Experimental Dynamic Characterization of Tire/Tire Components

The reduction of the noise generated by rolling tire is becoming one of the most important and difficult challenges for tire manufactures. The growing interest in tire noise performances is related both to the requirements coming from the car industry and the new regulations regarding the reduction of the acoustic pollution of our cities. Car manufacturers require silent tire in order to guarantee a high comfort level inside the car. During last years, a lot of work has been done in order to make the interior of the cars as comfortable as possible and the current cockpit insulation can significantly reduce the noise coming from the engine, so, in order to further increase the comfort level, they ask for silent tires. According to several studies, in fact, the engine is the first noise source in a moving car followed by the rolling tire noise, so it is easy to understand the reason why there is such a requirement. The noise generated by rolling tires is completely different from the engine noise in terms of frequencies and the cockpit insulation cannot reduce it in the whole frequency range of interest (0 – 2000 Hz). This aspect is even more important with the new electric or hybrid engines, where the noise is completely or partially deleted. When talking about rolling tire noise, two main classifications have been defined. According to the first classification, “in-vehicle” and “exterior noise” can be distinguished: the first one refers to the noise perceived inside the car, while the second one is the noise heard by the people outside the car, i.e. the noise that propagates in the external environment. The second classification is based on the noise generation mechanism. In this case, “Structureborne noise” and “Airborne noise” can be distinguished: the first one refers to that noise component related to the interaction between rolling tire and car components resulting in spindle forces causing low frequency vibrations (up to 250 Hz) that are mainly responsible for the in-vehicle noise, while the “Airborne noise” refers to those mechanisms which depends on the tire only and on its interaction with the air. This second group mainly generates high frequency noise propagating in the surroundings, but it has also a contribution entering inside the car. On the other side, there are new regulations that impose a significant reduction in terms of exterior noise. From this short introduction it is clear how complex the analysed phenomenon is, because, even if the noise source is the same, each noise component is different from the others and requires dedicated studies and countermeasures. Tire manufacturers have understood that, in order to satisfy these requirements in terms of noise reduction, it is necessary to complete change how the tire noise study is approached, because noise performance must be considered from the first stages of the development as well as the other classic performances, such as handling, braking, rolling resistance and so on. In fact, the noise reduction to be achieved is very consistent, so it necessary to deeply understand how noise is generated to define the features of a noise-oriented tire structure. In the past years, a low noise level was considered an optional, mainly because it was quite easy to respect the limits imposed by regulations to obtain the approval for the commercialization. If there were some noise problems, they were solved with some changes in terms of pattern design based on the experience of the engineers, but the reduction obtained was very low. To significantly reduce the noise emission, it is necessary to investigate and understand how noise is generated and evaluate the effect on the noise emission of every tire components and materials used in tire construction. To do this, it is necessary to better understand the noise generation mechanisms, in fact, even if a lot of researchers have studied this phenomenon for decades, it is still not completely clear how noise is generated. According to several studies, among all the mechanisms the most important are the vibrations of the rolling tire. This is the main topic of this work and it is analysed in two different ways: from a global point of view through a complete dynamic characterization of the rolling tire and from a more detailed point of view looking at the dynamic characterization of samples of tire components. The first part of the thesis deals with the measurement of tire vibrations using an innovative set-up based on the 3D - Digital Image Correlation (DIC) technique. It has several advantages if compared with the current techniques, among which the possibility to measure irregular and inhomogeneous surface is one of the most important because it allows to perform significative measurement on tire crown. This is one of the innovations introduced in this work, since this measurement cannot be performed with other techniques. As well as the state of art technique, that is the Laser Doppler Vibrometer (LDV), the DIC is a non-contact technique, but it does not require a smooth and homogenous surface and this feature is exploited to measure the crown of the rolling tire. It is characterized by the so-called tread pattern, that is a sequence of blocks, so the LDV cannot be used because every block causes a spike in the LDV signal, while the DIC does not have this problem, since it compares two images to define the displacement of the measurement points. Even if it is a full-field technique, this feature cannot be completely exploited on a rolling tire, because of the width of the frequency range of interest and the size of the tire compared with the current resolution of the available cameras. The DIC technique was born to perform displacement and deformation measurements in static or quasi-static condition, but the modern fast cameras, characterized by very high frame rates, suggest the possibility to use this technique to perform vibration