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TECNICA, Vesevo: capire le gomme in F.1 e MotoGP sparandogli con una pistola

Flavio Farroni, CEO e co-founder di MegaRide, descrive l'attuale diffusione nel motorsport del dispositivo in grado di predire il comportamento delle gomme in pista. L'applicazione del dispositivo non si limita all'ambito racing

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Per determinare le proprietà viscoelastiche di un pneumatico solitamente si fa ricorso all’ Analisi Meccanica Dinamica che necessità di provini di materiale da testare su specifici macchinari. Oltre ai costi delle attrezzature e del materiale di scarto, c’è il problema del contingentamento degli pneumatici a disposizione delle squadre nel motorsport. Pertanto non è possibile ‘sacrificare’ gomme in cerca della miglior soluzione. Per ovviare a questo problema MegaRide ha ideato e brevettato la sua innovativa ‘pistola’ VESevo, che vi abbiamo già presentato poche settimane fa.

L’ANALISI SPERIMENTALE

VESevo è un dispositivo portatile che basa il suo funzionamento su test non-distruttivi. Attraverso un’analisi sperimentale è in grado di determinare in tempo reale le proprietà viscoelastiche delle mescole in funzione delle condizione operative. La correlazione di questi dati, con quelli rilevabili grazie ai sensori normalmente a bordo dei veicoli da gara, permette di avere a disposizione informazioni aggiuntive per stabilire la miglior strategia di gara.Prima di arrivare alla forma definitiva a ‘pistola’, nella fase di sperimentazione si è utilizzato un dispositivo commerciale composto da un’asta, precaricata da una molla, che colpisce perpendicolarmente la superficie dello pneumatico. L’entità dello spostamento dell’asta viene misurata con un trasduttore lineare. Il segnale di uscita, campionato in un intervallo temporale di 0,1 secondi, viene poi acquisito dalla centralina di controllo e gestito attraverso un software proprietario in ambiente LabVIEW. Per la corretta determinazione delle proprietà viscoelastiche della mescola è importante conoscere i parametri del misuratore: la massa del penetratore e la rigidezza della molla.

COME LEGGERE IL SEGNALE D'USCITA

Il tipico segnale di uscita, con una frequenza di acquisizione di 10kHz, può essere suddiviso in tre fasi: la prima – individuata dal punto di minimo della curva che rappresenta l’impatto dell’asta sulla superficie dello pneumatico; la secondatransitoria, in cui l’asta rimbalza fino al punto di massimo a cui seguono altri rimbalzi di minore entità; la terzastabilizzata, in cui è caratterizzata da un determinato valore dello spostamento. Per determinare le proprietà del materiale sono molto importanti due coefficienti: Cm indica la differenza tra il valore minimo dello spostamento con quello a regime, Cp rappresenta la differenza tra il minimo ed il massimo valore dello spostamento.
Una delle variabili che influisce maggiormente sulle performance in pista, in particolare degli pneumatici è la temperatura. Pertanto l’analisi sperimentale dei tecnici di Megaride si è concentrata nello studio del comportamento della medesima mescola (senza degrado) a diverse temperature di esercizio. Per avere una quantità di dati sufficiente ai fini statistici, ogni misurazione viene eseguita tre volte. Il tempo necessario tra una acquisizione e la successiva è di 2,5 secondi, l’intervallo di misurazione del dispositivo è da -30°C a 130°C. Osservando il grafico si nota che al crescere delle temperatura della gomma aumenta sia il numero che l’ampiezza dei rimbalzi. A maggior temperatura la fase a regime della curva verrà raggiunta in ritardo. Questo comportamento dipende dall’influenza della temperatura sul comportamento viscoelastico del materiale. Inoltre si nota che al crescere della temperatura il picco del fattore di predita si sposta verso frequenze maggiori. Osservando i grafici si osserva che il fattore di perdita diminuisce nell’intervallo 200 Hz – 4000 Hz. Il valore dell’intervallo delle frequenze dipende dalla temperatura della superficie del battistrada e in particolare la più alta dissipazione di energia di deformazione è concentrata nell’intervallo di temperatura da -15°C a 15°C. Per riservatezza industriale i valori del fattore di perdita sono stati normalizzati ma sembrano in accordo all’andamento di Cp in funzione della temperatura che mostra un incremento da 35°C. Il valore di Cp, come anticipato, rappresenta un ottimo indicatore delle proprietà viscoelastiche delle gomme.

Figura sinistra: curve del fattore di perdita a differenti temparature; Figura destra: valori di Cp in funzione della temperatura.

       

L’INFLUENZA DELLA TEMPERATURA SU 4 DIVERSE MESCOLE

Volendo effettuare un’ulteriore analisi è possibile comparare la velocità dell’asta prima e dopo l’impatto con il battistrada. Come osservabile dal grafico, la velocità di caduta è poco influenzata dalla diversa temperatura ma dipenderà prevalentemente dalla posizione di parenza. Il comportamento viscoelastico risulta evidente invece nella fase di rimbalzo infatti la velocità aumenta con l’aumentare della temperatura.

Riportando graficamente il rapporto tra la velocità prima del rimbalzo, Vin, con la velocità post rimbalzo, Vout, si ritrova una concentrazione di valori più alti in corrispondenza dell’intervallo di temperatura tra -15°C e 15°C, in analogia all’andamento di perdita di energia per isteresi del materiale già riscontrato in precedenza. Confrontando la mescola di riferimento A con altre tre, si nota che la mescola D ha un comportamento isteretico leggermente superiore rispetto alla stessa A e C, mentre B risulta meno smorzante raggiungendo il picco ad una temperatura inferiore che rappresenta la temperatura di transizione vetrosa. Al di sotto di tale valore il materiale si comporta come un solido vetroso, al di sopra prevale quello gommoso. Per verificare la veridicità dei dati raccolti si è confrontata la curva gaussiana con i valori normalizzati del fattore di perdita. Si nota la correlazione dei picchi tra i due grafici ma a temperature differenti. Questo è dovuto alla diversa frequenza di campionamento dei due grafici.

Anche l’andamento dei coefficienti Cp per le varie mescole restituisce una corretta identificazione della temperatura vetrosa del materiale. Quindi entrambi i parametri, il rapporto di velocità e il coefficiente Cp, mostrano dati ben correlati con il fattore di perdita. Questo consente l’individuazione della temperatura di transizione vetrosa ossia l’individuazione dell’intervallo di temperatura di miglior utilizzo per la mescola.

NON SOLO MOTORSPORT: USURA ED INVECCHIAMENTO 

Le applicazioni del dispositivo VESevo possono essere ampliate anche in ambito non prettamente sportivo. Megaride, utilizzando la medesima procedura appena descritta, ha messo a confronto pneumatici da camion nuovi con altri invecchiati o usurati.
Confrontando uno nuovo con uno analogo non usurato ma che ha tre anni, emerge uno scostamento significativo tra le due curve solamente a temperature inferiori a 0°C a causa degli effetti dell’invecchiamento. Inserendo anche la curva riferita a un pneumatico di due anni si osserva come l'invecchiamento causi un innalzamento della temperatura di transizione vetrosa.

Atra prova è stata effettuata confrontando un pneumatico nuovo con uno usurato e con uno sottoposto a stress termico di 23 giorni ad un temperatura di 90°C. I risultati mostrano un lieve scostamento tra le tre curve agli estremi dell’intervallo termico di riferimento. Il rapporto di velocità del pneumatico usurato si stabilizza intorno ad un valore più elevato. Pertanto VESevo può risultare molto utile per monitorare sia l’usura che l’invecchiamento delle gomme. Oltre alla distanza percorsa e al DOT delle coperture è possibile avvalersi di dati sperimentali per verificare le prestazioni residue di una gomma. L' ausilio in ambito di sicurezza stradale è evidente, ma è possibile sfruttare questi dati per impostare una strategia di contenimento dei costi da parte di aziende che gestiscono ampie flotte di veicoli. La sostituzione degli pneumatici sarà verificata da dati empirici e non solo teorici. 

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