Meccanica dello pneumatico

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