. Sulla stessa ruota 101 è montato un trasduttore di velocità 56, costituito da una ruota fonica, per misurarne la velocità angolare. Sul carrello sono montati una ben nota ruota Paiseler 57 per la misura della velocità di avanzamento del carrello e un rilevatore della forza frenante 58. Sul veicolo è montata una apparecchiatura di acquisizione di segnali di forza e di velocità scorrimento provenienti dal carrello 52, i quali sono trasmessi per via telemetrica ad una torre di controllo. Apparechiatura e torre di controllo non sono mostrate, perché note.

La prova consiste nell'applicare alla ruota 101 una coppia frenante "random" (in modo da avere un contenuto frequenziale iL più ampio possibile e tener conto del fatto che la rigidità longitudinale è variabile con La frequenza) e nel determinare la funzione di trasferimento tra i segnali di forza longitudinale al mozzo della ruota (output) e La velocità di scorrimento del pneumatico (input), intesa come differenza tra La velocità di avanzamento del carrello 52 e La velocità periferica del pneumatico 102. In fig. 13 è mostrato l'andamento di una funzione di trasferimento F/s (kg/%) in funzione della frequenza (Hz). Il limite, per frequenza tendente a zero (linea tratteggiata in fig. 12), della funzione di trasferimento tra forza longitudinale e scorrimento è la rigidità longitudinale totale Ckx del battistrada sotto l'area d'impronta. La rigidità longitudinale per unità di lunghezza del battistrada Cp è data da Ckx/2 a<2>.

La misura tiene conto del fatto che questa rigidità è variabile con la frequenza, a differenza di ciò che è riportato nell'articolo di P.W.A. Zegelaar et al., dove questo fenomeno è trascurato.

Un dispositivo per una prova di frenata, da utilizzare in alternativa al carrelLo dinamometrico descritto sopra, è descritto in una domanda di brevetto italiana depositata in pari data a nome della stessa Richiedente dal titolo "Dispositivo per una prova di frenata e trazione di una ruota comprendente un cerchio e un pneumatico". Con questo dispositivo, la prova di frenata, al contrario di quella effettuata con il carrello dinamometrico, è indoor, quindi, è più gestibile ed ha un livello di precisione più alto nella misura della rigidità. In questo caso, come mostrato in fig. 14, la ruota 101 con il pneumatico 102, è montata su un mozzo dinamometrico 65 ed è spinta radialmente contro una ruota-strada 61; a sua volta, il cerchio 103 con il pneumatico 102 è collegato mediante una manovella 66 e una biella 67 ad una camera di compressione 611 (pistone 610 più cilindro 612 e testa 618), con lo scopo di avere una coppia motrice e frenante di tipo sinusoidale sulla ruota 101. Con questo dispositivo, il pistone 610, in fase di compressione, fornisce, attraverso la biella 67 e la manovella 66, una coppia frenante alla ruota del pneumatico; mentre in fase di espansione, la coppia fornita al pneumatico è motrice. Lo scorrimento del pneumatico 102 è misurato attraverso due trasduttori di velocità angolare 615 e 613 posti rispettivamente sulla ruota-strada e sul cerchio 103 del pneumatico. La forza longitudinale al mozzo del pneumatico è rilevata attraverso un trasduttore 614 del mozzo dinamometrico 65.

La prova consiste nell'appiicare una coppia sinusoidale di ampiezza opportuna con frequenza variabile tra 0,1 - 25 Hz e determinare la funzione di trasferimento tra i segnali di forza longitudinale al mozzo della ruota (output) e lo scorrimento del pneumatico (input). In questa prova indoor, si ha il vantaggio di una maggior precisione nel misurare il valore di forza longitudinale in corrispondenza delle frequenze basse (0,1 Hz.). Il limite, per frequenza tendente a zero, della funzione di trasferimento tra forza longitudinale e scorrimento, è la rigidità longitudinale totale Ckx del battistrada sotto l'area d'impronta. La rigidità longitudinale per unità di lunghezza Cp del battistrada, è data dal rapporto tra la rigidità globale Ckx e la lunghezza dell'area d'impronta 2a. Essendo questa rigidità funzione deLLa mescola battistrada, oLtre che del disegno, ne segue che la rigidità è funzione della frequenza e di questo si tiene conto nel "modello a spazzola" sviLuppato dalla Richiedente.

Per misurare l'area di impronta 2a si procede, in maniera nota, fotografando attraverso un vetro il passaggio di un pneumatico montato su un veicolo, in modo da tener conto del fatto che l'area d'impronta di un pneumatico varia con la velocità di avanzamento (la misura fatta a pneumatico fermo è sensibilmente diversa da quella fatta in velocità). In particolare, una telecamera è collocata dentro una buca fatta sotto la strada e ricoperta con un vetro ed attraverso un sistema di acquisizione è possibile ottenere l'area d'impronta deL pneumatico direttamente su un Personal Computer. La ripresa viene effettuata facendo passare un veicolo coL pneumatico in esame sul vetro deLLa buca (un Liquido di contrasto è posto tra vetro e pneumatico), a diverse velocità di avanzamento.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pneumatico (70) per una ruota di un veicolo comprendente una fascia battistrada (71), spalle (72), fianchi (73), talloni (74) dotati di cerchietti (76) e riempimenti talloni (77), una carcassa (80) ed una struttura di cintura comprendente tele di cintura (81), detto pneumatico (70) essendo rappresentabile da un modello dinamico di pneumatico ad anello rigido (1) a parametri concentrati, caratterizzato dal fatto di avere caratteristiche costruttive sostanzialmente equivalenti a parametri concentrati che, misurati sotto un carico verticale compreso fra 200 e 650 kg, ricadono nei seguenti intervalli corrispondenti a prestabiliti indici di comfort: dove rb è uno smorzamento di fondazione radiale di detto modello dinamico di pneumatico (1); rbt è uno smorzamento di fondazione torsionale di detto modello dinamico di pneumatico (1); rcz è uno smorzamento residuo radiale di detto modello dinamico di pneumatico (1); rct è uno smorzamento residuo torsionale di detto modello dinamico di pneumatico (1); e Ckx è una rigidità di scorrimento di un modello a spazzola di detto battistrada 2. Pneumatico (70) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti parametri concentrati ricadono nei seguenti intervalli: 3. Pneumatico (70) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti parametri concentrati ricadono nei seguenti intervalli: