ES2207664T3 - Neumatico que tiene optimas caracteristicas para el confort de un viaje de un vehiculo, estando representado el neumatico por los parametros de un modelo de neumatico equivalente. - Google Patents

Abstract

SE PRESENTA UN NEUMATICO (70) PARA UN VEHICULO, QUE ES REPRESENTABLE POR UN MODELO DE NEUMATICO DE ANILLO RIGIDO DINAMICO (1) CON PARAMETROS CONCENTRADOS, QUE TIENE CARACTERISTICAS DE CONSTRUCCION QUE SON SUBSTANCIALMENTE EQUIVALENTES A LOS PARAMETROS CONCENTRADOS QUE CAEN DENTRO DE LOS SIGUIENTES INTERVALOS QUE SE CORRESPONDEN CON LOS INDICES PRESELECCIONADOS DE CONFOR: RB = 100-300 (NS/M); RBT = 2-40 (NMS/RAD); RCZ = 100-350 (NS/M); RCT = 10-90 (NMS/RAD); CKX = 18000-70000 (N). EN DONDE RB ES LA AMORTIGUACION DE BASE RADIAL DEL MODELO DE NEUMATICO DINAMICO (1); RBT ES LA AMORTIGUACION DE BASE TORSIONAL DEL MODELO DE NEUMATICO DINAMICO (1); RCZ ES UNA AMORTIGUACION RADIAL RESIDUAL DEL MODELO DE NEUMATICO DINAMICO (1); RCT ES UNA AMORTIGUACION TORSIONAL RESIDUAL DEL MODELO DE NEUMATICO DINAMICO (1); Y CKX ES UNA RIGIDEZ DE DESLIZAMIENTO DE UN MODELO DE FROTAMIENTO DE LA BANDA DE RODADURA (71).

Description

Neumático que tiene óptimas características para el confort de un viaje de un vehículo, estando representado el neumático por los parámetros de un modelo de neumático equivalente.

La presente invención se refiere a un neumático que tiene óptimas características para el confort de viaje de un vehículo.

El neumático es el elemento a través del cual la carretera y el vehículo intercambian fuerzas; el interés, sin embargo, es todo para las fuerzas que se transmiten por la carretera al vehículo, porque éstas influencian en el confort de viaje de los pasajeros.

Si una estructura es infinitamente rígidas, las fuerzas se transmiten directamente, sin ninguna atenuación; pero si la estructura es elástica y está provista de amortiguaciones, estructurales o concentradas, las fuerzas transmitidas se pueden atenuar, o, por otro lado, amplificar, debido al efecto de las resonancias. El neumático es un cuerpo viscoelástico y, como todos los cuerpos viscoelásticos, vibra cuando se excita (mediante fuerzas o mediante deformaciones). Por lo tanto, se puede decir que las vibraciones que sienten los pasajeros en el interior de un vehículo están influenciadas o generadas por el neumático.

De esta manera, en los vehículos se hace un intento para atenuar lo máximo posible las fuerzas transmitidas por la carretera o por el motor, y esto significa reducir las vibraciones generadas durante el funcionamiento del vehículo. Para atenuar estas vibraciones, se optimizan las suspensiones del vehículo (esto se hace hoy en la dirección vertical), o se optimiza el rendimiento de confort del neumático (especialmente en la dirección longitudinal y lateral). El problema no es simple de resolver porque un neumático que se ha optimizado para el confort no lo es necesariamente para todos los otros aspectos requeridos del neumático, tal como la capacidad de conducción, seguridad, desgaste, etc. Por lo tanto, frecuentemente, dependiendo del vehículo, el fabricante del vehículo selecciona el neumático que es un correcto compromiso entre todos los rendimientos requeridos, de manera que solicitará al fabricante del neumático un producto que esté lo más próximo posible a sus requerimientos. Si un vehículo ha destacado fenómenos de vibraciones en la dirección lateral, se requerirá un neumático que optimice el confort en esa dirección, incluso si se pierde algo en el agarre a la carretera.

El análisis del fenómeno de vibración de un vehículo es, de esta manera, importante para alguien que quiera optimizar su confort de viaje a través de los neumáticos.

Hasta ahora, este análisis se realiza a través de algunas pruebas experimentales y a través de simulaciones con modelos matemáticos y físicos del neumático + vehículo + excitación de la carretera. En general, los modelos conocidos tienen dos objetivos principales: análisis de los fenómenos físicos a examen y predicción de los resultados experimentales para reducir a un mínimo las pruebas experimentales que requieren una gran cantidad de tiempo y un equipo caro.

Para los fabricantes de neumáticos, los modelos que son interesantes no son solamente los del neumático, sino también los del vehículo y de la excitación de la carretera. Esto hace la tarea del diseñador del neumático considerablemente compleja e le insta a observar los indicadores de confort que simplifican o sintetizan el comportamiento del neumático sobre el vehículo. Los índices de confort de un vehículo, desde el punto de vista del neumático, pueden ser las fuerzas en el cubo de la rueda del vehículo, en el sentido que cuanto menores son las amplitudes de las fuerzas transmitidas al cubo por el neumático, mayor es el confort del vehículo. Este principio, sin embargo, no es absoluto, sino relativo para el vehículo; en otras palabras, si un neumático genera grandes fuerzas en el cubo de un vehículo, no necesariamente el mismo neumático genera grandes fuerzas en el cubo de otro vehículo, y viceversa. La explicación de esto es debida al hecho de que el neumático, que ya es un sistema dinámico complejo, se inserta en otro sistema incluso más complejo, tal como el vehículo; de esta manera, los fenómenos dinámicos de los dos sistemas, vehículo y neumático, interactúan entre sí.

P.W.A. Zegelear y otros en "Tyre Models for the Study of In-Plane Dynamics, the Dynamics of Vehicle on Roads and on Tracks, Suplemento de Vehicle System Dynamics, Volumen 23, 1994" describe un modelo de neumático dinámico en el plano. El neumático, en un rango de frecuencias de 0 a 130 Hz, se aproxima mediante un modelo que consiste en un anillo rígido que representa la banda de rodadura, un disco que representa el conjunto de la llanta y la porción del neumático que consiste en los talones y los resortes radiales y tangenciales, distribuidos circunferencialmente, que conectan el anillo rígido al disco y representa el flanco del neumático y el aire bajo presión en el interior del neumático. El modelo también comprende resortes adicionales (rigideces residuales) que tienen en cuenta deformaciones en la zona de contacto entre el neumático y la carretera y un modelo de cepillo que tiene en cuenta el deslizamiento bajo el área de contacto.

El modelo conocido considera que la rueda tiene cuatro grados de libertad, dos traslatorios x y z, en una dirección longitudinal y vertical, y dos giratorios theta (\vartheta1 y \vartheta 2) alrededor de un eje transversal y. Además, hipotetiza que las variaciones en la velocidad de rotación de la rueda son pequeñas, de manera que las ecuaciones de movimiento del modelo se pueden linealizar. Los cuatro grados de libertad de la rueda permiten la aplicación del modelo conocido para el estudio de la capacidad de transmisión de las vibraciones del neumático en una dirección longitudinal x y en una dirección vertical z y en una dirección giratoria theta. A partir de las ecuaciones de movimiento del modelo de anillo, se obtiene una matriz de transferencia que describe la relación de entrada-salida entre los desplazamientos y las fuerzas. Analizando algunas funciones de transferencia bajo diferentes condiciones, se identifican mediante cálculo los modos principales en los que el neumático vibra.

Para determinar los parámetros concentrados (conjuntos) del modelo conocido correspondiente a un neumático bajo examen, se usa una técnica de análisis modal y una técnica de medición directa de las propiedades físicas.

La técnica del análisis modal es muy cara, mientras que la técnica de medición directa se usa para tomar mediciones de un tipo estático sobre el neumático. Esto proporciona una diferencia entre los valores de las frecuencias naturales calculadas y los de las frecuencias experimentales, tal como se ha observado por parte de los propios autores. De esta manera, este modelo de neumático dinámico proporciona resultados, en términos de frecuencias naturales, que no corresponden a los medidos experimentalmente.

Una mejora del modelo de neumático dinámico de anillo rígido se describe en una solicitud de patente italiana presentada en mismo día a nombre del mismo solicitante con el título "Procedimiento de control para determinar el nivel de confort de un neumático de una rueda, para un vehículo".

Este nuevo moldeo presenta algunas peculiaridades que no se encuentran en el modelo de P.W.A. Zegelaar y otros. Estas son a) parámetros concentrados que consisten en amortiguaciones, b) la identificación paramétrica de parámetros concentrados seleccionador mediante la determinación de cuatro curvas de frecuencia natural y de cuatro curvas de amortiguación, obtenidas mediante cálculo y experimentalmente, y c) el uso de una prueba para pasar sobre un obstáculo del neumático bajo examen para obtener las curvas experimentales.

A partir de la comparación de los valores de los parámetros concentrados obtenidos de esta manera con los rangos de los valores de las amortiguaciones y rigideces correspondientes a índices preseleccionados de confort, se alcanza la aprobación para los neumáticos en los que los parámetros concentrados están incluidos dentro de intervalos predeterminados.

El objetivo de la presente invención es un neumático que tiene óptimas características para el confort durante el viaje de un vehículo.

El objetivo anterior mencionado se consigue, según la invención, con un neumático para una rueda de un vehículo, que comprende una banda de rodadura, laterales, flancos, talones provistos de núcleos y rellenos de talón, una carcasa y una estructura de cintura que comprende telas de cintura, donde dicho neumático se puede representar mediante un modelo de neumático dinámico de anillo rígido con parámetros concentrados, caracterizado por el hecho de que tiene características de construcción que son substancialmente equivalentes a los parámetros concentrados que, medidos bajo cada carga vertical que varía entre 200 kg y 650 kg, están incluidos dentro de los siguientes intervalos correspondientes a índices de confort preseleccionados:

rb = 100-300 (Ns/m)

rbt = 2-40 (Nms/rad)

rcz = 100-350 (Ns/m)

rct = 10-90 (Nms/rad)

Ckx = 18.000-70.000 (N),

donde rb es la amortiguación de fundación radial de dicho modelo de neumático dinámico; rbt es una amortización de fundación de torsión de dicho modelo de neumático dinámico; rcz es una amortiguación radial residual de dicho modelo de neumático dinámico; rct es la amortiguación de torsión residual de dicho modelo de neumático dinámico; y Ckx es una rigidez de deslizamiento de un modelo de cepillo de dicha banda de rodadura.

Más preferiblemente, los parámetros concentrados citados anteriormente están incluidos dentro de los siguientes intervalos:

rb = 200-300 (Ns/m)

rbt = 20-35 (Nms/rad)

rcz = 100-200 (Ns/m)

rct = 20-80 (Nms/rad)

Ckx = 20.000-70.000 (N).

\newpage

Incluso más preferiblemente, los parámetros concentrados mencionados anteriormente tienen los siguientes valores:

rb = 230-270 (Ns/m)

rbt = 28-32 (Nms/rad)

rcz = 150-160 (Ns/m)

rct = 33-72 (Nms/rad)

Ckx = 23.000-70.000 (N).

Los parámetros de amortiguación y rigidez del modelo están influenciados por las características estructurales del neumático, en particular:

- rb está influenciado por la amortiguación neumática, es decir, mediante el aire bajo presión en el interior, y mediante la amortiguación estructural de los flancos del neumático; no es posible hacer nada desde un punto de vista de diseño a la primera amortiguación, mientras es posible hacer algo a la segunda al nivel de materiales: mezcla, tejidos de caucho y geometría de la sección transversal; por ejemplo, un flanco más "vertical", es decir, rectilíneo es más rígido y, por lo tanto, menos amortiguado que un flanco más redondeado;

- rbt está también influenciado por la amortiguación neumática y por la amortiguación estructural de la carcasa del neumático; esta amortiguación está vinculada a los materiales: mezcla, tejidos de caucho y a la geometría de la sección transversal del neumático; por ejemplo un neumático de altura reducida es torsionalmente más rígido y, por lo tanto, menos amortiguado que uno que no sea tan reducido;

- rcz es una amortización en la dirección vertical vinculada con el área de contacto del neumático; está influenciado esencialmente por el perfil de equilibrio (sección transversal) del neumático;

- rct es una amortiguación en la dirección rotacional vinculada principalmente con la histéresis de la mezcla del neumático;

- Ckx es la rigidez en la dirección longitudinal del área de contacto del neumático y está, esencialmente, vinculada con la mezcla y con el diseño de la banda de rodadura.

Características y ventajas de la invención se representarán ahora con referencia a las realizaciones representadas como ejemplos no limitativos en las figuras adjuntas, en las que:

La figura 1 es una vista parcial en perspectiva de un neumático hecho según la invención, que tiene características de construcción optimizadas para el confort durante el viaje de un vehículo;

La figura 2 muestra un modelo de neumático de anillo rígido usado en un procedimiento para el control de un neumático para una rueda para un vehículo;

La figura 3 es un diagrama de flujo del procedimiento de control citado anteriormente;

Las figuras 4 y 5 muestran la curva de las frecuencias naturales y el porcentaje de amortiguaciones, experimentales y calculadas, en relación con la velocidad de desplazamiento de la rueda, determinada con el procedimiento de control mencionado anteriormente;

La figura 6 muestra esquemáticamente un aparato para una prueba de pasar sobre un obstáculo de la rueda de cubo fijo;

Las figuras 7 y 8 muestra un vibrador de torsión usado para medir la rigidez de fundación de torsión Cbt de la rueda en el procedimiento de control mencionado anteriormente;

Las figuras 9 y 10 son gráficos de una función de transferencia entre las aceleraciones angulares de una llanta y el neumático de la rueda excitada con el vibrador de las figuras 7 y 8;

La figura 11 muestra un péndulo de torsión para medir el momento de inercia Ib del neumático;

La figura 12 muestra esquemáticamente una corredera dinamométrica para una prueba de frenado de la rueda;

La figura 13 es un gráfico que muestra la curva de una función de transferencia entre la fuerza longitudinal y la velocidad de deslizamiento en relación con la frecuencia, observada sobre la rueda sometida a una prueba de frenado con la corredera dinamométrica de la figura 12;

La figura 14 muestra esquemáticamente un dispositivo para una prueba de frenado que se puede usar como una alternativa a la corredera dinamométrica de la figura 12.

Se muestra en la figura 1 un neumático 70 que comprende una banda de rodadura 71, laterales 72, flancos 73, talones 74 que comprenden alambres de talón 76 que consisten en alambres de acero, rellenos de los talones 77, y una banda antiabrasiva 75 y bordes de refuerzo 78, una carcasa 80 que comprende una o más telas de tejido cauchutado 79 dobladas sobre los alambres de talón 76, una estructura de cintura que comprende bandas de tejido cauchutado 81 reforzado con cuerdas atravesadas entre sí en las dos bandas y dispuestas de manera simétrica respecto al plano ecuatorial del neumático y una posible banda de tejido cauchutado 83 en una posición radialmente más externa, provista de cuerdas orientadas circunferencialmente, es decir, a 0º, y un revestimiento interno, impermeable al aire, 82.

El neumático 70 tiene características de construcción substancialmente equivalentes a los parámetros concentrados de un modelo de neumático dinámico de anillo rígido, descrito con detalle más adelante, que están dentro de los siguientes valores correspondientes a los índices seleccionados de confort:

rb = 100-300 (Ns/m)

rbt = 2-40 (Nms/rad)

rcz = 100-350 (Ns/m)

rct = 10-90 (Nms/rad)

Ckx = 18.000-70.000 (N),

donde rb, rbt, rct y Ckx tienen el significado indicado anteriormente.

A través del modelo de neumático dinámico mencionado anteriormente, se determinan cuatro modos de vibración natural del neumático. Para tener un buen confort, las curvas del porcentaje de amortiguaciones del neumático bajo examen están definidas correspondientes a los cuatro modos de vibración que dependen de la velocidad de desplazamiento de la rueda.

Los intervalos numéricos de las amortiguaciones, relacionados con las cuatro frecuencias naturales, en las velocidades de desplazamiento, son los siguientes:

1

2

El porcentaje de amortiguaciones relacionadas con los cuatros modos de vibración del neumático dependen esencialmente de las amortiguaciones estructurales del neumático, representadas físicamente en el modelo mediante las amortiguaciones concentradas, descritas posteriormente.

En particular, en el neumático 70 hecho en el tamaño 225/55 ZR 16, la banda de rodadura 71 está formada por una mezcla que tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 1,6-2,4 MPa

- Dureza (IRHD) = 60-75

- Módulo dinámico E' = 10-11,5 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 5,5-7 MPa

- Histéresis delta tg = 0,55-0,609.

Los laterales 72 están formados por una mezcla que tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 1,2-1,8 MPa

- Dureza (IRHD) = 50-60

- Módulo dinámico E' = 5-6 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 0,8-1,2 MPa

- Histéresis delta tg = 0,16-0,2.

Los flancos 73 están formados por una mezcla que tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 1,2-1,8 MPa

- Dureza (IRHD) = 50-60

- Módulo dinámico E' = 5-6 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 0,8-1,2 MPa

- Histéresis delta tg = 0,16-0,2.

Las bandas antiabrasivas 75 están formadas por una mezcla que tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 4-7 MPa

- Dureza (IRHD) = 75-98

- Módulo dinámico E' = 13-16 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 3-4,5 MPa

- Histéresis delta tg = 0,31-0,281.

Los rellenos del talón 77 están formados por una mezcla que tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 5-7 MPa

- Dureza (IRHD) = 80-100

- Módulo dinámico E' = 68-78 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 14-19 MPa

- Histéresis delta tg = 0,206-0,243.