measurement. Since the DIC measure the displacements, it is necessary to have a high frame rate in order to detect also the very small displacements that characterise the high frequency vibration and the modern fast cameras satisfy this requirement, even if the resolution it is not too high, because the size of the image will be too high and there would not be the possibility to transfer the images with the same rate of the acquisition one. For this reason the frame size must be adequate to the frequency range of interest: if the low frequency carcass modes are investigated, the full-view on the sidewall can be used, but if the high frequency vibrations must be studied, it is necessary to focus the cameras on the contact patch area, in order to measure the small displacement generated by the impact of tread blocks with the road. These displacements are strictly localized in the contact patch area and a full-sidewall view cannot detect them: when the cameras are focused on a smaller area, the resolution of the system is increased because the pixels are focused on a smaller area and smaller displacements can be measured. The new set-up has been validated through the comparison with LDV both in static and dynamic condition in both the framing configurations. This is probably one of the main disadvantages of this technique, but it is a limit of current technologies because it is not possible to produce cameras with high resolution and high frame rate. The correlation between DIC and LDV measurement is very good, the LDV’s accuracy is a little bit higher, but it depends on the measured quantity (velocity VS displacement). The new dynamic characterization of tire crown and its comparison with sidewall provide new information about rolling tire vibrations that suggest some countermeasures for the development of a noise-oriented tire structure. provide new information not available in the past years. Two case studies are described to demonstrate the potentialities of the new set-up and demonstrating how an important noise reduction can be achieved. In the second part of this PhD project, the same set-up has been used to perform an innovative dynamic noise-oriented characterization of cord-rubber composite samples to evaluate the effect of reinforcing materials on the noise emission. It represents a completely new approach to the problem because it is a tentative to correlate the noise emission with tire structure components. A lot of work has been done to characterize rubber and reinforcing cords, but there are some problems: they are characterized separately, the size of the samples is very small and it is not representative of what happens on the real tire, it is a static or quasi-static characterization and if, a composite sample is used, in these conditions the only in-plane and out-of-plane stiffness values can be extracted. This procedure is useful to completely characterize the rubber used for tire compound and the reinforcing materials in terms of their mechanical properties, but it is useless in predicting noise emission, because the frequency response of the samples is unknown. The lack of these information is related to the approach used until now. As previously stated, in the past years tire silence was a secondary requirement and, when the first limitations in terms of noise emission had to be satisfied, a very expensive strategy in terms both of time and money has been used: the choice of the reinforcing material is performed producing a tire prototype for each candidate material, testing all the tires and identifying the tire that score the lowest noise emission. Nowadays, the reduction imposed is so strong, that tire developers are forced to consider the noise target from the first stages of the development in order to produce a noise-oriented tire structure and the absence of such a characterization has emerged. The approach proposed in this thesis considers samples produced in the same way they can be found on the final tire and the analysis of their mobilities suggest which are supposed to produce a reduction of noise emission. The final response comes from the test of a prototype tire, but in this way the selection of the proper materials is faster and, at the same time, the number of tests on tire and the prototypes produced is significantly reduced and the mechanism understanding is improved. In order to obtain good and useful results it important to define the correct structure of the samples, in fact even if the idea is to characterize the cap ply or body ply layers, the sample must contain also the belt package for global stiffness and mass reasons: if the belt is not used, the samples produced are very lightweight and the variation of the cord cause significant variations in terms of mass and stiffness with a shift in terms of resonance frequencies that it is not related to mechanical properties of the cord materials or sample thickness, but it is related to the mass variation only. When the belts are applied, the samples have almost the same mass and stiffness and the effect of the different cap ply layers is a variation in terms of mobility. The results obtained for a group of samples have been compared with those coming from the dynamic characterization of the corresponding final tire and their acoustic measurements, showing a good correlation between the measurement on samples and entire tires. The performed measurements suggest that the new approach produce interesting results and this procedure can be effectively used. For sure other test on other samples must be performed to confirm the first results and to define a database of materials. In conclusion it can be said that an innovative measurement set-up for the dynamic characterization of rolling tire has been developed and validated. Both sidewall and crown can be characterized with the new set-up. At the same time, an innovative approach for noise reduction based on the characterization of tire components has been proposed.

