Meccanica dello pneumatico
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10) Il simbolo della montagna con il fiocco di neve (snowflake) indica che lo pneumatico è
invernale;
11) M+S: Mud & snow. Lo pneumatico è adatto a diverse condizioni stradali. A livello legale la
sola marcatura M+S è sufficiente per identificare un pneumatico invernale, ma l’industria
dello pneumatico ha adottato la marcatura Snowflake per differenziare i veri prodotti
invernali dai prodotti All Seasons che presentano invece solo la marcatura M+S;
12) Quando uno pneumatico riporta sul fianco il simbolo ECE, significa che ha ricevuto la
certificazione ECE relativamente alle prove dimensionali e di alta velocità del regolamento
n.30 della Commissione Economica per l'Europa. La marcatura è composta dalla lettera E
che indica l'omologazione europea, il numero 3 che rappresenta il codice del Paese che ha
rilasciato l'omologazione, 02 che indica conformità all'emendamento 02 del citato
regolamento 30 e 41583 rappresenta il numero del certificato di omologazione. La riga
sottostante indica l’omologazione europea sul rumore;
13) Pneumatico Run-flat;
14) Tread Wear Indicator (TWI). Marcatura in corrispondenza della quale, nella fascia battistrada
e all’interno di una scanalatura, è presente un tassello in gomma (testimone di usura) che
indica il limite di usura dello pneumatico. Alcune case costruttrici adottano una marcatura
numerica, con dei numeri sovrapposti che si cancellano durante l’usura della fascia
battistrada. Figura 1.2 - Marcature U.T.Q.G.
Oltre a queste sono presenti altre marcature regolamentate dallo standard U.T.Q.G.
(Uniform Tyre Quality Grading) per garantire le performance dei pneumatici nelle aree di
consumo del battistrada, trazione e resistenza alle alte temperature. Viene applicato solo su
pneumatici auto con diametro del cerchio di 13" o superiore ad esclusione di quelli
invernali.
- Consumo del battistrada: il grado di consumo del battistrada è basato su valutazioni
comparative di consumo quando viene testato sotto il controllo di specifici test governativi.
Per esempio, una gomma valutata 150 dovrebbe consumarsi una volta e mezza in più di una
gomma valutata 100. Le performance relative degli pneumatici dipendono dalle condizioni
di utilizzo, a partire dalle variazioni climatiche e del fondo stradale.
- Trazione: i gradi di trazione, a partire dal più elevato sono AA, A, B e C. Questi rappresentano
la capacità di un pneumatico di fermarsi su un fondo bagnato misurata da controlli su
specifici asfalti o terreni predisposti da test governativi.
Uno pneumatico graduato C avrà poca trazione. Il grado di trazione viene misurato in un test
di frenata in moto rettilineo, in assenza di curve, accelerazioni e aquaplaning.
- Temperatura: rappresenta la capacità di uno pneumatico di resistere e dissipare il calore
generato da uno specifico test condotto in laboratorio. In base alla rapidità di dissipazione
lo pneumatico viene classificato in grado A, B, C. Le alte temperature possono danneggiare
lo pneumatico e ridurre il suo ciclo di vita. I gradi A e B superano il minimo di legge imposto
nei test di laboratorio. Velocità eccessive, sgonfiamento ed eccessivo carico possono
generare un accumulo di calore che può portare al danneggiamento dello pneumatico.
2 La struttura
Se si sezionasse uno pneumatico lungo un suo piano trasversale, si riuscirebbe a distinguere ad
occhio nudo gli elementi elencati di seguito.
Figura 2.1 - Struttura di uno generico pneumatico
2.1 Tallone Ha due funzioni principali: permettere il calettamento sul cerchio e garantire la
tenuta, evitando la fuoriuscita di aria in pressione. In questa zona vengono
scambiate le forze tra penumatico e cerchio.
Annegato nella mescola di riempimento tallone, caratterizzata da una elevata
rigidezza, è posizionato il cerchietto, costituito da piccoli cavi in acciaio avvolti tra
loro a spirale, abbastanza rigidi da permettere il mantenimento dello pneumatico in sede ma allo
stesso tempo abbastanza flessibili da permetterne il calettamento, svolgendosi per poi riavvolgersi
al termine dell’operazione. Il cerchietto è utilizzato anche per ottenere un risvolto delle tele di
carcassa le quali trasmettono ad esso i carichi provenienti dalle reazioni del suolo.
2.2 Carcassa e cinture
È un tessuto gommato che avvolge il cerchietto e corre lungo tutto lo pneumatico. I fili di Rayon che
costituiscono le tele di carcassa sono mantenuti in posizione grazie alla gommatura; se formano un
angolo di 30/40/45° rispetto al piano longitudinale si parla di pneumatico a tele incrociate; se sono
disposti radialmente, ovvero a 90° rispetto al piano longitudinale si parla di pneumatico radiale. In
quest’ultimo caso i fili sono paralleli gli uni agli altri. A causa di questa disposizione però, nello
pneumatico radiale, i fili di carcassa si allontanano gli uni dagli altri se la struttura è caricata, dunque
per mantenere stabilità dimensionale sono presenti cinture metalliche tra le tele e il battistrada
agenti da tiranti e controtiranti. Le funzioni della carcassa sono principalmente quelle di resistere
alla pressione di gonfiaggio e al carico del veicolo, garantire stabilità dimensionale e integrità,
conferire proprietà in termini di handling.
