Pneumatici - Resistenza all'avanzamento e funzionamento

[Guest EC2277]

ho sbagliato a scrivere, intendevo la larghezza, ho riletto la discussione e ho capito il legame... ci devo pensare!

Cerco di spiegarla in maniera semplice: come hai detto il pneumatico si comporta come una molla, percui sostiene il peso del veicolo con una reazione che è proporzionale al suo coefficiente di elasticità ed alla sua deformazione; in primissima approssimazione ipotizziamo P=k*x, dove P è il peso, k è la costante elastica ed x è la deformazione. Analogamente questa forza elastica viene bilanciata dalla forza che il terreno esercita sulla superficie di contatto e tale forza dipende dalla superficie di contatto stessa e dalla pressione tra il pneumatico e l'asfalto (F=S*p).

Ergo P=k*x=S*p e qui scoppia il dramma: capire come varia l'elasticità del pneumatico al variare della sua larghezza. In genere un pneumatico largo ha una carcassa un po' più rigida per evitare che il battistrada si deformi staccandosi da terra nella sua parte centrale e quindi la sua costante elastica è maggiore. Poiché la costante elastica k è maggiore ed il peso del veicolo è rimasto invariato, allora il pneumatico si sarà deformato di meno.

Ovviamente la forza elastica generata dal pneumatico non è k*x, ma per fissare le idee tale ipotesi può andar bene lo stesso.

Manca un tassello (o forse non l'ho letto io) nell'analisi a grandi linee della resistenza al rotolamento (lasciamo un attimo da parte l'attrito volvente che è un'altra questione) che state facendo.

La distribuzione delle forze di contatto ruota-terreno durante il rotolamento ha una forma non simmetrica rispetto al centro del punto di contatto: le forze sono più elevate nella zona di battistrada davanti all'asse ruota e più basse dietro l'asse ruota.

…

Hai fatto bene a ribadirlo: io lo avevo sottointeso ipotizzando, per semplificare le cose, una distribuzione di pressione uniforme ed una superficie di contatto rettangolare. Poi mi sono incartato in una spiegazione inutilmente complicata.

Modificato 25 Gennaio 2012 da EC2277

[Regazzoni]

Ho trovato pure l'immagine della distribuzione della pressione di contatto ruota-terreno. Così è un po' più semplice capire.

Errore mio nel messaggio sopra. Le questioni di attrito e isteresi dei materiali rientrano in questa modellizzazione, perchè sono loro a far diventare asimmetrica la distribuzione.

[Giò]

in ogni caso io direi che nel mondo reale per diminure i consumi è più vantaggioso avere gomme strette gonfiate ad alta pressione

e di diametro tendenzialmente elevato. Casi comuni di questo concetto sono le ruote dei treni come già detto, le ruote delle biciclette da corsa,

e anche le gomme dei prototipi a basso consumo

Solar car tires are typically inflated to 100 PSI (690 kPa) or higher, compared to the approximately 30 PSI (210 kPa) of a conventional automobile. Experiments conducted by the GM Sunraycer team showed that increasing tire inflation pressure can significantly reduce rolling resistance (Carroll 2003).

articolo che spiega tutto

Design Impact » Blog Archive » Extreme Efficiency: Secrets Behind Miserly Solar Cars Part III (Tires)

Tires exhibit both viscous and elastic behavior. Some of the energy is recovered when the rubber springs back into shape after rolling through the contact patch (point 3). Due to the viscous nature of rubber, there is extra resistance to deformation, as well as resistance to returning to its normal shape. The energy used to overcome this extra resistance is converted to heat; bending rubber back and forth makes it heat up (sort of like stirring the honey). Have you ever noticed how tires get warm after driving? The energy that warms your tires is energy lost. How can we minimize this lost energy (and reduce rolling resistance)? There are three main approaches:

Reduce tire deformation: if tire rubber is deformed less, then less energy will be consumed. This can be accomplished by increasing tire pressure (one important reason to make sure your tires are inflated properly). It’s important not to over-inflate tires, however, as this could degrade handling and ride quality, compromise safety, and accelerate tire wear. Tire deformation can also be reduced by adjusting tire design, that is, changing its shape and what it’s made of.

Reduce how much tire is deformed: narrower tires and tires with thinner tread have less rubber that moves in and out of the contact patch, reducing how much energy is lost from tire deformation. There are tradeoffs, however. Narrow tires may not handle as well, and thinner tread reduces durability.

Reduce rubber ‘viscosity’: using a harder rubber compound can help shift tire behavior closer to purely elastic, meaning that a greater proportion of energy that goes into deforming rubber is elastically recovered. Again, there is a tradeoff. Harder rubber compounds may not grip the road as well as softer compounds.

Some tire manufactures have created tire specifically for solar cars, with emphasis on ultra-low rolling resistance. Solar car tires are thin, high-pressure tires with hard rubber compounds. They have rolling resistance coefficients as low as 0.0025, whereas high efficiency passenger car tires have coefficients near 0.006, and typical passenger car and light truck tires have coefficients much higher than that. To give you a sense of the legendary efficiency of solar car tires, I was contacted by engineers interested in using solar car tires on bicycles they were developing for breaking human-powered speed records. Solar car tires are more efficient than racing bicycle tires.

[jeby]

Ho trovato pure l'immagine della distribuzione della pressione di contatto ruota-terreno. Così è un po' più semplice capire.

Errore mio nel messaggio sopra. Le questioni di attrito e isteresi dei materiali rientrano in questa modellizzazione, perchè sono loro a far diventare asimmetrica la distribuzione.

uuummh... questo sopra *è* l'attrito volvente.

Poi c'è un'altra cosa: spendi energia a comprimere la ruota, e non la riottieni con l'estensione della zona precedentemente compressa per via della dissipazione (in calore) dovuta alla gomma.

Mi sa che sono due effetti diversi...

[Guest EC2277]

in ogni caso io direi che nel mondo reale per diminure i consumi è più vantaggioso avere gomme strette gonfiate ad alta pressione

e di diametro tendenzialmente elevato. Casi comuni di questo concetto sono le ruote dei treni come già detto, le ruote delle biciclette da corsa,

e anche le gomme dei prototipi a basso consumo

…

Le gomme strette e gonfiate ad altra pressione deformano il battistrada riducendo la superficie di contatto. Ciò nuoce alla tenuta di strada, alla trazione ed alla direzionalità dei veicoli.

Le ruote delle biciclette da corsa non sono l'esempio adatto poiché, come ho già spiegato, sono gonfiate a quelle pressioni per ridurre l'affaticamento del ciclista. Infatti sono talmente rigide da essere improponibili sulle biciclette da passeggio.

Le ruote dei treni sono dei dischi d'acciaio con una corona di ghisa e quindi rigide.

Le ruote dei prototipi a basso consumo sono realizzate specificamente per tale tipologia di veicoli e sono concettualmente simili alle ruote delle bici da corsa. Percui sono anch'esse improponibili sui veicoli stradali.

Inoltre aumentando il diametro della ruota ne aumenti l'inerzia, percui avrai un maggior consumo di carburante in accelerazione e dei freni in frenata. Sui veicoli a basso consumo vanno bene poiché sono ruote ultra-leggere,montate su veicoli altrettanto leggeri. Ma nelle vetture di serie rischieresti di frantumarle alla prima buca.

uuummh... questo sopra *è* l'attrito volvente.

Poi c'è un'altra cosa: spendi energia a comprimere la ruota, e non la riottieni con l'estensione della zona precedentemente compressa per via della dissipazione (in calore) dovuta alla gomma.

Mi sa che sono due effetti diversi...

Diciamo che nei pneumatici è bene tener distinto l'effetto dissipatorio, dovuto ai cicli di deformazione del pneumatico stesso, dall'effetto di attrito dovuto allo sfregamento del battistrada con l'asfalto, poiché sono effetti che interessano fenomeni fisici totalmente diversi.

Voglio fare un sondaggio: quanti autopareristi si sarebbero aspettati, che il semplice studio delle perdite dovute al rotolamento delle ruote fosse così incasinato?

Modificato 25 Gennaio 2012 da EC2277

[Regazzoni]

Voglio fare un sondaggio: quanti autopareristi si sarebbero aspettati, che il semplice studio delle perdite dovute al rotolamento delle ruote fosse così incasinato?

Guarda, non faccio testo per il sondaggio perchè ho avuto la mia bella dose di scorrimenti, derive... Pacejka...

... ma qualche ora fa ho ripreso in mano il "sacro" Morelli per tirare assieme una descrizione sintetica, ma completa della questione della resistenza al rotolamento & c.

Aperto il libro al capitolo corrispondente... mi sono messo le mani tra i capelli (quelli rimasti) dalla marea di formule in ballo, ho richiuso e ci ho rinunciato.

Il pneumatico è in assoluto l'elemento singolo del veicolo più complesso e dallo studio più complesso. :)s

Modificato 25 Gennaio 2012 da Regazzoni

[J-Gian]

Voglio fare un sondaggio: quanti autopareristi si sarebbero aspettati, che il semplice studio delle perdite dovute al rotolamento delle ruote fosse così incasinato?

[Guest EC2277]

Vi rispondo con uno scambio di battute che c'è stato tra un mio professore ed un ingegnere della Pirelli.

Il mio Professore: «Di preciso com'è che i pneumatici scaricano a terra il peso dell'auto?»

L'ingegnere: «Non lo sappiamo.»

Ed io che ho scelto di fare ingegneria; con specializzazione in autoveicoli.

[J-Gian]