Numerical model and experimental methodology for the characterization of tyre contact forces including thermal effect

Tyres are of extreme importance in vehicle dynamics, since they are the only part of the vehicle in contact with the ground. They are responsible for the transmission of the necessary forces for the vehicle to accelerate, brake and turn. In recent years tyres and vehicle manufacturers have increased their interest in considering the thermal effect in the tyre description. In the past, tyre models were limited to mathematical model aimed to compute the axle characteristics. Nowadays these models are becoming increasingly important, since the original equipment maufacturers (OEMs) are shifting their focus on driver in the loop simulators and autonomous driving vehicles. Both of these applications rely on models that are able to predict the vehicle behaviour in a large set of conditions. Furthermore tyre thermal properties are extremely important in Motorsport applications, where tyres are subjected to high thermal stresses. Looking at the actual tyre models and to the experimental results some differences can be noticed, mainly due to the variation in tyre thermal properties during different manoeuvres. The aim of this thesis is to develop a tyre forces and moments model that is able to consider the variation in tyre characteristics as a function of its temperature. Since tyres are complex products, the results of the numerical models are extremely affected by the experimental methodology used to calibrate them. For this reason, the development of the new tyre model goes together with the development of a new tyre testing methodology. In this thesis a new experimental methodology on MTS Flat-Trac machine is proposed, and the experimental phase for the measurements of the tyre temperature variation as a function of different conditions is fully described. Experimental results allow to understand which are the parameters that have an influence on tyre temperature variation and are used to develop a thermodynamic model of the tyre. This thermodynamic model is used in parallel with a modified version of Pacejka’s Magic Formula, in order to take into account the influence of the temperature in tyre characteristics. Both the model and the methodology were characterised and validated on different tyres, ranging from consumer products to motorsport tyres, ensuring an optimal correspondence between model results and experimental data. This thesis has been developed in the ‘Research and Development’ department of Pirelli Tyre S.p.A., in collaboration with the Mechanical Engineering Department of Politecnico di Milano.

Lo pneumatico è un elemento estremamente importante nella dinamica dei veicoli, dato che è l’unica parte del veicolo in contatto con il suolo. Gli pneumatici trasmettono le forze necessarie al veicolo per accelerare, frenare e curvare. Negli ultimi anni, i produttori di gomme e case automobilistiche si sono interessati maggiormente agli effetti termici nella descrizione dello pneumatico. Nel passato, i modelli degli pneumatici erano limitati a modelli numerici usati per ottenere le caratteristiche dell’asse. Al giorno d’oggi questi modelli stanno diventando fondamentali, dato che le case automobilistiche si stanno concentrando su simulatori di guida driver in the loop (DIL) e guida autonoma. Entrambe le applicazioni si basano su modelli che riescono a predire il comportamento del veicolo in numerose condizioni diverse. L'aspetto termico è di assoluta importanza nelle applicazioni Motorsport, dove lo pneumatico è sottoposto a prolungati stress termici. Analizzando i modelli degli pneumatici e i risultati sperimentali si possono notare alcune differenze, principalmente causate dalla variazione della temperatura della gomma durante una manovra. Lo scopo della tesi è lo sviluppo di un modello delle forze e dei momenti capace di considerare la variazione delle caratteristiche dello pneumatico in funzione della temperatura. Dato che gli pneumatici sono prodotti complessi, i risultati del modello numerico sono influenzati dalla metodologia sperimentale usata per calibrarlo. Per questo motivo lo sviluppo di un nuovo modello delle forze di contatto viene fatto in parallelo allo sviluppo di una nuova metodologia per la caratterizzazione dello pneumatico. In questo lavoro di tesi viene proposta una nuova metodologia da usare sul macchinario MTS Flat-Trac, e la procedura sperimentale per la misura delle temperature in diverse condizioni è descritta nel dettaglio. I risultati sperimentali permettono di individuare i parametri che influenzano la variazione della temperatura e sono usati per lo sviluppo di un modello termodinamico della gomma. Il modello termodinamico viene usato in parallelo a una versione modificata della Magic Formula di Pacejka per considerare l’influenza della temperatura sulle caratteristiche dello pneumatico. Sia il modello che la metodologia sono stati caratterizzati e validati su diversi pneumatici, che vanno da pneumatici stradali fino ad applicazioni da competizione, garantendo un’ottima corrispondenza tra i risultati del modello e dati sperimentali. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nel dipartimento “Research and Development” di Pirelli Tyre S.p.A., in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano.