Sistema di misura a luce strutturata per la ricostruzione 3D dello pneumatico in esercizio

This work aims at presenting the development of a structured light system for the 3D measuring of a rotating tire. The automotive and tire industries are experiencing a growing need to know the 3D shape of the tire when rolling at different speeds, vertical loads, camber and slip angles. The final output of the work can be used for FEA models validation, for the development of new tire structures and to better understand the aerodynamic vortices and wakes risen from the tire. An overview of the non-contact measuring techniques applied to 3D deformations on tires will be firstly introduced. To perform this work a 3D structured light scanner, specifically modified on purpose, has been used. Moreover an evaluation of the scanner performances has been conducted to critically evaluate the obtained results. The scanner resolution, data dispersion and measure uncertainty have been analyzed in the particular conditions that characterize dynamic tire testing. Two scanners have been applied to acquire static and dynamic deformations of the tire when rolling on a flat (MTS Flat-Trac ®) or a drum surface. To make the scanning data suitable for our purposes, a specific processing of the raw data has been designed and further optimized through the use of markers during the acquisition phase. Thanks to raw data processing a structured and space oriented 3D tire model can be obtained. In details a complete tire model can be realized and the 2D section trough the contact patch center can be derived. A further result has been achieved with standing waves analysis. When a tire is subject to very severe rolling conditions (such as high speed, high vertical load or low pressure) flexural waves emerge from the trailing edge of the contact patch. Through the 3D model of the tire sidewall a process to give a quantitative analysis of the phenomenon has been designed. Wavelength, phase and the critical speed can be measured.

Il presente lavoro di tesi tratta lo sviluppo di un sistema di scansione a luce strutturata per la ricostruzione della forma tridimensionale dello pneumatico. Il progetto nasce dall’esigenza di conoscere, nella fase di progettazione e sviluppo degli pneumatici, la forma tridimensionale che la copertura assume alle diverse condizioni di velocità, carico verticale, angoli di deriva e di camber. Dopo un’introduzione ai sistemi di misura senza contatto applicati agli pneumatici, il lavoro presenta il sistema a luce strutturata utilizzato per le misure e ne approfondisce il metodo di funzionamento. Viene dunque condotta un’analisi delle prestazioni nelle condizioni di utilizzo per la scansione di pneumatici, prendendo in considerazione la risoluzione, la dispersione dei punti acquisiti e l’incertezza di misura. Una coppia di scanner viene utilizzata per la misura di pneumatici in rotolamento su MTS Flat-Trac® e su superficie a tamburo. Un processo di elaborazione appositamente ideato permette di passare dalla nuvola di punti generata dal sistema di misura ad un modello tridimensionale dello pneumatico. In particolare è possibile realizzare modelli completi dello pneumatico e dunque estrarre la sezione bidimensionale a centro impronta. Tale risultato è di particolare interesse per la progettazione degli pneumatici e nella validazione dei modelli ad elementi finiti. Un ulteriore sviluppo del lavoro riguarda le onde stazionarie, un fenomeno tipico dello pneumatico quando soggetto a condizioni particolarmente gravose come alte velocità, elevati carichi verticali e ridotte pressioni di gonfiaggio. Attraverso la realizzazione di un modello tridimensionale del fianco dello pneumatico è stato sviluppato un efficace strumento per un’analisi quantitativa del fenomeno. Nel dettaglio è possibile misurare l’ampiezza e la fase delle onde, nonché discriminare della velocità di insorgenza.