Design of a lab-scale tire wear test rig

Tire wear particles are recognized as a major source of environmental microplastics, with documented effects on air and water quality and human health. Growing regulatory attention at both European and international level makes their study an increasingly urgent research priority. This thesis assesses the feasibility of a lab-scale tire test rig for generating and collecting tire wear particles, aiming to define its design requirements and estimate manufacturing costs. The rig accommodates real tires interacting with asphalt specimens, with a contact geometry that compromises between those used in the most widely adopted large-scale rigs. The work comprises three main contributions. First, a review of existing large-scale tire test rigs establishes the design basis and benchmarking criteria for the proposed solution. Second, tire dynamics are analyzed in depth, focusing on turn slip, the kinematic condition arising from the chosen flat-rotating-disk contact geometry. Third, the actuator is sized based on contact-patch forces, followed by detailed design of the two main sub-assemblies: the disk assembly and the tire-side assembly. The resulting solution integrates a quarter-vehicle mounted on a four-column frame, enabling vertical travel and loading of the tire assembly against the rotating disk. Two principles guided the design: cost reduction, through standard components and custom parts manufacturable via conventional processes, and modularity, allowing sub-assemblies to be independently replaced or upgraded. However, the disk radius, constrained by the need to limit turn slip, drives up both size and cost, and the rig still requires a complex actuation/control system. Within these constraints, this work provides a sound feasibility assessment of the proposed design, offering a viable basis for future construction of the test rig.

Le particelle di usura degli pneumatici sono oggi considerate una delle principali fonti di microplastiche nell'ambiente, con effetti documentati sulla qualità dell'aria, delle acque e sulla salute umana. La crescente attenzione normativa, sia europea che internazionale, rende lo studio dei meccanismi di generazione di queste particelle un tema di ricerca particolarmente attuale e urgente. Questo lavoro di tesi affronta lo studio di fattibilità di un banco prova per pneumatici in scala da laboratorio, concepito per la generazione e la raccolta di particelle di usura, con l'obiettivo di definirne i requisiti progettuali e stimarne i costi di realizzazione. La macchina è pensata per ospitare pneumatici reali a contatto con campioni di asfalto, adottando una geometria di contatto che si pone come compromesso tra le configurazioni dei principali banchi prova esistenti. Il lavoro si articola in tre contributi principali: una rassegna dei banchi prova di grande scala, utilizzata come base progettuale; l'approfondimento della dinamica dello pneumatico, con particolare attenzione al “turn slip” derivante dalla geometria del disco rotante piano; e il dimensionamento degli attuatori sulla base delle forze di contatto, seguito dalla progettazione dei due sotto-assiemi principali, gruppo disco e gruppo pneumatico. La soluzione finale integra un modello quarto di veicolo su telaio a quattro colonne, che abilita la corsa verticale del gruppo pneumatico. La progettazione ha seguito due criteri guida: l'impiego di componenti commerciali standard, con soluzioni custom realizzabili tramite processi convenzionali quando necessario, e la modularità dei sotto-assiemi. Il raggio del disco, necessariamente ampio per limitare il “turn slip”, comporta un aumento di dimensioni e costi; inoltre il banco prova richiede sistemi di attuazione e controllo e fondazioni dedicate, capaci di trasferire al suolo i carichi generati. Entro questi vincoli, la soluzione proposta costituisce un solido studio di fattibilità e una base valida per la futura realizzazione del banco prova.