VESevo: la “pistola” realizzata da MegaRide debutta in Formula 1 per analizzare i segreti delle gomme

Gli pneumatici di un’autovettura, o di una moto, rappresentano un pilastro importante in termini di prestazioni: sono di fatto quelli che collegano l’automobile al suolo. Lo pneumatico è l’ultimo “componente”, anche se non l’unico, che trasmesse la coppia e la potenza sull’asfalto. E poiché, come si suol dire, da grandi poteri derivano grandi responsabilità, gli pneumatici necessitano di uno studio estremamente approfondito. E di fatto, MegaRide, spin-off dell’Università Federico II di Napoli, sin dalle origini si occupa di come estrarre la massima aderenza e performance possibile dalle varie mescole, dalle più dure alle più morbide.

Ma proprio qualche settimana fa, in vista del Gran Premio del Bahrain di Formula 1, abbiamo visto utilizzare il nuovissimo strumento VESevo da parte di alcune scuderie del Circus. Si tratta di una “pistola” che consente di effettuare una prova non distruttiva sugli pneumatici e rivelare i suoi “segreti”. Ma come funziona?

Innanzitutto, però, dobbiamo chiederci perché nasca l’esigenza di avere uno strumento del genere. Nella dinamica del veicolo, la conoscenza della viscoelasticità delle mescole è fondamentale per la modellazione della meccanica del contatto pneumatico-asfalto. Ciò aiuta a valutare e prevedere il coefficiente di attrito per capire le prestazioni del veicolo, anche in termini di sicurezza. Dunque, fornisce la possibilità di ricavare più informazioni, ed averle al contempo anche più dettagliate.

In Formula 1, soprattutto quest’anno, le ore di test consentite alle squadre sono estremamente ridotte. Dunque i tecnici hanno avuto di fatto poco tempo per analizzare ciò che prima si faceva in almeno il doppio o il triplo dei chilometri percorsi. Nonostante il suo debutto iniziale in Formula 1, questo dispositivo è stato usato anche in altre categorie come MotoGP, Formula E, DTM, WEC, Rally e formule “minori”.

Il comportamento dello pneumatico

Un materiale viscoelastico, come la mescola del battistrada, ha un comportamento intermedio tra un materiale puramente elastico (che chiameremo Standard Solid) e uno puramente viscoso (che chiameremo Newtonian Liquid) esibendo proprietà meccaniche dipendenti dalla frequenza e dalla temperatura. Pertanto, la relazione è definita da un modulo dinamico complesso come la quantità della resistenza complessiva alla deformazione della mescola.

La parte reale del modulo complesso, noto come Storage Modulus, è una misura dell’elasticità del materiale. Essa è legata alla capacità di immagazzinare energia durante la sollecitazione. La parte immaginaria, invece, prende il nome di Loss Modulus ed è legata all’attitudine della mescola a dissipare energia sottoforma di calore. Il rapporto tra queste grandezze è definito Loss Factor. È grazie a quest’ultimo che è possibile analizzare le applicazioni dinamiche del veicolo. Si può prevedere, come dicevamo prima, l’aderenza, ma anche l’usura dello pneumatico.

Le proprietà viscoelastiche sono solitamente determinate dall’analisi meccanica dinamica (D.M.A.), una tecnica che richiede una strumentazione da laboratorio piuttosto costosa e complessa. Inoltre, i provini da testare con la D.M.A. devono presentare dimensioni e caratteristiche ben precise, e soprattutto devono essere ottenuti dallo pneumatico, distruggendolo e facendogli perdere la propria funzionalità. Quindi, ad esempio, una scuderia di Formula 1 non può effettuare dei test su pneumatici che dovrà montare successivamente su un’auto per mandarla in pista.

Ma, ora, andiamo ad analizzare altri due diagrammi.

Innanzitutto definiamo l’indice preliminare di comportamento viscoelastico. Esso rappresenta la variazione di energia cinetica prima e dopo il primo contatto tra l’asta interna al VESevo ed il battistrada, entro un certo intervallo di temperatura. Nel primo diagramma, possiamo vedere i dati relativi all’indice viscoelastico di tre mescole di riferimento di tre pneumatici (A, B e C) in funzione della temperatura, insieme alle loro curve di fitting. Gli andamenti mostrano una buona correlazione con quelli, del Loss Mudulus che sono normalizzati per riservatezza industriale sul grafico sotto.

In particolare possiamo notare un picco di corrispondenza con la temperatura di transizione vetrosa alla quale si verifica la massima perdita di energia: da un lato, lo pneumatico C sembra essere caratterizzato da un picco del fattore di perdita più elevato rispetto agli altri; d’altra parte, lo pneumatico B sembra mostrare la temperatura di transizione vetrosa più bassa. La temperatura di transizione vetrosa rappresenta la temperatura al di sotto della quale si ha un comportamento di tipo vetroso, cioè sono “congelati” i movimenti delle molecole, limitando il tutto a delle semplici vibrazioni degli atomi singoli, ma niente di più

VESevo: studiare gli pneumatici senza distruggerli

Il Vehicle Dynamics Research Group del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, aiutato dalla sua società spin-off MegaRide, ha progettato e sviluppato un dispositivo innovativo e portatile, definito come Viscoelasticity Evaluation System Evolved (VESevo, come le origini del nome del noto Vesuvio, situato a Napoli).

Grazie a questo strumento è possibile caratterizzare la viscoelasticità del battistrada del pneumatico e le sue variazioni dovute al raffreddamento o al surriscaldamento, all’usura, invecchiamento e simili. Grazie a questa soluzione, gli ingegneri di pista, potranno ricavare informazioni molto importanti sui propri pneumatici, migliorando l’affidabilità dei dati elaborati dai loro modelli fisici, e di conseguenza le prestazioni del veicolo.

Le prove sono non distruttive e ripetibili. Lo strumento ha la forma di una “pistola”, il che la rende pratica nell’utilizzo. La struttura interna del dispositivo è caratterizzata da un’asta in acciaio con penetratore semisferico. Questa asta è libera di rimbalzare sulla superficie della mescola di interesse scorrendo all’interno di un’apposita guida in modo da trascurare il fenomeno di smorzamento durante il moto dell’asta. Nel sistema è posizionata una molla per garantire il minimo precarico.

Il movimento dell’asta parte sempre dalla stessa posizione iniziale grazie ad un sistema basato su una opportuna disposizione di leveraggi interni: un sistema meccanico di tenuta/sgancio è in grado di “afferrare” la piastra superiore dell’asta e sollevarla fino alla massima risalita. Per acquisire correttamente il segnale di spostamento, è stato scelto un sensore ottico di dimensioni compatte e risposta in frequenza molto elevata. La temperatura della mescola durante una singola prova può essere acquisita insieme ai dati di spostamento.

Pertanto, un pirometro ad infrarossi compatto è stato scelto e installato nell’apposito alloggiamento del sensore al fine di analizzare i segnali a diverso comportamento viscoelastico.
E’ stato inoltre sviluppato un software per rilevare i primi dati, grezzi, che consentono di rilevare alcune anomalie di acquisizione e verificare l’affidabilità di ogni test. Durante la prova, la superficie del battistrada viene progressivamente raffreddata e riscaldata dall’utente, mediante dispositivi termici. Durante le variazioni di temperatura, ogni prova consiste in tre acquisizioni consecutive alla stessa temperatura, memorizzate in modo da avere una quantità adeguata di dati per l’elaborazione statistica.

Aumentando la temperatura, il movimento dell’asta interna cambia a causa delle diverse risposte della mescola. Il segnale, mostrato nell’immagine sopra, è caratterizzato da ampiezze ridotte e basso numero di rimbalzi entro un intervallo di bassa temperatura. Invece ad alte temperature è possibile notare un maggior numero di rimbalzi con valori di ampiezza più importanti. Questo fenomeno dipende dalle variazioni di viscoelasticità dovute all’effetto della temperatura.

Un’ulteriore analisi sul comportamento viscoelastico della mescola testata può essere effettuata considerando i segnali di velocità del movimento dello stelo (figura a destra dell’immagine sopra): la pendenza della curva di spostamento prima e dopo la massima profondità di indentazione cambia a causa del rimbalzo su una superficie viscoelastica.
In conclusione, dunque, potremmo dire che VESevo facilita parzialmente il lavoro dei tecnici e ingegneri di pista. In una categoria estrema come la Formula 1 o la MotoGP, dove ogni dettaglio può fare la differenza tra la vittoria e la sconfitta, o anche semplicemente tra la vittoria o un ritiro, è di fondamentale importanza avere a disposizione strumenti che consentano di ottenere dei dati in modo semplice da parte dell’utente, ma che al contempo siano quanto più precisi possibili.