Analisi dinamica numerica e sperimentale di una ruota per autoveicoli

Capitolo 1 – Il pneumatico 
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Capitolo 1 – Il pneumatico 
 
1.1)   Caratteristiche generali 
 
In questi ultimi anni, durante la fase di progettazione, le caratteristiche dinamiche di 
un’autovettura sono passate in primo piano nei confronti dell’aspetto prestazionale: questo 
testimonia la raggiunta maturità dell’acquirente medio. Infatti si è notato che, nella scelta 
di una nuova vettura, il cliente predilige (oltre naturalmente al prezzo e alla qualità del 
prodotto) il comfort alle prestazioni. Da qui si può ben capire il motivo per il quale ha 
assunto notevole importanza l’analisi NVH1. Si è quindi assistito ad una concentrazione 
degli sforzi di progettazione nello studio del comportamento del veicolo nelle diverse 
condizioni di utilizzo, quali ad esempio l’accelerazione a piena potenza piuttosto che la 
marcia su strada sconnessa. 
Essendo il pneumatico il solo elemento dell’automobile a contatto con la superficie 
stradale, si può facilmente comprendere come il comportamento di un’autovettura sia 
strettamente legato alle caratteristiche del pneumatico stesso. La sua funzione essenziale è 
interagire con la strada allo scopo di produrre le forze necessarie per sostenere e 
movimentare il sistema autoveicolo. Tali forze si rendono necessarie per consentire la sua 
accelerazione, frenata e percorrenza di traiettorie curvilinee. Il pneumatico deve inoltre 
essere una sorta di smorzatore al fine di ridurre la trasmissione delle irregolarità della 
superficie stradale alla sospensione e da qui all’intero veicolo, in modo da limitare 
l’instaurarsi di modi risonanti e migliorare il comfort dei passeggeri. Deve inoltre avere 
una elevata durata e si vuole che il suo ciclo di vita termini non a causa della rottura di uno 
dei suoi elementi ma in seguito all’usura del battistrada. Diventa quindi importante il 
discorso dell’integrità strutturale e della durata a fatica che, come si può ben capire, deve 
essere maggiore di quella del pneumatico stesso. 
Esso deve quindi essere sufficientemente rigido per resistere alle forze cui è soggetto e al 
tempo stesso deformabile per poter assorbire gli urti. Dovendo soddisfare due richieste 
opposte è necessario un compromesso. Negli autoveicoli sportivi, privilegiando le 
prestazioni, si ricorre all’utilizzo di pneumatici più rigidi di quelli utilizzati per le 
                                              
1
 L’acronimo NVH significa: Noise (rumore nel campo delle medie-alte frequenze), Vibration (vibrazioni nel 
campo delle basse frequenze), Harshness (percezione combinata di rumore e vibrazioni nel campo delle 
frequenze medio–basse). 
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autovetture di uso più comune, alle quali si richiede un livello di comfort superiore di 
quanto non se ne domandi alle prime. 
 
1.2)   Tipologie  
 
Analizzando la disposizione delle tele costituenti la carcassa, si possono distinguere due 
diverse tipologie di pneumatici: 
• Pneumatico a tele incrociate o convenzionale; 
• Pneumatico radiale. 
 
Nel convenzionale le tele della carcassa sono inclinate e disposte in modo tale che i fili 
costituenti una te la incrocino quelli della tela adiacente e la bisettrice dell’angolo di 
incrocio sia contenuta nel piano di simmetria longitudinale del pneumatico. Per avere uno 
stato di equilibrio, le tele adiacenti devono avere inclinazione opposta: il numero delle tele  
è quindi sempre pari. Questo tipo di struttura è in via di abbandono per la costruzione di 
pneumatici per automobili e veicoli industriali. E’ invece molto diffusa nel campo delle 
motociclette. 
Fig. 1.1– Pneumatico convenzionale 
 
In questa tipologia il battistrada è solidale ai fianchi e pertanto, durante il rotolamento, i 
movimenti di flessione del fianco sono trasmessi al battistrada. Questo si ripercuote in una 
deformazione dell’orma di contatto che causa una diminuzione della tenuta laterale, 
maggiori strisciamenti col terreno e quindi una maggiore usura del battistrada e un 
incremento della temperatura di esercizio a causa della frizione tra le tele della carcassa. 
Battistrada  Strati carcassa 
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Nel pneumatico radiale la carcassa è costituita da una o più tele con i fili disposti 
radialmente. La struttura è quindi simmetrica ed il numero delle tele può anche essere 
dispari. Per rendere la carcassa stabile ed impedire movimenti parassiti del battistrada 
nell’area di contatto con il terreno, si posiziona, sopra la carcassa e sotto il battistrada, una 
struttura anulare di rinforzo detta cintura. Grazie a questa modifica il fianco e il battistrada 
lavorano con differente rigidezza ed indipendentemente l’uno dall’altro: i movimenti di 
flessione del fianco non sono così trasmessi al battistrada. Quindi il pneumatico radiale 
affida alla cedevolezza del fianco le sue caratteristiche di comfort di marcia e alla rigidezza 
del battistrada la precisione di guida, intesa come rapidità di risposta alle sollecitazioni 
dello sterzo. Rispetto il convenzionale, si ha: 
• Aumento dell’area di impronta con conseguenti maggiori prestazioni; 
• Maggiore costanza dell’impronta a terra al variare della pressione di gonfiaggio. 
Tuttavia questo non significa che anche la distribuzione delle tensioni nell’orma di 
contatto non vari al variare della pressione; 
• Riduzione delle deformazioni dell’area di contatto col terreno in curva, con una 
conseguente maggiore tenuta laterale; 
• Riduzione degli strisciamenti sul suolo che causa una minore usura del battistrada; 
• Maggiore flessibilità dei fianchi e quindi migliore assorbimento delle asperità; 
• Riduzione delle temperature di esercizio poiché non esiste frizione tra tele adiacenti. 
 
Fig. 1.2– Pneumatico radiale 
Battistrada  
Sottofondo 
Liner 
Tallone 
Carcassa 
Cerchietto 
Risvolto tele 
Cintura 
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Nella tabella 1.1 sono riportati gli svantaggi del pneumatico convenzionale ed i vantaggi 
di quello radiale derivanti dall’adozione di una tipologia piuttosto che dell’altra. 
 
Svantaggi pneumatico convenzionale  
Minore aderenza  
Minore efficienza in frenata 
Minore stabilità 
Minore sicurezza 
Minore durata 
Minore risparmio di carburante  
Minore economia di esercizio 
Vantaggio pneumatico radiale  
Maggiore aderenza 
Maggiore efficienza in frenata 
Maggiore stabilità 
Maggiore controllabilità 
Maggior sicurezza 
Migliore assorbimento delle asperità  Maggior comfort 
Maggior durata 
Maggior risparmio di carburante 
Maggior economia d’esercizio 
 
Tabella 1.1 – Confronto radiale - convenzionale  
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1.3)  Componenti 
 
Il pneumatico è un componente costituito dall’abbinamento di materiali con 
caratteristiche diverse. Per poterne parlare nel dettaglio si ritiene necessario consentire una 
distinzione tra le varie parti costituenti, distinzione che può essere effettuata osservando la 
sezione di un generico pneumatico. Nel seguito si analizzerà ciascun elemento [1]. 
Fig. 1.3 – Nomenclatura 
 
• Battistrada : come dice il nome stesso, è l’elemento a contatto col terreno. E’ costituito 
da una mescola di gomma e da un disegno idonei a garantire sia una buona resistenza 
all’abrasione sia una buona aderenza al suolo nelle condizioni di asciutto e bagnato. 
Deve anche avere delle buone caratteristiche di silenziosità di marcia. Il disegno è 
costituito da una particolare disposizione di “pieni” (tasselli) e “vuoti” (incavi) ed è 
studiato per assicurare una buona aderenza anche sul bagnato. Le mescole costituenti 
possono contenere gomma naturale o sintetica (ad esempio, SBR stirene butadiene 
Cordolo di protezione  
Fianco 
Sottofondo 
Battistrada 
Spalla 
Cordolo di centratura 
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rubber: polimero di stirene e butadiene), nerofumo, agenti vulcanizzanti e di 
protezione contro l’invecchiamento. 
• Sottofondo : è lo strato interno del battistrada a contatto con la cintura o, nel caso di 
struttura convenzionale, con l’ultima tela della carcassa. Può essere costituito da fibre 
di nylon. 
• Spalla : zona del battistrada compresa tra lo spigolo e l’inizio del fianco. Funge da 
elemento di transizione tra il battistrada stesso e il fianco. 
• Fianco: zona compresa tra la spalla ed il cordolo di centratura. E’ costituito da una 
strato di gomma più o meno sottile ed è destinato a proteggere le tele della carcassa 
contro gli urti laterali, come ad esempio gli spigoli dei marciapiedi. 
• Cordolo di protezione: è un rilievo circonferenziale posto nella zona del fianco più 
esposta a strisciamenti accidentali. 
• Cordolo di centratura: è un piccolo rilievo che, delimitando circonferenzialmente la 
parte superiore dell’incavo tallone, serve come riferimento per verificare l’esatto 
centraggio della copertura sul cerchione dopo il montaggio. 
• Tallone: è la parte di accoppiamento tra il pneumatico ed il cerchione. Attraverso esso 
passano quindi tutte le forze che si trasmettono dalla strada al veicolo e viceversa. La 
punta  del tallone è lo spigolo interno, lo sperone la sua parte estrema, la base la zona 
d’appoggio con il cerchio e l’incavo  la parte concava sulla quale appoggia la balconata 
del cerchione. 
Fig. 1.4 – Tallone 
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• Cerchietto: è un anello metallico composto dall’intreccio di più fili d’acciaio il cui 
diametro unitario è 1 o 2 mm. Ad esso sono ancorate le tele della carcassa. 
• Risvolto : è la parte della tela della carcassa che viene avvolta attorno al cerchietto ed 
adagiata contro la carcassa stessa, al fine di ancorarla ed impedirne lo sfilamento. 
• Bordo o rinforzo: è un inserto di tessuto, metallico o tessile, disposto in 
corrispondenza della parte esterna del tallone; serve a proteggere le tele della carcassa 
dallo strisciamento contro la balconata del cerchione. 
• Riempimento : è un profilato di gomma a sezione generalmente triangolare, disposto 
sopra il cerchietto; assicura la rigidità del tallone e crea una graduale compensazione 
alla brusca discontinuità di spessore provocata dal cerchietto. 
• Carcassa : costituisce la struttura resistente del pneumatico ed è composta da uno o più 
strati di tele gommate. Le tele possono essere tessili (nylon, rayon, poliestere, aramide) 
o metalliche e sono trattate con un adesivo e quindi gommate fino ad avere uno 
spessore di circa 1 mm. 
• Liner: è una foglietta di mescola impermeabile all’aria, vulcanizzata all’interno delle 
coperture tubeless, vale a dire senza camera d’aria. Contribuisce ad assicurare la tenuta 
dell’aria in pressione contenuta nella carcassa. 
• Cintura: è una struttura circonferenziale inestensibile composta da tele incrociate ad 
angoli molto bassi (15°÷30°), posizionata sotto il battistrada con lo scopo di 
stabilizzare la carcassa nell’area di interazione del pneumatico con la strada. Può 
essere costituita da acciaio, nylon, rayon o kevlar. 
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1.4) Composizione della mescola e processo di fabbricazione 
 
