Grip – Etichetta europea pneumatici

aquaplaning
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Nel post precedente abbiamo approfondito alcuni aspetti che influenzano la resistenza al rotolamento dello pneumatico, che si riflette direttamente sui consumi della nostra auto.

Gli stessi meccanismi alla base di questo fenomeno sono strettamente legati anche alla capacità dello pneumatico di generare grip, sebbene la loro influenza vada in direzioni opposte nei due casi; quindi uno pneumatico con più isteresi avrà una maggiore resistenza al rotolamento ma un grip più elevato, come vedremo in questo post. Una precisazione: sull’etichetta europea degli pneumatici si fa riferimento al grip su asfalto bagnato.

Come nasce il grip?

Come già detto, nel post precedente sui consumi abbiamo descritto il fenomeno dell’isteresi. Essendo una delle principali cause del grip potrebbe essere utile ripassarlo prima di procedere, evitando di descriverlo nuovamente qui.

Il grip è generato da tre contributi:

  • Deformazione locale;
  • Adesione;
  • Lacerazione.
grip tire

I contributi

Isoliamo il primo contributo: immaginiamo di fare scorrere un blocchetto di gomma su una superficie perfettamente lubrificata con un certo grado di rugosità. Se potessimo vedere con una lente d’ingrandimento l’interazione tra gomma e superficie vedremmo l’immagine nel riquadro “deformation“, noto anche come “indentation”. Notiamo che a causa dell’isteresi della gomma la distribuzione di pressione attorno all’ostacolo non è simmetrica, per cui nasce una forza netta che si oppone all’avanzamento del blocchetto. É immediato il legame con la resistenza al rotolamento: se aumenta l’isteresi aumentano entrambi i contributi.

Isoliamo adesso il secondo contributo: immaginiamo di fare scorrere lo stesso blocchetto su una superficie perfettamente asciutta e liscia. Questa volta non basterebbe la lente d’ingrandimento per vedere cosa succede, perché il contributo al grip dato dall’adesione nasce dalle forze d’interazione tra le molecole della gomma e quelle della superficie di scorrimento, note come forze di Van der Waals. Queste forze hanno la stessa natura di quelle che tengono legate le molecole di un corpo solido ma hanno una intensità molto minore, contribuendo però in modo significativo alla generazione del grip.

L’ultimo contributo non sempre viene evidenziato. Probabilmente ha un peso non trascurabile negli pneumatici da competizione, nei quali la deformazione eccessiva di piccole porzioni di mescola battistrada e la loro lacerazione genera una dissipazione di energia aggiuntiva che contribuisce ad aumentare il grip.

Cosa influenza il grip?

Sono diversi i fattori che influenzano il grip degli pneumatici della nostra auto, quindi non esiste un unico valore di aderenza. Elenchiamo brevemente i principali:

Temperatura

La struttura molecolare della mescola battistrada può trovarsi in due stati: vetroso, se tende a comportarsi come il vetro appunto, cioè la mescola è più rigida e fragile; oppure amorfo, stato associato ad una mescola più flessibile e morbida. Come possiamo intuire a basse temperature la mescola si avvicina allo stato vetroso, alle alte si avvicina a quello amorfo. C’è una grande differenza nelle proprietà meccaniche dei due stati e questa transizione avviene in un range di temperature ristretto, all’interno del quale lo pneumatico sviluppa il massimo grip (e quindi la massima isteresi). Da ciò possiamo intuire perchè non è consigliabile utilizzare uno pneumatico invernale in estate (si consumerebbe più rapidamente di uno estivo) e perchè non uno estivo per temperature molto rigide (avrebbe poco grip rispetto a quello che potrebbe sviluppare e per cui è stato progettato).

Frequenza

Qui il fenomeno si riesce a visualizzare meno chiaramente. Esiste però una relazione matematica con la temperatura che possiamo sfruttare, infatti a parità di temperatura se la frequenza di sollecitazione aumenta lo stato della mescola è più spostato verso quello vetroso e viceversa.

Tipologia di asfalto

La rugosità dell’asfalto, suddivisa in macro e micro, influenza il modo in cui la mescola si inserisce tra le piccole asperità, determinando diversi livelli di grip. Anche le condizioni di asfalto perfettamente asciutto o bagnato determina diversi livelli di adesione, come abbiamo già visto.

E sul bagnato?

La capacità dello pneumatico di avere grip sul bagnato risiede principalmente nella capacità della fascia battistrada di drenare nel miglior modo possibile l’acqua in modo da offrire un contatto dei tasselli con l’asfalto asciutto, permettendo di sfruttare ancora le forze di adesione.

Quando percorriamo una strada con asfalto bagnato lo pneumatico spinge in avanti l’acqua depositata sull’asfalto. Si forma inizialmente un piccolo “muro” d’acqua che contrasta l’avanzamento dello pneumatico generando una certa pressione su di esso proporzionale alla velocità di avanzamento. Se questa pressione è pari o superiore a circa la pressione di gonfiaggio dello pneumatico questo tende ad essere sollevato, generando il fenomeno dell’acquaplaning.

Incrementare il grip sul bagnato

Ridurre questo rischio significa innalzare la velocità oltre la quale si verifica questo fenomeno, utilizzando diversi metodi di progettazione del battistrada.

Un primo accorgimento è quello di far si che l’impronta a terra sia ovale e non rettangolare, in modo da poter drenare più facilmente il “muro” d’acqua; proprio in questa fase intervengono i canali di drenaggio secondari, inclinati o trasversali rispetto alla direzione di marcia, che indirizzano rapidamente l’acqua verso l’esterno.

L’acqua che riesce a superare questa prima prova deve fare i conti con i blocchetti battistrada e i canali di drenaggio principali che lavorano in sinergia: i blocchetti infatti premendo contro l’asfalto forzano l’acqua ad andare verso i canali principali. Le dimensioni dei blocchetti devono essere il corretto compromesso tra la capacità di espellere l’acqua e quella di garantire una sufficiente rigidezza. Inoltre il ruolo dei loro bordi è molto importante in quanto consente di vincere la tensione superficiale delle piccole gocce d’acqua, garantendo il contatto con il suolo il più asciutto possibile.

La normativa suddivide l’efficienza dello pneumatico sul bagnato in 7 classi, dalla G (la peggiore) alla A (la migliore). Indicativamente tra l’ultima classe e la prima lo spazio di frenata si riduce fino a l 30%.

Concludendo

Concludendo forse conviene fare un po’ di attenzione al messaggio che vuole comunicarci l’etichetta, evitando di risparmiare troppo sull’acquisto di nuovi pneumatici, mettendo al primo posto sempre alla sicurezza. Considerate che tutte le forze che agiscono sulla vostra auto passano dal suolo attraverso i vostri pneumatici; a volte qualche centimetro in meno nello spazio di frenata può fare la differenza tra essere coinvolti in un incidente o prendersi solo uno spavento.

TPMS

TPMS

TPMS, acronimo di Tire Pressure Monitoring System è un sistema di controllo della pressione degli pneumatici che è ormai ampiamente utilizzato nelle auto di serie, anche in quelle di fascia media. Ma come funzionano? Quali sono le tipolgie e le differenze?

Pressione degli pneumatici e tenuta di strada

Prima di parlare del sistema, perchè è importante monitorare la pressione degli pneumatici? Semplice…è una questione principalmente di sicurezza. Ma quali sono i meccanismi che incidono sulla sicurezza?

Rispetto ad una condizione ideale di riferimento, uno pneumatico gonfiato ad una pressione eccessiva ha una superficie di contatto con il suolo (impronta a terra) ridotta. Gli effetti principali di questa condizione sono una riduzione di grip ed una usura nel tempo irregolare, maggiore al centro dello pneumatico e minore all’esterno. Ne risente anche il confort di marcia perchè aumenta la rigidezza verticale dello pneumatico. Si percepisce il volante più “leggero” perchè diminuisce il momento di autoallineamento, cioè quel momento che nasce dallo scambio di forze a terra tra pneumatico e suolo e che in condizioni di normale aderenza si oppone alla coppia applicata al volante.

Al contrario una pressione troppo bassa porta comunque ad una riduzione di impronta a terra riducendo il grip e ad una usura irregolare, maggiore verso l’esterno e minore verso il centro. La trasmissione delle vibrazioni all’abitacolo diminuisce perchè si riduce la rigidezza verticale, ma aumentando l’ampiezza delle deformazioni lo pneumatico si scalda di più, aumentando la possibilità che si danneggi. In entrambi casi cambia anche la rigidezza di deriva, che in questo caso diminuisce, per cui lo pneumatico tende a generare meno forza laterale.

La perdita di pressione

Lo pneumatico può perdere pressione principalmente in due modi:

  • Urto/foratura o anomalia di una valvola: questi due casi comportano una rapida riduzione di pressione e sono i più pericolosi
  • Diffusione: le molecole d’aria permeano attraverso lo pneumatico e la pressione interna si riduce lentamente. Questo è il motivo per cui le case automobilistiche consigliano un controllo periodico della pressione. Nella fascia più interna dello pneumatico viene integrato uno strato chiamato inner liner la cui funzione è proprio quella di ridurre al minimo la diffusione.

Tipologie di TPMS

Esistono essenzialmente due tipologie di TPMS in commercio, differenziate l’una dall’altra dall’accuratezza e quindi dal costo differente: sistema diretto e indiretto.