La riduzione del rumore generato dagli pneumatici in rotolamento rappresenta una delle principali e più difficili sfide per le case produttrici di pneumatici. Negli ultimi anni, infatti, c’è stato un sempre crescente interesse verso questo argomento a seguito delle richieste provenienti dal mondo automobilistico e delle nuove normative in termini di riduzione dell’inquinamento acustico, che impongono un forte abbattimento del rumore generato dagli pneumatici. Oggigiorno, le case automobilistiche tendono a richiedere pneumatici sempre più silenziosi per garantire livelli di confort sempre più elevati all’interno dell’abitacolo e in quest’ottica gli pneumatici giocano un ruolo fondamentale. Col passare degli anni, è stato fatto un notevole passo avanti in termini di abbattimento del rumore generato dal sistema di propulsione, principalmente attraverso l’isolamento acustico dell’abitacolo e, dal momento che la seconda fonte di rumore dopo il motore è rappresentata proprio dagli pneumatici, si capisce come mai ci sia la richiesta di pneumatici silenziosi. Il rotolamento degli pneumatici sull’asfalto, infatti, genera un rumore piuttosto fastidioso che viene percepito in maniera fortemente sgradevole all’interno del veicolo. Inoltre, questo aspetto sta diventando ancor più importante a seguito della massiccia diffusione delle auto ibride ed elettriche, in cui il rumore del motore è fortemente ridotto o addirittura eliminato. Dall’altro lato ci sono le nuove normative riguardo la riduzione dell’inquinamento acustico delle nostre città che impongono anch’esse un forte abbattimento delle emissioni sonore dello pneumatico, per di più da conseguire anche in tempi molto stretti. La somma di queste due richieste impone quindi uno studio approfondito di questo aspetto a partire dalla necessità di approfondire quali sono i meccanismi di generazione del rumore. Quando si parla di rumore generato dagli pneumatici, occorre fare una distinzione tra “in-vehicle noise” and “exterior noise”: il primo rappresenta il rumore percepito dagli individui all’interno dell’abitacolo, mentre il secondo si riferisce al rumore emesso dallo pneumatico nell’ambiente esterno ed è la componente che viene percepita dalle persone all’esterno della vettura. Esiste poi anche una seconda distinzione basata sul meccanismo di generazione del rumore. Secondo questa classificazione, è possibile distinguere tra “Structureborne noise” e “Airborne noise”: nel primo caso il rumore è legato all’interazione dello pneumatico con altri componenti del veicolo che genera delle forze al mozzo che si traducono in vibrazioni e rumore a bassa frequenza (250 Hz); la seconda componente dipende solamente dallo pneumatico e dalla sua interazione con l’aria. Questo secondo gruppo è responsabile principalmente del rumore esterno, ma ha anche una componente ad alta frequenza (fino a 2000 Hz) che rientra all’interno dell’abitacolo. Da questa breve introduzione si capisce come il fenomeno analizzato sia molto complesso, in quanto comprende diverse componenti che sono molto diverse tra loro, sia in termini di meccanismo che di range di frequenza, e pertanto richiedono studi e contromisure dedicate. Per ottenere una riduzione del rumore così consistente, è necessario un drastico cambiamento del modo in cui viene approcciato il problema, poiché si è capito come sia necessario considerare questo aspetto fin dalle prime fasi dello sviluppo di un nuovo pneumatico, accanto a tutte le performance classiche, quali bassa resistenza al rotolamento, handling o braking. Finora, invece, la silenziosità era vista come una caratteristica secondaria o un optional. Generalmente ci si occupava di questo aspetto solo in caso di reclami da parte di una casa automobilistica o se le emissioni sonore dello pneumatico erano di poco al di sopra dei limiti e non c’era quindi la possibilità di ricevere l’omologazione ed essere immesso sul mercato. Si trattava comunque di problemi di piccola entità che con piccoli cambiamenti a livello di pattern era possibile in qualche modo risolvere. Tuttavia, si capisce come si trattasse di un approccio basato sull’esperienza degli ingegneri, ma non sorretto da una base teorica. Per poter abbattere le emissioni acustiche dello pneumatico è necessario in primo luogo comprendere quali sono i meccanismi di generazione del rumore, in modo da sviluppare uno pneumatico che abbia una struttura e un disegno del