Avendo acquisito la terminologia delle parti costituenti il pneumatico, è ora possibile 
descriverne la composizione ed il processo di fabbricazione [3]. 
L’elemento base per i materiali in gomma, detti anche elastomeri, è il caucciù, che può 
essere ottenuto sia come gomma sintetica nelle industrie chimiche sia in modo naturale 
nelle piantagioni di “hevea brasiliensis”. Questo è un albero che, se inciso, secerne un 
particolare lattice che, seccandosi, forma una densa massa elastica; gli indigeni chiamano 
tale albero “cahuchu” (da cui deriva la parola caucciù) che significa legno piangente. La 
gomma è quindi plastificata e mescolata con degli additivi. Si ottiene così una mescola che 
viene vulcanizzata ad alte temperature (fino a 300°C). La vulcanizzazione, scoperta nel 
1839 da Charles Goodyear, è una trasformazione chimico fisica durante la quale la gomma, 
prevalentemente plastica, passa allo stato di gomma elastica grazie alla formazione di ponti 
di zolfo tra le unità ripetitive del polimero in esame. Poiché l’elasticità del polimero crudo 
decade a temperature superiori di 80°C, attraverso la vulcanizzazione si estende il campo 
elastico fino a circa 200°C. 
Può essere utile riportare la composizione di una generica mescola per avere un’idea della 
presenza percentuale delle varie componenti: 
 
Ingredienti  Parti in peso 
Elastomero 100 
Zolfo 1 
Attivanti vulcanizzazione:  
Acido stearico 1 
Ossido di zinco 5 
Acceleranti 2 
Ausiliari per la lavorazione 3 
Plastificanti 5÷15 
Cariche rinforzanti:  
Nerofumo 40÷ 50 
Antinvecchiante 2 
Totale 159÷ 179 
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Esaminiamo brevemente ciascun ingrediente: 
– Zolfo: è il più importante agente vulcanizzante. Con lo zolfo è possibile 
vulcanizzare solo quei tipi di gomma che hanno dei legami doppi nella catena 
principale. La dose di zolfo varia da mescola a mescola ed influisce sulle 
caratteristiche meccaniche e sull’invecchiamento del prodotto vulcanizzato. Queste 
peggiorano al crescere della perce ntuale di zolfo introdotta. 
– Attivanti: sono sostanze che aumentano l’efficacia degli acceleranti. 
– Acceleranti: sono sostanze che permettono di diminuire le dosi di zolfo e la durata 
della vulcanizzazione. 
– Ausiliari per la lavorazione: si utilizzano per conferire al prodotto una buona 
stabilità dimensionale. Così facendo gli articoli mantengono stabile la loro forma dalla 
vulcanizzazione in aria alla vulcanizzazione completa. 
– Plastificanti: sono utilizzati per vari motivi quali, ad esempio, aumentare la 
plasticità della mescola per avere una migliore lavorabilità della stessa, avere una 
diminuzione del prezzo della mescola e modificare le caratteristiche meccaniche del 
prodotto vulcanizzato. 
– Cariche rinforzanti: sono aggiunte in grandi quantità per permettere la 
lavorazione ed ottenere le caratteristiche desiderate, in particolar modo la durezza. La 
maggior parte ha un’azione rinforzante (vale a dire miglioramento delle caratteristiche 
meccaniche come, ad esempio, la resistenza a trazione, l’allungamento a rottura, la 
resistenza all’abrasione) sulle gomme vulcanizzate. La carica rinforzante più utilizzata 
è il nerofumo 
– Antinvecchiante: sono composti organici utilizzati per ritardare l’invecchiamento 
del prodotto vulcanizzato. Devono avere un’azione antiossidante, per proteggere 
dall’azione dell’ossigeno, antiozonante, per impedire la fessurazione dovuta all’azione 
dell’ozono nella sollecitazione statica, e fungere da agenti protettivi contro particolari 
agenti invecchianti come la luce e la fatica derivante dallo schiacciamento. 
 