La mezcla del recubrimiento de caucho de los alambres de acero que constituyen los alambres del talón 76 tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 7,5-10 MPa

- Dureza (IRHD) = 75-90

- Módulo dinámico E' = 13,4-15 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 3,4-4,5 MPa

- Histéresis delta tg = 0,254-0,3.

La mezcla del recubrimiento de caucho de las telas de carcasa 79 tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 3,5-5 MPa

- Dureza (IRHD) = 75-90

- Módulo dinámico E' = 8,0-9,5 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 1,2-1,8 MPa

- Histéresis delta tg = 0,15-0,189.

Las cuerdas de las telas de carcasa 79 son de rayón con un contenido de A/J 1842 dispuesto con unas densidades F iguales a 110-125 cuerdas/dm.

La mezcla del recubrimiento de caucho de las bandas de cintura 81 tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 4-5,5 MPa

- Dureza (IRHD) = 78-90

- Módulo dinámico E' = 10-11,5 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 1,7-2,5 MPa

- Histéresis delta tg = 0,170-0,217;

si las cuerdas están hechas de acero con una formación:

- 2 + 1 x 0,28 Densidad 75-90 cuerdas/dm orientadas según un ángulo de 25º-28º respecto a la dirección circunferencial del neumático.

La mezcla del recubrimiento de caucho de la banda de cintura de cero grados 83 tiene las siguientes características:

- Rigidez CA1 = 3,5-5 MPa

- Dureza (IRHD) = 75-90

- Módulo dinámico E' = 8,0-9,5 MPa

- Módulo de pérdida E'' = 1,2-1,8 MPa

- Histéresis delta tg = 0,15-0,189;

si las cuerdas de refuerzo están hechas de Nylon en espiral en una dirección circunferencial, con una densidad igual a 105-120 cuerdas/dm.

Rigidez CA1 significa el módulo de rigidez para un 100% de elongación.

Los parámetros concentrados de el neumático citado anteriormente medidos bajo una carga vertical de 277 kg tienen los siguientes valores:

rb = 250 (Ns/m)

rbt = 29 (Nms/rad)

rcz = 150 (Ns/m)

rct = 70 (Nms/rad)

Ckx = 25.000 (N) (tomado a la frecuencia de 10 Hz)

Ckx = 32.000 (N) (tomado a la frecuencia de 100 Hz).

Los mismos parámetros concentrados del neumático mencionado anteriormente, medidos bajo una carga vertical de 555 kg tienen los siguientes valores:

rb = 250 (Ns/m)

rbt = 29 (Nms/rad)

rcz = 160 (Ns/m)

rct = 35 (Nms/rad)

Ckx = 50.000 (N) (tomado a la frecuencia de 10 Hz)

Ckx = 65.000 (N) (tomado a la frecuencia de 100 Hz).

Se muestra en la figura 2 un modelo de neumático de anillo rígido, en el que se basa el procedimiento de control de un neumático de una rueda para un vehículo, citado anteriormente. El modelo de anillo rígido es plano y tiene parámetros concentrados (conjuntos) que corresponden a los del neumático bajo examen. El modelo de neumático comprende un anillo rígido 2 que representa la banda de rodadura, los flancos, la estructura de cintura y la correspondiente porción de la carcasa y que tiene una masa mb = 2\piR\rhoA y un momento de inercia Ib = 2\piR^{3}\rhoA, donde \rhoA es la masa por unidad de longitud de la banda de rodadura, los flancos, la estructura de cintura y la correspondiente porción de la carcasa, y R es el radio externo promedio del neumático. El modelo de neumático comprende un disco 3 que representa la llanta de la rueda y los talones del neumático y tiene un momento de inercia Ir que consiste en el momento de inercia de la llanta y de los talones. El modelo comprende muelles radiales 4 y 5 y un muelle tangencial 6, interpuestos entre el anillo 2 y el disco 3 y distribuidos circunferencialmente, que representa la rigidez neumática del flanco y de la carcasa, respectivamente, con el neumático hinchado, y que tiene una rigidez de fundación radial Cb = \piR[Cv + Cw] y una rigidez de fundación de torsión Cbt = 2\piR^{3}Cv, respectivamente, donde Cv es la rigidez tangencial por unidad de longitud de la cintura y Cw es la rigidez radial por unidad de longitud de la cintura. El modelo comprende amortiguadores radiales 7 y 8 y un amortiguador tangencial 9, interpuestos entre el anillo 2 y el disco 3, teniendo amortiguaciones de fundación rb y rbt que corresponden a las rigideces de fundación Cb y Cbt, respectivamente.

El modelo también comprende un muelle vertical 10, un muelle longitudinal 11 y un muelle tangencial 12 que simulan las deformaciones presentes en la zona de contacto entre el neumático y la carretera, y que tienen una rigideces residuales radial Ccz, longitudinal Ccx y de torsión Cct, respectivamente. El modelo también comprende un amortiguador vertical 13 y un amortiguador tangencial 14, que tienen amortiguaciones residuales rcz y rct, respectivamente, correspondientes a las rigideces residuales Ccz y Cct. El modelo también comprende otro muelle longitudinal 15 y un amortiguador longitudinal 16 que representa un "modelo de cepillo" que simula el fenómeno de deslizamiento en la zona de contacto. El modelo de cepillo tiene una rigidez de deslizamiento Ckx = 2a^{2}Cp, donde Cp es la rigidez de la banda de rodadura por unidad de longitud (en función de la frecuencia) y 2a es la longitud dinámica de la zona de contacto.

Se muestran en la figura 2 un eje vertical zb y un eje longitudinal xb que tienen origen en O (trazo de un eje transversal yb), un ángulo de rotación \varthetab del anillo 2, un ángulo de rotación \varthetar del disco 3, una torsión de tracción T, una inclinación f (distancia del centro de la zona de contacto desde el eje zb), velocidad de desplazamiento hacia delante de la rueda Vx y velocidad de deslizamiento Vsx,b.