Sopra la cintura è posizionato un altro strato di fili in acciaio o in nylon, disposti perpendicolarmente
alle tele, utili per contenere la deformazione causata dalla forza centrifuga ad elevate velocità
angolari; questo strato prende il nome di cintura 0° o nylon 0°.
Infine esiste una terza tipologia di pneumatico, il cinturato, il quale presenta delle tele incrociate
sulle quali sono posizionate le cinture, mostrando delle caratteristiche intermedie tra le due
tipologie precedenti.
Figura 2.2 - Pneumatico a tele incrociate Figura 2.3 - Pneumatico radiale
2.3 Fianchi
La loro altezza varia in base alla pressione di gonfiaggio ed al carico verticale. Hanno la funzione di
protezione della carcassa dagli urti accidentali e dagli agenti esterni chimici e fisici, oltre a garantire
prestazione, integrità e comfort.
Dal momento che lavorano molto a flessione, sono composti da una mescola a basso modulo di
elasticità e bassa isteresi, al fine di garantire una buona resistenza a fatica. Oltre alla mescola la loro
rigidezza è influenzata dalla disposizione delle tele di carcassa e da eventuali rinforzi, come nella
struttura run-flat. Questo modifica il comportamento dell’intero pneumatico, in particolare in quello
convenzionale il battistrada è solidale con i fianchi, ciò comporta:
- Deformazione dell’impronta a terra in curva, con relativa riduzione della tenuta laterale;
- Strisciamenti sul suolo con conseguente usura del battistrada;
- Frizioni tra le tele di carcassa con conseguente aumento di temperatura di esercizio.
Nello pneumatico radiale invece il battistrada ed il fianco lavorano in modo indipendente, pertanto
durante il moto i movimenti di flessione dei fianchi non sono trasmessi al battistrada. Ciò porta
diversi vantaggi:
- Aumento dell’impronta a terra con conseguente miglioramento del grip;
- Riduzione degli strisciamenti del battistrada sul suolo con riduzione di usura;
- Maggiore flessibilità dei fianchi con migliore assorbimento delle asperità;
- Riduzione di frizioni tra le tele di carcassa, dunque la temperatura di esercizio si riduce.
Nel caso degli pneumatici run-flat il rinforzo strutturale del fianco garantisce una limitata capacità
di sopportare l’intero carico del veicolo in caso di foratura.
Figura 2.4 - Flessibilità dei fianchi in uno pneumatico convenzionale e radiale
Figura 2.5 - Tecnologia run-flat
2.4 Battistrada
Costituisce la fascia esterna dello pneumatico, quella che entra direttamente a contatto con il suolo,
e come tale contribuisce in modo significativo ad una serie di proprietà, in particolare:
- Tenuta di strada in qualsiasi condizione di asfalto;
- Resa chilometrica (usura);
- Resistenza al rotolamento, legata all’isteresi della mescola;
- Resistenza alle asperità stradali, a corpi taglienti e agli urti;
- Comfort.
La pressione di gonfiaggio, la rigidezza dei fianchi, la presenza di solchi nel battistrada e le condizioni
dell’asfalto sono alcune delle variabili che modificano l’impronta a terra e quindi il grip dello
pneumatico.
2.5 Liner
Costituisce la parte più interna dello pneumatico, la cui funzione principale è quella di ritardare il
più possibile la perdita di pressione, dunque costituito da una mescola a bassa permeabilità ai gas.
3 La mescola
Le “ricette” delle mescole sono probabilmente le informazioni più gelosamente custodite dalle case
costruttrici di pneumatici, esse influenzano fortemente le proprietà dello pneumatico in termini di
prestazioni, confort, resa chilometrica.
Senza entrare nel dettaglio dell’argomento che esula dall’obiettivo di questo studio, è opportuno
descrivere brevemente le proprietà dei principali componenti, mescolati tra loro in percentuali
variabili: gomme, plastificanti, vulcanizzanti, coadiuvanti di processo, protettivi, cariche rinforzanti.
3.1 Gomme
- Gomma naturale (NR) o poliisoprene:
o Elevato carico di rottura;
o Elevata resilienza;
o Alta resistenza a fatica;
o Alta resistenza ad abrasione e lacerazione;
o Bassa isteresi;
o Bassa impermeabilità;
o Scarsa resistenza agli agenti atmosferici, agli olii ed ai solventi organici
- Polibutadiene (BR):
o Elevata flessibilità a basse temperature;
o Temperatura di transizione vetrosa (Tg) più bassa rispetto a quella della NR;
o Elevata resilienza;
o Elevata resistenza a fatica;
o Bassa isteresi;
o Ottima resistenza all’abrasione;
o Tendenza a cristallizzare nel tempo.