battistrada cosiddetti “noise-oriented”. Secondo diversi studi, tra i tanti meccanismi di generazione del rumore, il più importante è rappresentato dalle vibrazioni dello pneumatico in rotolamento, pertanto questo lavoro è incentrato proprio su questo aspetto. Il lavoro è diviso in due sezioni principali; la prima parte è focalizzata sulla caratterizzazione dinamica dello pneumatico, mentre nella seconda parte viene presentata un’innovativa caratterizzazione dinamica di alcuni suoi componenti per valutare la loro influenza sulle emissioni acustiche. In entrambi i casi vengono presentati dei casi studio per esporre i principali risultati conseguiti all’interno di questo progetto. Come detto, la prima parte della presente tesi è dedicata alla misura delle vibrazioni dello pneumatico attraverso lo sviluppo di un set-up innovato basato sulla tecnica 3D Digital Image Correlation (3D-DIC). Questa tecnica ha diversi vantaggi e permette di superare i limiti dello stato dell’arte, rappresentato dalle misure effettuate con il Vibrometro Laser Doppler. Per una misura di questo tipo occorre una tecnica che sia in grado di misurare un oggetto in movimento, quindi deve essere una tecnica senza contatto e deve essere in grado di misurare all’interno di un range molto ampio (0 – 2000 Hz). Finora l’unico strumento in grado di eseguire una tale misura era il Vibrometro Laser Doppler, anche se con diversi limiti, come ad esempio la possibilità di misurare solamente il fianco dello pneumatico o i tempi molto lunghi, in relazione al numero di punti da acquisire, che possono provocare variazioni delle condizioni al contorno. La DIC è una tecnica nata principalmente per misure statiche o quasi statiche di deformazioni o spostamenti, tuttavia le moderne fast cameras possono rappresentare una valida alternativa al vibrometro laser in quanto sono caratterizzate da frame rate molto elevati, ragion per cui è possibile misurare spostamenti estremamente piccoli e, quindi, è possibile usare tale tecnica anche per misure di vibrazioni ad alta frequenza. L’utilizzo di tale set-up ha richiesto un lungo lavoro di ottimizzazione, ampiamente descritto in questa tesi, necessario per valutare l’effetto di tutti i principali parametri che influenzano l’acquisizione e, in particolare, è stato necessario capire come poter sfruttare al meglio la strumentazione disponibile per poter eseguire le misure necessarie. Gli attuali limiti tecnologi, infatti, permettono di avere frame rate estremamente elevati, ma al tempo stesso non è possibile avere risoluzioni troppo spinte, altrimenti la dimensione delle immagini sarebbe troppo grande e le attuali velocità di trasferimento dei dati non sarebbero in grado di seguire la frequenza con cui vengono acquisite le immagini stesse. Per tale motivo è richiesto un adattamento dell’inquadratura a seconda del range di frequenze che si vuole studiare. Le vibrazioni dello pneumatico in rotolamento si dividono in due grandi gruppi: le vibrazioni a bassa frequenza (fino a circa 250 Hz) sono caratterizzate da spostamenti di ampiezza elevata che investono tutta la struttura dello pneumatico e per questo sono detti modi di carcassa; ad alta frequenza, le vibrazioni sono generate dagli impatti dei blocchetti del battistrada sull’asfalto che causano spostamenti molto piccoli dei punti localizzati intorno la zona di contatto e sono vibrazioni che rimangono fortemente localizzate in quella zona e non possono essere misurate lavorando con un’inquadratura sull’intero fianco. Nonostante la DIC sia una tecnica di misura full-field, lavorando con un range in frequenza molto ampio e, considerando le dimensioni dello pneumatico, non è possibile sfruttare del tutto questa proprietà. Infatti, se il focus è la bassa frequenza, si può utilizzare un’inquadratura sull’intero fianco, ma se si vogliono studiare le alte frequenze, è necessario usare un’inquadratura focalizzata sulla zona di contatto, che è stato dimostrato essere la zona più rappresentativa del comportamento vibrazionale dell’intero pneumatico. Nell’ambito della misura delle vibrazioni dello pneumatico in rotolamento, l’utilizzo di tale set-up, ha permesso di raggiungere un importante obiettivo, cioè quello di misurare la corona dello pneumatico, che rappresenta una grande innovazione in quanto non è possibile eseguire questa misura con altre tecniche a causa delle discontinuità introdotte dal pattern che rendono