Tyre rolling resistance : analysis of indoor testing methodologies and improvements of FEA simulation procedure

Resistance generated by a rolling tyre can make up to 20% of the whole vehicle resistance to motion (depending on driving conditions) and its reduction leads to a significant fuel economy improvement and subsequent emission abatement. A correct rolling resistance coefficient (RRC) evaluation, by means of experimental and numerical campaigns, allows understanding the phenomena behind tyre power dissipation; on the other side, an accurate measurement and/or estimation in different operating conditions, more representative of real use, makes it possible to quantify the rolling resistance effect with respect to the whole vehicle. This is of fundamental importance, especially considering the ever growing electric and hybrid vehicles diffusion, whose driving range might influence the choice on a model rather that another. Therefore, tyre manufacturing companies are becoming increasingly interested in reducing the rolling resistance in real driving conditions, improving their competitiveness on the market. The present research work has a double goal: to conduct an experimental campaign on a new testing rig able to impose a large range of testing parameters and, on the other hand, to develop a new finite element (FE) procedure to compute the rolling resistance, exploiting experimental considerations and final results. In order to understand rolling resistance phenomenology and the main influencing parameters in different driving conditions, a broad range of tyres belonging to different tyre classes and sizes have been analysed. Beside standard procedures, new testing methodologies have been implemented, aiming at obtaining results that are closer to actual on-vehicle rolling conditions; significant differences have been observed between the two approaches. This has brought to different considerations about the validity of the standards themselves for evaluating actual tyre rolling resistance performances under realistic utilization parameters; moreover, an interpretation of the results has been proposed. Beside the analysis of experimental data, the development of a new finite element methodology for RRC simulations has been proposed: current methodology has been exploited as the starting point, implementing several improvements in order to extend the method applicability to a larger range of simulation conditions. This has allowed obtaining a procedure able to describe correctly the effect of several parameters on the rolling resistance by means of the definition of some physical indicators, yet keeping the computing time advantages of the current methodology. Finite element simulations have been, then, validated thanks to the comparison with the experimental results for different tyre types. The present thesis work has been developed together with the Research and Development department of Pirelli Tyre S.p.A., in collaboration with the Department of Mechanical Engineering of Politecnico di Milano.

La resistenza al rotolamento data dal pneumatico può incidere fino al 20% (in base alle condizioni di guida) dell’intera resistenza al moto di un veicolo e una riduzione di tale contributo, dunque, implica un notevole risparmio in termini di consumi di carburante e conseguenti emissioni. La corretta valutazione della resistenza al rotolamento, tramite campagne sperimentali e numeriche, permette di comprenderne i fenomeni che la costituiscono e agire su di loro; al contempo, una sua accurata misura e/o stima permette di quantificarne l’effetto in relazione all’intero veicolo in diverse condizioni operative. Ciò è di fondamentale importanza specialmente considerando la sempre crescente diffusione di veicoli elettrici e ibridi, la cui autonomia spesso costituisce una discriminante nella scelta di un modello rispetto ad un altro. In quest’ottica le case costruttrici sono sempre più interessate a ridurre il coefficiente di resistenza a rotolamento del pneumatico aumentando la propria competitività sul mercato. Questo lavoro di ricerca si pone un duplice obiettivo: da una parte quello di condurre una campagna sperimentale su un nuovo macchinario capace di calcolare il valore di coefficiente di resistenza al rotolamento con svariati parametri di test e dall’altra sviluppare una nuova metodologia ad elementi finiti per il calcolo del coefficiente di resistenza a rotolamento sfruttando i dati della sperimentazione. L’effetto di diversi parametri operativi sulla resistenza a rotolamento è stata analizzata su una gamma di pneumatici con diverse specifiche e dimensioni, per comprenderne il fenomeno e i principali parametri di influenza in diverse condizioni. In aggiunta alle procedure standard, nuove metodologie di test sono state implementate con il fine di ottenere dei risultati più vicini alle condizioni di utilizzo del pneumatico su veicolo osservando notevoli differenze tra i risultati ottenuti tramite i due approcci. Ciò ha portato a diverse considerazioni circa l’attendibilità degli stessi standard per la valutazione delle reali prestazioni del pneumatico durante le normali condizioni d’uso, oltre all’interpretazione dei dati ottenuti. All’analisi dei dati sperimentali si aggiunge lo sviluppo di un approccio innovativo per il calcolo del coefficiente di resistenza a rotolamento tramite modelli ad elementi finiti, sfruttando le attuali procedure ma proponendo degli accorgimenti che ne permettano l’applicabilità a un campo più ampio di condizioni di simulazione. Ciò ha permesso di ottenere una procedura capace di descrivere correttamente l’effetto di alcuni parametri sull’andamento della resistenza al rotolamento tramite la definizione di diversi indicatori fisici, mantenendo i vantaggi di tempo dell’attuale procedura. Le simulazioni ad elementi finiti sono state, quindi, validate tramite confronto con i risultati sperimentali per diverse tipologie di pneumatici. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nel dipartimento Ricerca e Sviluppo di Pirelli Tyre S.p.A., in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano.