Modellazione microscopica dell'attrito nel contatto tra pneumatico e strada

The present work was carried out at the Department of Mechanical Engineering at the Politecnico of Milan in collaboration with the department of 'Research and Development' of Pirelli Tyre SpA and the Department of Chemical Engineering at the Politecnico of Milan. The work was focused on the study of the phenomenon of friction developed in the contact between tire and road asphalt. The target was to identify a friction’s law referred to local analysis, the more generalized possible, which allows to estimate the coefficient of friction starting from fundamental quantities that govern the phenomenon as asphalt roughness and viscoelastic properties of tire material. The main difficulties lie in the accurate description of the behavior of the materials defining tire and asphalt and the ability to point out the phenomena developed locally at the contact. In fact till nowadays a model that describes the law of friction at the local level in a manner sufficiently accurate, robust and general doesn’t exists especially if applied to different surfaces and compounds and compared to experimental evidence. Starting from the study of the main characteristics of the materials involved it is shown the high complexity and the strong influence that affect the modeling of the phenomenon. Dealing with the study of contact a research based on models proposed in the literature to describe qualitatively and quantitatively the phenomenon of friction has been carried out. On the base of the research conducted it was possible to limit the analysis of the friction on two main contributions: a hysteretic, resulting from imposed deformations of tire due to road roughness, and an adhesive, derived from atomic and molecular interactions between the surfaces in contact. The review and the comprehension of the most interesting models has allowed to emphasize the major limitations with respect to which modifications has been proposed in order to improve the description of the phenomenon and the accuracy of the results compared to experimental evidence. The theoretical approach was eventually accompanied by a numerical approach based on finite element analysis to provide a more accurate picture of the local phenomena and an additional tool for the critical analysis of the results previously obtained.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano in stretta collaborazione con il reparto di ‘Ricerca e Sviluppo’ di Pirelli Tyre S.p.A. ed il Dipartimento di Ingegneria Chimica del Politecnico di Milano. Il lavoro si è focalizzato sullo studio del fenomeno di attrito sviluppato nel contatto tra la gomma di uno pneumatico automobilistico e l’asfalto stradale. L’obiettivo è stato fissato nell’identificazione di una legge di attrito a carattere locale, il più possibile generalizzata, che consenta di stimare il coefficiente di attrito a partire dalle grandezze fondamentali che governano il fenomeno: dalla rugosità dell’asfalto alle proprietà viscoelastiche del materiale dello pneumatico. Le maggiori difficoltà risiedono nella descrizione accurata del comportamento dei materiali costituenti lo pneumatico e l’asfalto e nella capacità di definire correttamente i fenomeni sviluppati localmente al contatto. Di fatto ad oggi non esiste ancora un modello che descriva la legge di attrito a livello locale in un modo sufficientemente preciso, robusto e generale da potersi adattare a differenti superfici e mescole garantendo un elevato livello di accuratezza. Partendo dallo studio delle principali caratteristiche dei materiali coinvolti se ne è voluta evidenziare l’elevata complessità e la forte influenza che incide sulla modellazione del fenomeno. Successivamente è stato valutato il fenomeno del contatto con riferimento ai principali modelli proposti in letteratura per descrivere qualitativamente e quantitativamente il fenomeno dell’attrito. Sulla base della ricerca svolta è risultato possibile limitare lo studio dell’attrito all’analisi di due principali contributi: uno isteretico, derivante dalle deformazioni imposte dall’asfalto allo pneumatico, ed uno adesivo derivante dalle interazioni molecolari e atomiche tra le superfici a contatto. L’analisi e lo studio dei modelli ha permesso di metterne in luce i maggiori limiti rispetto ai quali sono state realizzate delle modifiche al fine di migliorare la descrizione del fenomeno con riferimento ai risultati sperimentali. L’approccio teorico è stato infine accompagnato da un’analisi di natura prettamente numerica per permettere una visione più accurata dei fenomeni locali e fornire un ulteriore strumento per l’analisi critica dei risultati precedentemente ottenuti.