 1. Sistema diretto

E’ un impianto vero e proprio installato in vettura. E’ costituito da sensori montati nel cerchio al posto delle valvole (immagine seguente) che emettono i segnali contenenti informazioni di pressione e a volte anche temperatura a un ricevitore. Questi segnali sono ricevuti da una o più antenne che inviano il tutto ad una Electronic Control Unit che li elabora.

Valvola TPMS

Questo sistema è in grado di rilevare non solo se la pressione nello pneumatico è troppa o troppo poca rispetto ad un valore di riferimento, ma indica su quale ruota è presente l’anomalia e qual’è il valore della pressione ed eventualmente della temperatura di ciascun pneumatico.

L’algoritmo che elabora i segnali in centralina tiene conto di tutte quelle condizioni al contorno che variano la pressione interna allo pneumatico ma che comunque rientrano nella normalità, come ad esempio l’incremento o la riduzione di carico verticale sulla ruota, causato dai trasferimenti di carico in accelerazione, frenata o in curva.

Per avere sempre una corretta pressione di riferimento, questa deve attivata manualmente. Quando ad esempio si cambia la pressione o si cambiano gli pneumatici il sistema deve essere azzerato mediante l’apposito pulsante, che una volta attivato inizializza la fase di apprendimento. In questa fase i sensori si mettono in “ascolto” e iniziano a registrare la pressione in un intervallo temporale, considerando quei valori come il riferimento. Essendo una strumentazione molto sensibile, deve essere inizializzata correttamente in modo da evitare falsi allarmi.

Tra i vantaggi troviamo sicuramente l’accuratezza di misura, la possibilità di leggere i valori di pressione ed eventualmente anche la temperatura.

Tra gli svantaggi c’è il costo maggiore rispetto al sistema indiretto, giustificato dalla necessità di sviluppare un sistema hardware e software ad hoc, la possibilità che qualche componente hardware si rompa, soprattutto i sensori durante il cambio gomme, e la presenza di una batteria nei sensori che ha una sua vita finita.

 2. Sistema indiretto

Questo TPMS non necessita di componenti aggiuntivi installati in vettura, ma la sua logica di controllo sfrutta i sensori già presenti nel veicolo, principalmente i sensori di velocità angolari ruota già utilizzati dall’ ABS.

Possiamo già individuare il primo vantaggio, cioè la riduzione del costo grazie all’assenza di parti aggiuntive da installare, calibrare, programmare. Lo svantaggio lo troviamo nel titolo del paragrafo: essendo un metodo indiretto non misura la pressione ma la stima, anzi, stima la differenza tra un valore di riferimento e un valore limite, in alto o in basso, di pressione.

Principio di funzionamento

Immaginiamo di percorrere un rettilineo con la nostra auto che monta 4 ruote uguali. Con le 4 pressioni uguali la velocità lineare di ogni ruota, calcolata come prodotto tra la velocità angolare $\omega$ e il raggio di rotolamento, deve essere uguale a quella delle altre e quindi a quella del veicolo. Se una di queste è sgonfia, per avere la stessa velocità lineare a quella del veicolo deve ruotare ad una $\omega$ maggiore. Il TPMS rileva che quest’ultima è maggiore delle altre, “comprende” che il suo raggio di rotolamento è diminuito a causa di una riduzione di pressione, segnalando il problema.

Come al solito il funzionamento reale non è così semplice. La misura del raggio di rotolamento è influenzata da parecchi fattori, tra cui:

  • Trasferimenti di carico longitudinali e laterali;
  • Una diversa distribuzione dei carichi verticali sulle quattro ruote quando la nostra auto è piena perchè stiamo andando in vacanza;
  • La sola percorrenza di una curva per cui le ruote hanno una diversa velocità angolare;
  • Le alte velocità che tendono a deformare lo pneumatico.
  • Differente usura di uno pneumatico rispetto ad un altro.

La ECU dunque deve valutare tutte queste variabili per evitare di fornire falsi allarmi.

Anche in questo caso ogni volta che si sostituiscono gli pneumatici, si regolano le pressioni, o si eseguono altre operazioni il sistema dovrebbe essere resettato ed inizializzato alle nuove pressioni di riferimento.

Un altro svantaggio sta nel fatto che il messaggio di allarme è molto generico, non viene segnalata nè la pressione, nè in alcuni casi neanche la ruota interessata, il sistema indica semplicemente che c’è un’anomalia, come nell’immagine seguente.

Spia warning TPMS

Esistono dei TPMS indiretti che permettono di stimare la riduzione di pressione causata dalla diffusione. Mediante l’analisi in frequenza delle oscillazioni della carcassa dello pneumatico, legata alla sua rigidezza e quindi alla pressione di gonfiaggio, riescono a stimare il lento sgonfiaggio avvertendoci anche in questo caso.

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