Modulo 1.1: “Architettura statica e dinamica del veicolo” Corso di Alta Formazione: ”Progettazione e Sperimentazione di Sistemi e Componenti Avanzati Afferenti.

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1 Modulo 1.1: “Architettura statica e dinamica del veicolo” Corso di Alta Formazione: ”Progettazione e Sperimentazione di Sistemi e Componenti Avanzati Afferenti ai Sistemi di Insonorizzazione Interna Veicolo e Rumore di Rotolamento” Anno 2014/2015

2 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Sono possibili i casi di: 1.Ruota rigida su suolo rigido 2.Ruota rigida e suolo elastico 3.Ruota rigida e suolo plastico 4.Ruota elastica su suolo rigido  Pneumatico. La geometria del pneumatico nella zona di contatto può essere assimilata a: Sfera  (area di contatto circolare) Cilindro di larghezza b  (area di contatto rettangolare) Toroidale  (area di contatto ellittica) La ruota elastica è realizzata nello Pneumatico

3 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Definizione di pneumatico: “componente costituito da un elemento assial-simmetrico di collegamento alla vettura, detto cerchione, che viene ritenuto rigido, e da un toro elastico esterno, di struttura complessa detto “copertone”, che viene a contatto con il suolo”. Principali requisiti di uno pneumatico:  elasticità  Rigidezza trasversale  Resistenza all’usura  Aderenza  Robustezza Designazione pneumatico mediante:  Diametro di calettamento d  Diametro esterno D (oppure altezza h della sezione torica  La corda o la massima larghezza “C” del copertone.

4 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Definizione di pneumatico: Dimensioni pneumatico:  Diametro di calettamento d  Diametro esterno D  Altezza h della sezione torica  Corda o massima larghezza “C” del copertone  Larghezza del cerchio E

5 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Designazione ISO del pneumatico: Elementi della designazione di uno pneumatico: 1.Larghezza Massima del pneumatico 2.Rapporto Altezza/Larghezza 3.Metodo di Produzione 4.Diametro del Cerchione (di calettamento) 5.Indice di carico 6.Indice di velocità 7.Marca 8.Modello 9.Data di produzione

6 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Tipo di Pneumatici: 1.Convenzionale.  Tele a 35-40° rispetto alla direzione circonferenziale. 2.Cinturato  Un certo numero di tele è posto sotto il battistrada con una angolo di 15° rispetto alla direzione circonferenziale. 3.Radiali  Tele orientate in direzione perpendicolare a quella circonferenziale e tele di cintura. Ciò porta a fianchi più deformabili e ad una fascia battistrada più rigida in direzione circonferenziale (Alto comfort di marcia e generazione di forze laterali). Minore Rr.

7 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Materiali dei Pneumatici: 1.Corde di acciaio.  Talloni 2.Gomma  Riveste la carcassa, Battistrada Vari tipi di gomma: Gomma naturale  1839 Goodyear definisce il processo di Vulcanizzazione (Elasticizza la Gomma, che perde le caratteristiche plastiche). Anni 30 in Germania si sintetizza il Buna S o SBR (a base di Butadiene (CH) 2 -(CH 2 ) 2 ) e Stirolo. In Francia il Neoprene dalla DuPont Oggi si usa una miscela variabile selezionata da un insieme di oltre 15 elastomeri+nerofumo 3.Tele  Fino alla II Guerra Mondiale erano in cotone filato, poi in rayon, successivamente in nylon (ma si deforma plasticamente a freddo per cui se la ruota resta ferma si deforma) anche glass fiber.Oggi si usano fili di acciaio.

8 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Sistema di riferimento (per studio forze scambiate tra strada e ruota) Fx = Forza Longitudinale Fy = Forza Laterale Fz = Forza Normale Mx = Momento di Ribaltamento My = Momento di resistenza al Rotolamento Mz = Momento di Autoallineamento  =Angolo di Deriva della ruota. Angolo tra il piano X’Z’ e la direzione della velocità del centro di contatto della ruota.

9 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Sistema di riferimento (per studio forze scambiate tra strada e ruota)  = Angolo di Inclinazione della Ruota. Angolo tra il piano X’Z’ e il piano principale della ruota. L’ Angolo di Campanatura è invece riferito alla direzione verticale mentre quello di inclinazione è riferito alla normale alla strada. Su strada orizzontale coincidono.

10 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Impronta della Ruota in Condizioni statiche. Curve di Carico e scarico.

11 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Resistenza al Rotolamento. Definizione SAE. Dipende da: 1.Velocità di marcia. 2.Struttura Pneumatico. 3.Usura Battistrada. 4.Temperatura di funzionamento. 5.Pressione di gonfiaggio e carico. 6.Dimensioni Pneumatico. 7.Condizioni della Strada

12 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Resistenza al Rotolamento. Definizione SAE. Dipende da: 1.Velocità di marcia. 2.Struttura Pneumatico. 3.Usura Battistrada. 4.Temperatura di funzionamento. 5.Pressione di gonfiaggio e carico. 6.Dimensioni Pneumatico. 7.Condizioni della Strada

13 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Raggio di Rotolamento. Per una Ruota Rigida di raggio R su suolo rigido sussiste la relazione V=  R (moto di Puro Rotolamento.“O” è un punto fermo detto Centro di Istantanea Rotazione). Ciò è vero fino a che si ha T< Max tiro trasmissibile. T> Max tiro trasmissibile  Rotolamento + Strisciamento Oppure Slittamento. Per una ruota Pneumatica si definisce il Raggio di Rotolamento Effettivo Re come Re= V/  cioè il raggio che avrebbe una ruota rigida, che trasla e ruota alla stessa velocità della ruota pneumatica. Il contatto ruota-suolo non è puntiforme e la fascia battistrada è deformabile in direzione longitudinale. Per cui Re è diverso da R indeformato e da Rl (raggio sotto carico). Centro Istantanea Rotazione diverso dal centro di Contatto A.

14 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Raggio di Rotolamento. Il punto entrando nella zona di contatto rallenta (compressione circonferenziale). Il punto uscendo dalla zona di contatto accelera, riportandosi alla velocità V=  R (il battistrada si riallunga). Nella zona di contatto  Slittamento Ruota - Strada Si ha: Rl<Re<R  Centro di Istantanea Rotazione si trova sotto la strada Re Dipende da: struttura carcassa, usura battistrada, pressione, carico e velocità.

15 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Forze Scambiate tra ruota e suolo in direzione longitudinale. Sia applicato un momento frenante Mf alla ruota allora gli elementi del battistrada, che entrano in contatto con il suolo risultano in tensione per cui Velocità Periferica ruota (zona ingresso battistrada)  *R e ’ >  *R velocità ruota indeformata. Quindi con Mf, R e ’ diventa maggiore di R. Si definisce lo scorrimento come s=(  -  0 )/  0 con  0 =V/R Ruota bloccata in frenata si ha S=-1

16 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Forze Scambiate tra ruota e suolo in direzione longitudinale. Sia applicato un momento motore Mm alla ruota allora gli elementi del battistrada, che entrano in contatto con il suolo risultano in compressione per cui Velocità Periferica ruota (zona ingresso battistrada)  *R e ’ <  *R velocità Ruota indeformata. Quindi con Mm, R e ’ diventa minore di R e in genere anche di Rl. Si definisce lo scorrimento come σ=(  -  0 )/  0 con  0 =V/R Ruota slitta senza muoversi   0 =0 si ha S  +Infinito

17 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Cioè l’azione di una forza traente e frenante comporta inevitabilmente uno strisciamento dello pneumatico rispetto al suolo cioè la velocità angolare della ruota  è diversa da quella  0, calcolata sotto l’azione dello stesso raggio R a partire dalla velocità istantanea V di avanzamento della vettura. Due valori fondamentali: 1.Valore di Picco 2.Valore di slittamento puro Curva abbastanza simmetrica. Al di fuori dei due picchi si ha zona instabile.