- Stirene-butadiene (SBR):
o Maggiore isteresi rispetto a NR;
o Maggiore resistenza all’invecchiamento rispetto a NR;
o Minore resistenza alla lacerazione rispetto a NR;
o Resistenza all’abrasione in funzione del tenore di stirene.
- Gomma butile (IIR):
o Impermeabilità ai gas e all’acqua;
o Resistenza al calore e all’ozono.
3.2 Plastificanti
Nelle caratteristiche dello pneumatico inteso come prodotto finito, i plastificanti intervengono su:
o Modulo ed isteresi a basse temperature;
o Resistenza all’abrasione e al taglio;
o Grip in condizioni dell’asfalto diverse (asciutto, bagnato, ghiaccio)
3.3 Vulcanizzanti
Sono componenti che permettono il processo di vulcanizzazione, nel quale si instaurano dei legami
covalenti di zolfo (o di carbonio) tra le macromolecole, trasformando un polimero viscoso in un
elastomero, in cui esso perde le sue caratteristiche plastiche acquistando quelle elastiche.
Figura 3.1 - Catene polimeriche prima e dopo la vulcanizzazione
3.4 Coadiuvanti di processo
- Peptizzanti: sono composti portatori di ossigeno, il quale agisce nel processo di rottura delle
catene polimeriche. Si ottengono in questo modo un accorciamento della loro lunghezza
media e quindi una diminuzione della viscosità della mescola cruda, facilitandone la
lavorazione;
- Agenti lubrificanti: utilizzati per rendere la mescola più fluida al fine di facilitarne la
lavorazione a crudo.
3.5 Agenti protettivi
- Antiossidanti: sono composti aggiunti in mescola allo scopo di ritardare i processi di
ossidazione. Alcuni antiossidanti inibiscono i processi di foto-ossidazione causati dalla
radiazione UV o dalla presenza di metalli pesanti che catalizzano la reazione; altri invece sono
efficienti come agenti anti-fatica perché riducono la componente ossidativa dei processi di
rottura meccanico-ossidativi.
- Antiozonanti: sono aggiunti alle gomme insature per evitare la frattura della superficie della
gomma causata dall’attacco dell’ozono al doppio legame. La caratteristica importante che
essi devono avere è di poter facilmente diffondere sulla superficie per ridurre la velocità di
crescita delle fratture. Il meccanismo con cui agiscono non è stato al momento ben chiarito.
- Cere: sono composti idrocarburici che diffondono facilmente sulla superficie formando uno
strato impermeabile all’ozono e sono quindi usate come barriera fisica per l’ozono.
3.6 Cariche rinforzanti
- Carbon black: è costituito da atomi di carbonio con struttura simile alla grafite ma in cui
l’orientazione degli strati molecolari è random. Viene aggiunto in mescola per aumentare la
rigidità statica e dinamica, aumentare la resistenza all’abrasione e alla lacerazione. Inoltre
protegge la gomma dalla degradazione causata dall’attacco dei raggi UV.
- Silice: è un ossido inorganico di natura polimerica con unità ripetitiva SiO . In base alla zona
2
di applicazione migliora determinate caratteristiche dello pneumatico, in particolare:
o Battistrada: riduce la resistenza al rotolamento e incrementa il grip sul bagnato;
o Sottostrato: riduce la resistenza al rotolamento;
o Fianco: migliora la resistenza a fatica e alla lacerazione;
o Cintura: migliora l’adesione;
o Inner liner: migliora l’adesione e l’impermeabilità.
3.7 Influenza della temperatura
Un’altra variabile importante nella definizione della struttura molecolare della mescola è la
temperatura, in particolare la T , temperatura di transizione vetrosa per i polimeri amorfi, e la T ,
g m
temperatura di fusione, per i polimeri semicristallini. Confrontando la temperatura di esercizio del
materiale con queste temperature di riferimento si osserva una diversa mobilità dei segmenti di
catena polimerica, in particolare:
- T < T il polimero si trova allo stato vetroso, la mobilità molecolare è limitata;
g
- T < T < T il polimero si trova allo stato coriaceo o liquido viscoso, in base al suo peso
g m
molecolare;
- T > T il polimero si trova allo stato gommoso o liquido viscoso. Nel primo stato sono possibili
m
movimenti di segmenti di catena, nel secondo sono possibili scorrimenti relativi delle catene;
- T >> T si raggiunge una temperatura in cui le catene polimeriche iniziano a degradarsi.
m
Dunque se T > T il polimero si trova nello stato vetroso, viceversa nello stato gommoso,
g ambiente
coriaceo o liquido. È molto interessante notare come varia il modulo di elasticità (sia longitudinale
che trasversale) in funzione della temperatura, evidenziando un crollo di tre ordini di grandezza dal
superamento della T .
g
I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher gauss di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Pneumatici e materiali per il veicolo e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Modena e Reggio Emilia - Unimore o del prof Fabbri Paola.
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