impossibile l’utilizzo del vibrometro laser. In questo modo è possibile avere una caratterizzazione dinamica completa dello pneumatico e, attraverso due casi studio, è stato dimostrato come è possibile usare questa tecnica per fornire nuove utili informazioni agli ingeneri di sviluppo. In particolare, dallo studio di diversi pneumatici è emerso come sia possibile ottenere una forte riduzione del rumore con pneumatici in cui le vibrazioni del fianco sono molto smorzate, anche se questo comporta un incremento della mobilità della corona. Questa affermazione è stata dimostrata presentando due casi studio, in cui quest’effetto viene ottenuto con due differenti soluzioni tecniche. Infine, l’intero set-up di misura è stato validato sia in condizioni statiche che dinamiche attraverso il confronto con il vibrometro laser. Il confronto mostra come ci sia un’ottima corrispondenza tra le due misure e permette di evidenziare come la maggiore sensibilità del vibrometro permetta di misurare l’intero range di frequenza con un’unica misura, ma la risoluzione spaziale è piuttosto bassa. La seconda parte del lavoro, invece, introduce un innovativo approccio allo studio del problema, in quanto considera l’effetto di alcuni componenti della struttura dello pneumatico sull’emissione acustica. Tale metodo vuole far fronte alla difficoltà degli ingegneri di scegliere quale sia il materiale di rinforzo più adatto per la struttura di uno pneumatico silenzioso, dovendo scegliere tra una lista molto ampia di candidati. Finora tale problema veniva risolto producendo un prototipo per ogni soluzione tecnica o materiale da testare, i prototipi venivano testati acusticamente e quello che risultava essere più silenzioso veniva scelto. In questo modo si spendono molto tempo e molto denaro, ma soprattutto non si capisce quali siano i meccanismi di generazione del rumore, non si capisce perché un materiale sia migliori di un altro e per di più non viene fatta la caratterizzazione dei materiali. L’utilizzo di tale procedura è dettato dalla mancanza di una caratterizzazione dinamica dei materiali. Sebbene esista una caratterizzazione dinamica delle gomme utilizzate per produrre le mescole così come una dettagliata caratterizzazione dei materiali in termini di proprietà fisiche e meccaniche, non esiste una caratterizzazione di campioni compositi di gomma e corde di materiali di rinforzo. In realtà una minima caratterizzazione esiste, ma viene fatta su campioni molto piccoli e in condizioni quasi statiche che serve solo a definire i valori di rigidezza “in-plane” and “out-of.plane”. Il problema è che non si tratta di una caratterizzazione noise-oriented perché non tiene conto del comportamento dinamico del provino. L’approccio proposto, invece, considera dei campioni costruiti allo stesso modo in cui si possono trovare nella struttura dello pneumatico, cioè sono piccole travette di gomma calandrate con immerse delle corde di materiale di rinforzo. La nuova procedura si basa sulla caratterizzazione di tali provini utilizzando la tecnica DIC ed è possibile in questo modo definire l’effetto di ogni materiale in termini di mobilità dei campioni analizzati. In questo modo si possono selezionare i materiali che rispettano determinate condizioni e i test su pneumatico servono solo per conferma, quindi il loro numero sarà ridotto drasticamente con notevole risparmio di tempo e soldi. Anche in questo caso l’ottimizzazione del set-up ha richiesto molto tempo, in particolare per la definizione della struttura dei campioni. Il confronto di misure acustiche su pneumatico in rotolamento, caratterizzazione dinamica dello pneumatico e misure vibrazionali sui campioni ha permesso di definire che i materiali di rinforzo da preferire sono quelli che aumentano la mobilità della corona, in quanto si riduce la mobilità del fianco che è la principale sorgente di rumore. Tutto questo ragionamento è supportato da un caso studio presentato nell’ultimo paragrafo. In conclusione, un nuovo sistemata per la misura delle vibrazioni dello pneumatico in condizioni di rotolamento è stato sviluppato, ottimizzato e validato attraverso il confronto con il Vibrometro Laser Doppler, sia in condizioni statiche che dinamiche. Il nuovo set-up permette di eseguire misure anche sulla corona, non realizzabili con nessun’altra tecnica. Lo stesso set-up è stato utilizzato per la caratterizzazione dinamica di componenti dello penumatico.