18 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Al di fuori dei due picchi si ha zona di Funzionamento instabile. Applichiamo un Momento Frenante e ricordiamo l’equazione del moto della ruota intorno al suo asse: Se si ha una diminuzione di σ a Velocità V, si ha una diminuzione dell’aderenza μ e se non diminuiamo anche il Momento Frenante Mf si ha un ulteriore rallentamento della ruota con riduzione di Fx fino al bloccaggio. Cioè superato il picco di aderenza si arriva al bloccaggio della ruota per evitare ciò, si usa l’ABS, che riduce Mf e quindi ci riporta su valori di scorrimento minori e di forza, esplicata a terra, più favorevoli. Analogamente rispetto ad Mm esiste il Traction Control.

19 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada La curva di aderenza dipende da: tipo di pneumatico, condizioni della strada, velocità, ampiezza della Forza Laterale esercitata dal Pneumatico.

20 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Dipendenza dei Due valori fondamentali: 1.Valore di Picco 2.Valore di slittamento puro da strada Asciutta e bagnata e dalla velocità (questa dipendenza è maggiore nel caso di strada bagnata) Pneumatici da competizione hanno valori di picco di 1.5- 1.8 ma comunque valori di slittamento ridotti.

21 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Dipendenza di 1.Valore di Picco dalla usura e Velocità 2.Delle Curve dal carico normale 3.Aquaplaning

22 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada La curva di aderenza può essere approssimata con espressioni analitiche come quella del Pacejka, nota come magic Formula. Questa permette di esprimere Fx, Fy e momento di autoallineamento Mz in funzione di: Forza Normale Fz, scorrimento σ e angolo di campanatura . Con B, C, D, E, Sv e Sh coefficienti dipendenti da Fz e , ottenuti sperimentalmente. I coefficienti della Magic Formula costituiscono la modalità con cui oggi i costruttori tendono ad indicare le prestazioni dei loro pneumatici.

23 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada La generazione di Forze di Deriva si manifesta grazie alla deformabilità laterale dello pneumatico ed al suo angolo di deriva. Quindi la generazione di forze tangenziali nel contatto ruota-suolo è direttamente legata alla sua deformabilità. Come nel caso longitudinale ci saranno degli strisciamenti localizzati e delle zone, che si muovono alla stessa velocità del suolo rispetto al centro ruota. All’aumentare dell’angolo di deriva gli strisciamenti aumentano. I zona  No strisciamento, i punti si muovo con V e deviano dal piano di simmetria equatoriale. Poi forze elastiche di richiamo (Punto C) e strisciamento.

24 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada La risultante Fz e Fy non coincidono con gli assi Z’ e Y’. Fy genera il Momento di Autoallineamento del Pneumatico, che tende a far sovrapporre il piano di Simmetria della ruota con V. Fy aumenta con  My ha andamento crescente-decrescente con  Pneumatici Radiali Vs Convenzionali

25 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Si può definire μ y = Fy/Fz, che presenta un massimo e un valore in condizioni di slittamento laterali. Fy ed Mz dipendono da: angolo di deriva , da forza normale Fz, velocità, pressione p, condizioni della strada.

26 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Il comportamento laterale di uno pneumatico può essere riassunto e rappresentato nel diagramma di Gough, che esprime la forza laterale Fy in funzione di Mz (momento di autoallineamento) con Fz,  e t (braccio) come parametri. Anche se non vi è deriva la presenza di un angolo di campanatura produce una forza laterale “spinta di campanatura”

27 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Anche se non vi è deriva la presenza di un angolo di campanatura produce una forza laterale “spinta di campanatura”.

28 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada Se il pneumatico deve sviluppare contemporaneamente forze in direzione X’ e Y’ allora l’impegno di aderenza in una direzione diminuisce l’aderenza disponibile nell’altra. Applicando una forza motrice o frenante ad un pneumatico con un angolo di deriva, la forza di deriva si riduce ed allo stesso modo accade che si riduce la forza traente o frenante se si applica anche una forza laterale. Sopra: Forma curva μ x e μ y al variare di  Picco diminuisce, slittamento quasi invariato. Sotto. Diagramma Polare

29 Principio di D’Alembert e Forze Agenti sulla Vettura (Dinamica Longitudinale) 8.Pneumatico - Interazione con la Strada