Modellazione analitica e numerica di uno pneumatico motociclistico per la stima delle forze scambiate con il cerchio della ruota

Lightweight design is a key issue in the development of high performance motorcycles wheels. Besides mass minimization, acceptable levels of structural stiffness and durability have also to be guaranteed. For the lightweight design of motorcycle wheels, the knowledge of how the tire contact forces are transferred to the rim is extremely important. In this thesis, an analytical model of a motorcycle tire aimed to compute the reaction forces acting at the tire/rim interface has been developed. The model is relatively simple and requires a small number of input parameters. Moreover, analytical expressions of tire radial deflection can be computed by means of this model. A FEM model of the same tire has also been developed. The FEM model accounts for the actual structure of the tire. A Neo-Hooke constitutive relation has been used for describing the rubber material of the tire. Both the FEM and the analytical model have been validated by means of experimental tests performed at the La.S.T. laboratory of Politecnico di Milano. The developed model provides the designer important indications on how road contact forces are transmitted to the wheel rim.

Nel campo della progettazione di cerchi motociclistici destinati alle competizioni è di fondamentale importanza l’ottimizzazione del componente al fine di minimizzarne la massa ed il momento di inerzia: è pertanto necessaria una precisa conoscenza della distribuzione dei carichi agenti sul cerchio della ruota con l’obiettivo di ottimizzarne sempre di più la geometria, alleggerendolo il più possibile nel rispetto di vincoli relativi alla rigidezza e alla resistenza strutturale. Nel presente lavoro di tesi è stato sviluppato un modello analitico e un modello numerico dello pneumatico motociclistico per studiare la reale interazione tra pneumatico e cerchio. In particolare il modello analitico si pone come strumento immediato e di semplice utilizzo per una prima valutazione dei carichi agenti sul cerchio al variare della pressione di gonfiaggio e del carico verticale. Nel modello ad elementi finiti è stata invece considerata la reale struttura interna dello pneumatico e il comportamento iperelastico della gomma della carcassa è stato modellato tramite una legge costitutiva di tipo Neo-Hooke. I parametri del modello analitico e di quello FEM sono stati identificati tramite prove sperimentali eseguite presso il laboratorio La.S.T. del Politecnico di Milano. Le prove sperimentali hanno permesso di ricavare le curve di rigidezza verticale e laterale di alcuni pneumatici motociclistici e le dimensioni delle relative orme di contatto. Sia il modello analitico sia quello FEM sono stati validati sperimentalmente. Il modello analitico si è inoltre dimostrato efficace nel calcolare le forze agenti in corrispondenza della zona di contatto tra pneumatico e cerchio. Tale modello è in grado quindi di fornire al progettista utili indicazioni sulla reale distribuzione delle forze agenti sul cerchio per un corretto dimensionamento di quest’ultimo.