Meccanica dello pneumatico

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 intere