Las ecuaciones del movimiento del modelo de anillo rígido obtenido a través de los equilibrios dinámicos para pequeñas variaciones de las variables independientes son las siguientes:

mb xb + Cb xb + rb xb + Fx = 0

mb zb + (Cb + Ccz)zb + (rb + rcz)zb - f Ccz\varthetab - f rcz\varthetab =0

Ib\varthetab + Cbt (\varthetab - \varthetar) + rbt (\varthetab - \varthetar) - R Fx + f^{2} Ccz\varthetab + f^{2}

rcz\varthetab + rct\varthetab + Cct\varthetab - f Ccz zb - f rcz zb = 0

Ir\varthetar + Cbt (\varthetar - \varthetab) + rbt (\varthetar - \varthetab) - T = 0

Una vez se ha implementado el modelo de neumático, los parámetros concentrados del modelo correspondiente al neumático bajo examen todavía se han de determinar, tal como se requiere. Para hacer esto, se recurre a un procedimiento original que consiste en una técnica híbrida entre las mediciones directas de algunas propiedades físicas del neumático y la identificación mediante parámetros de las restantes mediante métodos matemáticos, utilizando una prueba dinámica experimental apropiada que consiste en una prueba de cubo fijo de pasar sobre un obstáculo en una rueda de carretera con neumático, que se describirá posteriormente.

El número total de parámetros del modelo que se han de determinar es catorce. Son mb; Ib; Ir; Cbt; Ckx (o Cp); a; Cb; rb; Cct; rct; rbt; Ccz; rcz; Ccx. De estos parámetros, seis se miden experimentalmente, de una manera que se describirá con detalle más adelante. Los parámetros medidos son: mb; Ib; Ir; Cbt; Ckx (o Cp); a (fotografía de la zona de contacto). Los seis parámetros del modelo medidos experimentalmente se seleccionan con gran cuidado; en particular, aquellos parámetros se han seleccionado cuya medición no es crítica (tales como el peso y el momento de inercia del neumático, el momento de inercia de la llanta, etc.), o aquellos parámetros que no varían con la velocidad de desplazamiento hacia delante del neumático (resistencia a la torsión), o aquellos cuya variación con la velocidad es conocida (longitud de la zona de contacto).

De esta manera, en total, quedan por determinar ocho parámetros, en particular: Cb; rb; Cct; rct; rbt; Ccz; rcz; Ccx. Con el procedimiento según la invención se usan los resultados obtenidos a partir de una prueba de cubo fijo de pasar sobre un obstáculo, tal como se describirá con detalle posteriormente. Se obtienen ocho figuras experimentales a partir de esta prueba, que consisten en las curvas, contra la velocidad de la rueda, de las primeras cuatro frecuencias naturales del neumático y de las correspondientes amortiguaciones, que permiten identificar los ocho parámetros restantes que se han de identificar de una manera unívoca. De esta manera, solamente se realiza una prueba experimental, con un considerable ahorro en el tiempo y en los costes sobre el modelo dinámico de P.W.A. Zegelaar y otros, donde los parámetros se determinan mediante un análisis modal.

Se muestra en la figura 3 un diagrama de flujo del procedimiento de control según la invención.

El bloque 20 representa la prueba de cubo fijo de pasar sobre un obstáculo, a partir de la cual se obtienen frecuencias y amortiguaciones naturales experimentales del neumático bajo examen (bloque 21). El bloque 22 representa una prueba con un vibrador de torsión, a partir de la cual se obtiene la rigidez de fundación de torsión Cbt. El bloque 23 representa una prueba con una corredera de frenado a partir de la cual se obtiene la rigidez de deslizamiento del modelo de escobilla Ckx. El bloque 24 representa una operación para medir la longitud de la zona de contacto 2a. El bloque 25 representa una prueba con un péndulo de torsión a partir del cual se obtienen el momento de inercia Ir de la llanta y del talón y el momento de inercia Ib de la banda de rodadura, la cintura y la carcasa. El bloque 26 representa una operación para determinar el peso del neumático a partir de la cual se obtiene la masa mb de la banda de rodadura, flancos, estructura de cintura y la correspondiente porción de la carcasa.

Las frecuencias naturales y amortiguaciones experimentales y los parámetros medidos: Cbt, Ckx, 2a, Ir, Ib y mb se utilizan para una identificación a través del cálculo de los parámetros concentrados (totales) del modelo de neumático dinámico, representado por el bloque 27. Los parámetros concentrados (totales) del modelo: Cb; rb; Cct; rct; rbt; Ccz; rcz; Ccx (bloque 28) se obtienen a partir del cálculo.

En particular, los ocho parámetros del modelo que se ha de calcular consisten en cuatro rigideces (Cb, Cct, Ccz, Ccx) y cuatro coeficientes de amortiguación (rb, rct, rbt, rcz). El modelo de neumático dinámico en el plano, descrito anteriormente, puede reproducir los cuatro modos naturales del neumático en el plano de la rueda, que están presentes en el rango de frecuencias 30-130 Hz, y que también se llaman "modos rígidos". En otras palabras, el modelo tiene cuatro grados de libertad que permiten estudiar los cuatro modos naturales del neumático tomados en consideración: 1er modo 28-40 Hz; 2o modo 75-100 Hz; 3er modo 90-110 Hz; 4o modo 100-130 Hz. De esta manera, el modelo proporciona a través de cálculos las cuatro frecuencias naturales y las cuatro amortiguaciones correspondientes, que, naturalmente, son una función de los parámetros físicos del propio modelo. Variando los ocho parámetros concentrados del modelo indicado anteriormente, las frecuencias y las amortiguaciones naturales cambian; por lo tanto, es un caso de identificar de una manera unívoca los valores de los ocho parámetros restantes del modelo que hace posible para las frecuencias y las amortiguaciones naturales calculadas que sean las mismas que las medidas experimentalmente con la prueba de cubo fijo de pasar sobre un obstáculo.