E’ bene rimarcare che si è fatto riferimento ad una mescola generica. Poiché la sua 
composizione contribuisce notevolmente a differenziare un pneumatico da un altro, non è 
possibile affrontare tale argomento riferendosi ad una mescola che rappresenti alla 
perfezione tutti i pneumatici. 
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E’ notizia recente la sostituzione, compiuta dall’azienda Goodyear, di parte della silice 
presente nella mescola della gomma con un polimero biologico derivato dall’amido di 
mais. La particolare composizione chimica di tale polimero ha l’effetto di diminuire la 
resistenza al rotolamento ed aumentare la morbidezza della mescola. Diretta conseguenza è 
un minore consumo di carburante ed un leggero incremento delle prestazioni del 
pneumatico sia in frenata sia s ul bagnato. 
Analizziamo ora il processo produttivo. La prima operazione è la preparazione della 
mescola. Poiché la gomma, naturale o sintetica che sia, è fornita in balle, per la sua 
lavorazione è necessario tranciarla in pezzi e mescolarla con il nerofumo e altri prodotti 
chimici in potenti mescolatori. Visto che le caratteristiche del pneumatico dipendono 
fortemente dalla composizione della mescola, i vari ingredienti, prima di essere introdotti 
nei mescolatori, sono pesati per accertarsi che si abbia la quantità voluta dalla “ricetta” del 
costruttore. La miscela così ottenuta è detta “mescola madre”. 
 
Fig. 1.5 – Miscelazione 
 
Di seguito alla misce lazione si ha una operazione di calandratura. Questo è un processo 
in cui la struttura di corde in tessuto o acciaio è rivestita con una pellicola di gomma su 
entrambi i lati. I tessuti calandrati quali il rayon, il rayon e il poliestere si usano per 
l’involucro e le tele del battistrada; quelli in acciaio si usano per le cinture.  
 
Fig. 1.6 – Calandratura  
 
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Il battistrada ed il fianco, costituiti da due diversi tipi di mescole, sono realizzati tramite 
un processo di estrusione. Gli estrusori producono un tratto continuo di gomma da 
battistrada che viene poi raffreddato e tagliato in spezzoni di una data lunghezza. 
 
 
Fig. 1.7 – Estrusione 
 
L’anima del tallone è foggiata rivestendo i cerchietti in acciaio placcato, i quali sono 
avvolti su una foggiatrice di talloni per un dato numero di volte, allo scopo di ricavare un 
diametro specifico e la resistenza adatta al particolare tipo di pneumatico. 
 
Fig. 1.8 – Preparazione del cerchietto 
 
I semilavorati (battistrada, fianchi, tele e cerchietti) sono quindi inseriti in una macchina 
confezionatrice costituita da un tamburo rotante e contraibile in senso radiale, sul quale i 
vari materiali vengono sovrapposti a cominciare da quelli che occupano la posizione più 
interna. Le estremità dello strato interno della copertura sono unite alle tele di rinforzo dei 
talloni e alla tela della carcassa. Successivamente si ha l’inserimento dei cerchietti e dei 
fogli di diversa qualità nelle zone dei talloni, dei fianc hi e del battistrada. Il nascituro 
pneumatico può ora essere portato alle dimensioni richieste per la posa della cintura sulla 
quale va ulteriormente incollato il battistrada. Questo processo porta alla creazione di un 
pneumatico crudo. 
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Fig. 1.9 –Processo di costruzione 
 
Può ora aver inizio l’operazione di vulcanizzazione. 
L’operazione di vulcanizzazione in stampo, che si realizza con speciali presse di 
vulcanizzazione e sfrutta sia l’azione del calore che della pressione, fa perdere l’originaria 
plasticità e conferisce caratteristiche elastiche. Il tempo di vulcanizzazione è in genere 
compreso tra i 10 e i 15 minuti. 
 
Fig. 1.10  – Vulcanizzazione 
 
Terminata la vulcanizzazione, si effettua una operazione di rifinitura togliendo la gomma 
in eccesso dovuta al processo precedente. Ogni pneumatico è quindi collaudato sia 
visivamente che elettronicamente per verificare la qualità e l’uniformità dello stesso.  
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Fig. 1.11  – Rifinitura e collaudo finale  
 
Le differenze esistenti tra un pneumatico di una ditta e l’altra non sono dovute al processo 
di fabbricazione, praticamente simile per tutti i produttori, ma ai materiali impiegati per le 
tele, al loro numero, al tipo di mescola e al disegno del battistrada, che ha un riscontro 
pratico sul piano dell’utilizzazione pratica.