Development and implementation of optical measurement systems for tyre footprint stress field

Tyre testing is an essential part of the tyre development process, its goals being both the refining and validation of numerical models of the tyre thermomechanical behavior and the direct verification of the effectiveness of the design choices. In particular, tyre footprint stress field acquisitions offer the potential advantage of encapsulating a great amount of information: the details of the stresses exchanged between the tyre and the road surface are of fundamental importance in a vast area of the tyre's and vehicle's dynamical behavior. This work focuses on the development of a indoor tyre testing systems devoted to the tyre normal contact stress field, based on frustration of total internal reflection of light. A statical test bench is implemented by supporting a glass plate illuminated form the sides by an array of LED lights of appropriate intensity and framing its underside with a calibrated camera in order to establish a precise correspondence between image coordinates and real-world coordinates. The intensity values of the pixels is then correlated to normal contact stress magnitude via the interposition between the tested tyre and the glass surface of a calibrated polymeric material. The calibration process allows to establish the correlation between intensity values and normal pressure applied on the material surface. A second testing system, aimed at dynamical conditions, is implemented on a tyre testing drum and it is currently able to perform straight free rolling tests at speeds up to 120 km/h. The physical setup and the data processing software for both systems are explained in detail. A first validation of the systems has been performed by comparing their results to those of established measurement system in the case of the statical test bench and by comparing rolling resistance estimates based on the analysis of the contact patch normal stress field acquired by the dynamical system and measures done via standard certification procedures. The results of the validation processes and their repeatability proved to be very encouraging.

La sperimentazione è una componente fondamentale a supporto dello sviluppo di nuove specifiche di pneumatici, che si pone come obiettivi da una parte la validazione e il supporto all'affinamento di modelli predittivi numerici del comportamento termomeccanico del pneumatico stesso, dall'altra una verifica diretta dell'efficacia delle scelte progettuali. In particolare, misure della distribuzione di sforzi al contatto nell'area di impronte offrono il vantaggio di contenere una grande quantità di informazioni: il modo in cui la copertura interagisce col terreno risulta di fondamentale importanza per una vasta porzione del comportamento dinamico della copertura stessa e del veicolo. Questo lavoro tratta dello sviluppo di sistemi di misura indoor rivolti all'acquisizione del campo di sforzi normali alla superficie di contatto, basati sul fenomeno della riflessione totale interna della luce all'interno di una lastra di materiale trasparente. Un banco di prova statico, costituito da una lastra di vetro illuminata dai lati da luci LED con intensità appropriata, da una fotocamera che inquadra la sua superficie inferiore e dalla loro struttura di supporto, è stato progettato, sviluppato e implementato. La fotocamera è calibrata, in modo che sia possibile stabilire una correlazione tra coordinate immagine e coordinate reali. I valori di intensità dei pixel nelle immagini acquisite sono correlati ai valori di modulo dello sforzo normale al contatto tramite l'interposizione di un materiale polimerico calibrato fra la superficie del vetro e quella dello pneumatico soggetto al test. Un secondo sistema di misura, dedicato a condizioni dinamiche, è stato implementato modificando la struttura di un tamburo per prove a velocità costante (fino a 120 km/h). Il setup e il software per l'elaborazione dei dati acquisiti sono descritti dettagliatamente. Una prima validazione dei risultati di entrambi i sistemi è stata effettuata, per quanto riguarda il banco statico, attraverso la comparazione dei risultati provenienti da un sistema piezo-resistivo commerciale di comprovata efficacia. Nel caso del sistema ottico per misure dinamiche su tamburo il confronto è stato eseguito su misure di resistenza al rotolamento, ottenute mediante sistemi standard certificati e il sistema ottico stesso. I risultati sono stati giudicati molto incoraggianti.