En la práctica, se obtienen ocho curvas calculadas a partir del modelo, dependiendo de la velocidad de desplazamiento hacia delante de la rueda: cuatro curvas de las frecuencias naturales y cuatro curvas de las amortiguaciones correspondientes. Para hacer coincidir estas ocho curvas con las ocho experimentales, se aplican procedimientos de cálculo convencionales, tales como, por ejemplo, un algoritmo matemático que variando los ocho parámetros del modelo de una manera adecuada hace que las frecuencias y las amortiguaciones calculadas coincidan con las experimentales (figuras 3 y 4). Este algoritmo no es nada más que una solución de un sistema de ocho ecuaciones (las ocho curvas de las frecuencias naturales y de las amortiguaciones experimentales) con ocho incógnitas (los parámetros concentrados del modelo). En otras palabras, el algoritmo compara las curvas experimentales con las calculadas y minimiza el error, es decir, la diferencia, variando los parámetros del modelo si es necesario. Los valores de los parámetros identificados (calculados) de esta manera son unívocos, ya que se ha construido un sistema de ocho ecuaciones con ocho incógnitas por parte del solicitante que admite una única solución. Además, debe indicarse que no es posible separar las cuatro curvas de las frecuencias naturales de las amortiguaciones y, por lo tanto, tener dos sistemas de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas, porque las ocho ecuaciones (o curvas) son independientes entre sí.

Las pruebas citadas anteriormente se describirán ahora en detalle.

Tal como se ha dicho anteriormente, para determinar las frecuencias naturales y las amortiguaciones del modelo de neumático se realiza la prueba de pasar sobre un obstáculo. Con esta prueba, a diferencia de las otras pruebas donde un parámetro del modelo de neumático se mide directamente, se toma una medición de las frecuencias naturales y de las amortiguaciones del neumático en la dirección vertical y longitudinal, es decir, en el plano de la rueda, aunque estas magnitudes no aparecen de manera explícita en el modelo. Tal como se ha representado anteriormente, estas mediciones son fundamentales para la identificación, o para el cálculo, de los ocho parámetros restantes del modelo, es decir, aquellos que no se miden directamente.

La prueba de pasar sobre un obstáculo adoptada es del tipo de interior, con un cubo fijo sobre una rueda de carretera. La prueba (figura 6) consiste en montar una rueda 101 sobre un cubo dinamométrico 30 y en presionarla, con una carga impuesta perpendicularmente respecto al eje de la rueda, contra una rueda de carretera 31 que puede girar a velocidades predeterminadas, soportando un relieve 32 con una forma predeterminada que constituye el obstáculo. La carga impuesta corresponde a la acción del peso de un vehículo soportado sobre una rueda.

La excitación a la que se somete un neumático 102, en la prueba de cubo fijo, es la deformación impuesta por el obstáculo cuando el neumático pasa sobre el mismo a una cierta velocidad. El obstáculo, dependiendo de la velocidad de desplazamiento hacia delante de la rueda, excita los movimientos naturales del neumático (excitación del tipo impulsivo), que empieza a vibrar en sus frecuencias naturales. Después de un periodo de tiempo más o menos corto, estas vibraciones se amortiguan. La metodología consiste, entonces, en el análisis de las oscilaciones libres amortiguadas del neumático a diferentes velocidades de desplazamiento hacia delante. Las señales 33 y 34, variables a lo largo del tiempo, leídas en el cubo fijo 30, son las de la fuerza longitudinal y vertical, que dependen de la excitación proporcionada por el obstáculo, respecto a la velocidad de desplazamiento hacia delante de la rueda y a las frecuencias naturales del neumático en el plano de la rueda. Las señales se leen mediante un grabador magnético 35 y mediante una unidad de adquisición y procesamiento 36.

Se destacan cuatro modos naturales del neumático, conocidos como modos "rígidos", mediante la prueba de cubo fijo de pasar sobre un obstáculo. Durante la prueba las señales de fuerza, longitudinal y vertical, después de que el obstáculo haya abandonado el neumático se analizan a lo largo del tiempo, y las frecuencias naturales y las amortiguaciones se identifican con las técnicas de análisis bien conocidas o modelos matemáticos para señales del tipo impulsivo, tales como, por ejemplo, el modelo Prony o Ibrahim. Los resultados finales son las curvas de las frecuencias naturales y de las amortiguaciones de los cuatros modos de vibración del neumático, es decir, aquellos modos que varían entre 30 Hz y 130 Hz, contra la velocidad de desplazamiento hacia delante. De esta manera, en conjunto, hay ocho curvas experimentales que dependen de la velocidad: cuatro de las frecuencias naturales y cuatro de las amortiguaciones.

En algunos casos, es apropiado destacar los modos naturales de la rueda en los que el cubo es libre para oscilar en una dirección vertical y longitudinal. Estos modos naturales están presentes en un automóvil a motor por debajo de 30 Hz (unos 14 Hz en la dirección vertical, unos 20 Hz en la dirección longitudinal).

Para analizar los modos naturales de la rueda entre 0 y 30 Hz, se recurre a la prueba de pasar sobre un obstáculo con un cubo que es desplazable (en las dos direcciones citadas anteriormente). Un aparato adecuado para este propósito se describe en la solicitud de patente italiana presentada en la misma fecha en nombre del mismo solicitante con el título "Aparato para una prueba de pasar sobre un obstáculo de una rueda que comprende una llanta y un neumático".

El aparato llamado "suspensión pasiva", simula en la práctica el movimiento de suspensión de una rueda en un vehículo. El aparato comprende brazos de suspensión que soportan de manera giratoria la rueda con el neumático y están conectados a un chasis de soporte mediante resortes de ballesta. Los resortes de ballesta tienen una rigidez que se puede variar variando los puntos en los que están conectados al chasis. De esa manera, es posible variar la rigidez de la suspensión en la dirección vertical y longitudinal, de manera que las frecuencias de las masas no suspendidas del "simulador" (suspensión pasiva) coinciden con las del vehículo bajo examen.

Para medir la rigidez de la fundación de torsión Cbt se usa un vibrador de torsión eléctrico, mostrado en las figuras 7 y 8, y descrito en la solicitud de patente italiana presentada en la misma fecha en nombre del mismo solicitante con el título "Vibrador de torsión".

Este vibrador consiste en un motor eléctrico de corriente continua 41 provisto de un árbol 48 sobre el que está sujeta la rueda 101 (la llanta 103 más el neumático 102). El motor 41 comprende un rotor 45 con bobinados inducidos 47 alimentados con corriente continua mediante medios de inversión 411 adecuados para modificar la polaridad de los bobinados inducidos 47 y, por lo tanto, del campo magnético inducido, de una manera alterna (sinusoidal). De esta manera, el árbol 48 empieza a oscilar, haciendo así que la rueda 101 vibre en la dirección rotativa.

En particular, las frecuencias en las que el árbol 48 y, por lo tanto, la rueda 101 vibran están relacionadas con las frecuencias de inversión del campo magnético. De esta manera, tenemos un vibrador giratorio eléctrico que permite que el neumático sea excitado torsionalmente en el rango de frecuencias deseado.

Transductores de medición 418, 419, 420 y 421 que consisten en acelerómetros están dispuesto sobre la llanta 103 y sobre una banda metálica 422 montada de manera comprimida sobre la banda de rodadura 112 del neumático 102. Las lecturas tomadas, por lo tanto, son la aceleración angular de la llanta 103 y la del neumático 102, es decir, de la banda de rodadura, los flancos, la estructura de cintura y las porciones correspondientes de la carcasa. Calculando la relación entre la aceleración angular del neumático (tomada como salida) y la de la llanta (tomada como entrada), se obtiene la función de transferencia como para la amplitud y la fase (dependiendo de la frecuencia de excitación), tal como se muestra en las figuras 8 y 9. Esta función de transferencia (figuras 8 y 9) tiene un pico de resonancia (máximo) en la frecuencia de torsión natural del neumático. Si, entonces, se conocen la función de transferencia entre las dos aceleraciones respecto a la amplitud y fase en el rango de frecuencia 0-200 Hz, así como el momento de inercia del neumático Ib (medido con un péndulo de torsión, tal como se representará más adelante), es posible calcular matemáticamente, aplicando las fórmulas de los sistemas dinámicos con un grado de libertad, la rigidez de fundación de torsión Cbt del neumático (rigidez entre la banda de rodadura, los flancos, la estructura de cintura, la correspondiente porción de la carcasa y la llanta).

La medición de las rigideces de torsión realizada con el vibrador de torsión diseñado por el solicitante es del tipo dinámico (respuesta de frecuencia del neumático), mientras que el dado en el artículo de P.W.A. Zegelaar y otros es substancialmente diferente, probablemente porque es estático. En otras palabras, dada una torsión estática en la llanta de la rueda, con el neumático contenido en el interior de una "forma circular", se lee el ángulo de rotación de la propia llanta.

Para medir el momento de inercia del neumático Ib, se usa un péndulo de torsión (figura 11) que consiste en un muelle helicoidal 50 colgado en un extremo de una viga de acero 51 y conectado en el otro extremo a un cubo 105 sujeto a la llanta 103 sobre la que está montado el neumático 102 de la rueda 105. La prueba consiste en perturbar el péndulo desde su condición de equilibrio, dando una rotación inicial a la rueda 101, y permitiendo que oscile libremente. Tal como es conocido, el péndulo oscila a una frecuencia que es la natural del sistema (la rueda 101 más el muelle helicoidal 50); si el periodo de oscilación se mide entonces (con un cronómetro o un analizador) y conociendo la rigidez del muelle helicoidal 50, es posible determinar el momento de inercia de la rueda 101 (llanta 103 más neumático 102). El momento de inercia del neumático Ib se determina mediante la diferencia: momento de inercia de la rueda 101 menos el de la llanta Ir (incluyendo el cubo 105) determinado previamente. Se aprecia que el momento de inercia del neumático Ib se puede dividir, substancialmente, en un momento de inercia de la banda de rodadura, los flancos, la estructura de cintura y las correspondientes porciones de la carcasa y un momento de inercia de los talones. Para el modelo de neumático dinámico descrito anteriormente y para la determinación de la rigidez de fundación de torsión Cbt, se usa el momento de inercia de la banda de rodadura, los flancos, la estructura de cintura y las porciones correspondientes de la carcasa.

Para determinar la rigidez de deslizamiento total del modelo de escobilla Ckx se usa una corredera dinamométrica, también conocida con "corredera de frenado" (figura 12).

Una corredera 52, sobre la que se monta la rueda 101 que comprende el neumático 102 bajo prueba, se mueve mediante un vehículo 53, desde el cual se acciona la acción de frenado sobre la corredera, a lo largo de un carril 54 muy liso, hecho de baldosas de mármol. Sobre la rueda 101 se montan dos células de carga 55 para medir la fuerza longitudinal, que se produce cuando se aplica una torsión de frenado a la rueda. Sobre la misma también está montado un transductor de velocidad 56, que consiste en una rueda fónica, para medir su velocidad angular. Una rueda Paiseler 57 bien conocida se monta sobre la corredera para medir la velocidad de desplazamiento hacia delante de la corredera y un detector de la fuerza de frenado 58. Sobre el vehículo está montado un aparato para la adquisición de señales de fuerza y de velocidad de deslizamiento que llegan desde la corredera 52, las cuales se transmite mediante medios de telemetría a una torre de control. El aparato y la torre de control no están presentados, ya que son conocidos.

La prueba consiste en aplicar a la rueda 101 una torsión de frenado "aleatoria" (para tener el contenido de frecuencia más amplio posible y para tener en cuenta el hecho de que la rigidez longitudinal varía con la frecuencia) y en determinar la función de transferencia entre las señales de fuerza longitudinal en el cubo de la rueda (salida), y la velocidad de deslizamiento del neumático (entrada), que significa la diferencia entre la velocidad de desplazamiento hacia delante de la corredera 52 y la velocidad periférica del neumático 102. Se muestra en la figura 12 la curva de una función de transferencia F/S (kg/%) contra la frecuencia (Hz). El límite, para una frecuencia que tiene a cero (línea de trazos en la figura 13), de la función de transferencia entre la fuerza longitudinal y el deslizamiento, es la rigidez longitudinal total Ckx de la banda de rodadura bajo la zona de contacto. La rigidez longitudinal por unidad de longitud Cp de la banda de rodadura está dada por CkX/2a^{2}.

La medición tiene en cuenta el hecho de que esta rigidez varía con la frecuencia, lo cual es opuesto a lo indicado en el artículo de P.W.A. Zegelaar y otros, donde este hecho no se tiene en cuenta.

Un dispositivo para una prueba de frenado, que se usa como alternativa a la corredera dinamométrica anterior, se describe en la solicitud de patente italiana presentada en la misma fecha a nombre del mismo solicitante con el título "Dispositivo para una prueba de frenado y tracción de una rueda que comprende una llanta y un neumático". Con este dispositivo, la prueba de frenado, al contrario de la realizada con la corredera dinamométrica, es interna, de manera que se puede realizar más fácilmente y tiene un nivel de precisión que es mayor en la medida de la rigidez. En este caso, tal como se muestra en la figura 14, la rueda 101 con el neumático 102, se monta sobre un cubo dinamométrico 65 y se presiona radialmente contra una rueda de carretera 61; a su vez, la llanta 103 con el neumático 102 está conectada mediante una manivela 66 y un vástago de conexión 67 a una cámara de compresión 611 (pistón 610 más el cilindro 612 y el cabezal 618), con el propósito de tener una torsión de direccionamiento y frenado de un tipo sinusoidal sobre la rueda 101. Con este dispositivo, el pistón 610, durante la carrera de compresión, proporciona, a través del vástago de conexión 67 y de la manivela 67, una torsión de frenado sobre la rueda del neumático; mientras dura la carrera de expansión, la torsión proporcionada sobre el neumático es de direccionamiento. El desplazamiento del neumático 102 se mide a través de dos transductores de velocidad angular 615 y 613 sobre la rueda de carretera y sobre la llanta 103 del neumático, respectivamente. La fuerza longitudinal en el cubo del neumático se lee a través de un transductor 614 del cubo dinamométrico 65.

La prueba consiste en aplicar una torsión sinusoidal de amplitud adecuada con una frecuencia que varía desde 0,1 a 25 Hz y en determinar la función de transferencia entre las señales de la fuerza longitudinal en el cubo de la rueda (salida) y el deslizamiento del neumático (entrada). En esta prueba de interior, existe la ventaja de una mayor precisión en la medición del valor de la fuerza longitudinal a bajas frecuencias (0,1 Hz). El límite, para una frecuencia que tiende a cero, de la función de transferencia entre la fuerza longitudinal y el deslizamiento, es la rigidez longitudinal total Ckx de la banda de rodadura bajo la zona de contacto. La rigidez longitudinal por unidad de longitud Cp de la banda de rodadura se da mediante la relación entre la rigidez total Ckx y la longitud de la zona de contacto 2a. Como esta rigidez es una función de la mezcla de la banda de rodadura, así como del diseño, sigue que la rigidez es una función de la frecuencia y esto se toma en cuenta en el "modelo de escobilla" diseñado por el solicitante.

La medición de la zona de contacto 2a se realiza según una manera conocida fotografiando a través de un panel de vidrio el paso de un neumático montado sobre un vehículo, para tener en cuenta el hecho de que la zona de contacto de un neumático varía con la velocidad de desplazamiento hacia delante (la lectura tomada con un neumático estacionario es apreciablemente inferior que la tomada a velocidad). En particular, una cámara de televisión se coloca en el interior de un foso excavado bajo la carretera y se cubre con un panel de vidrio, y a través de un sistema de adquisición es posible obtener la zona de contacto sobre el neumático directamente en un ordenador personal. El disparo se realiza se realiza mientras se hace pasar un vehículo con el neumático bajo examen sobre el panel de vidrio del foso (un líquido de contraste se coloca entre el panel de vidrio y el neumático), en diferentes velocidades de desplazamiento hacia delante.

Claims (2)

1. Neumático (70) para una rueda de un vehículo, que comprende una banda de rodadura (71), laterales (72), flancos (73), talones (74) provistos de núcleos (76) y rellenos de talón (77), una carcasa (80) y una estructura de cintura que comprende telas de cintura (81), donde dicho neumático (70) se puede representar mediante un modelo de neumático dinámico de anillo rígido (1) con parámetros concentrados, caracterizado por el hecho de que tiene características de construcción que son substancialmente equivalentes a los parámetros concentrados que, medidos bajo cada carga vertical que varía entre 200 kg y 650 kg, están incluidos dentro de los siguientes intervalos correspondientes a índices de confort preseleccionados:

rb = 100-300 (Ns/m)

rbt = 2-40 (Nms/rad)

rcz = 100-350 (Ns/m)

rct = 10-90 (Nms/rad)

Ckx = 18.000-70.000 (N),

donde rb es la amortiguación de fundación radial de dicho modelo de neumático dinámico (1); rbt es una amortización de fundación de torsión de dicho modelo de neumático dinámico (1); rcz es una amortiguación radial residual de dicho modelo de neumático dinámico (1); rct es la amortiguación de torsión residual de dicho modelo de neumático dinámico (1); y Ckx es una rigidez de deslizamiento de un modelo de cepillo de dicha banda de rodadura (71).

2. Neumático según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos parámetros concentrados están incluidos dentro de los siguientes intervalos:

rb = 200-300 (Ns/m)

rbt = 20-35 (Nms/rad)

rcz = 100-200 (Ns/m)

rct = 20-80 (Nms/rad)

Ckx = 20.000-70.000 (N),

rb = 230-270 (Ns/m)

rbt = 28-32 (Nms/rad)

rcz = 150-160 (Ns/m)

rct = 33-72 (Nms/rad)

Ckx = 23.000-70.000 (N).