La uniformidad de los neumáticos se refiere a las propiedades mecánicas dinámicas de los neumáticos definidas estrictamente por un conjunto de estándares de medición y condiciones de prueba aceptadas por los fabricantes mundiales de neumáticos y automóviles.
Estos estándares incluyen los parámetros de variación de la fuerza radial , variación de la fuerza lateral , conicidad, dirección de las capas, alabeo radial, alabeo lateral y abultamiento de la pared lateral. Los fabricantes de neumáticos de todo el mundo emplean la medición de la uniformidad de los neumáticos como una forma de identificar neumáticos de bajo rendimiento para que no se vendan en el mercado. Tanto los fabricantes de neumáticos como de vehículos buscan mejorar la uniformidad de los neumáticos para mejorar el confort de conducción del vehículo.
La circunferencia del neumático se puede modelar como una serie de elementos elásticos muy pequeños cuyas constantes elásticas varían según las condiciones de fabricación. Estos elementos de resorte se comprimen cuando entran en el área de contacto con la carretera y se recuperan cuando salen de la huella. La variación en las constantes del resorte tanto en dirección radial como lateral causa variaciones en las fuerzas de compresión y restauración a medida que gira el neumático. Dado un neumático perfecto, circulando por una carretera perfectamente lisa, la fuerza ejercida entre el automóvil y el neumático será constante. Sin embargo, un neumático de fabricación normal que circula por una carretera perfectamente lisa ejercerá una fuerza variable en el vehículo que repetirá cada rotación del neumático. Esta variación es la fuente de diversas perturbaciones en la marcha. Tanto los fabricantes de neumáticos como de automóviles buscan reducir dichas perturbaciones para mejorar el rendimiento dinámico del vehículo.
Las fuerzas de los neumáticos se dividen en tres ejes: radial, lateral y tangencial (o longitudinal). El eje radial va desde el centro del neumático hacia la banda de rodadura, y es el eje vertical que va desde la carretera a través del centro del neumático hacia el vehículo. Este eje soporta el peso del vehículo. El eje lateral discurre lateralmente a lo largo de la banda de rodadura. Este eje es paralelo al eje de montaje del neumático en el vehículo. El eje tangencial es el que se encuentra en la dirección de la marcha del neumático.
En la medida en que la fuerza radial es la que actúa hacia arriba para soportar el vehículo, la variación de la fuerza radial describe el cambio en esta fuerza a medida que el neumático gira bajo carga. A medida que el neumático gira y elementos de resorte con diferentes constantes de resorte entran y salen del área de contacto, la fuerza cambiará. Considere un neumático que soporta una carga de 4000 N (900 lbf) y circula sobre una carretera perfectamente lisa. Sería típico que la fuerza variara hacia arriba y hacia abajo a partir de este valor. Una variación entre 3900 y 4100 N (880 y 920 lbf) se caracterizaría como una variación de fuerza radial (RFV) de 200 N (40 lbf). La variación de la fuerza radial se puede expresar como un valor de pico a pico, que es el valor máximo menos el mínimo, o cualquier valor armónico como se describe a continuación.
Algunos fabricantes de neumáticos marcan la pared lateral con un punto rojo para indicar la ubicación de la fuerza radial máxima y el descentramiento, el punto más alto. Un punto amarillo indica el punto de menor peso. [1] El uso de los puntos se especifica en el estándar de rendimiento RP243 del Technology Maintenance Council . Para compensar esta variación, se supone que los neumáticos deben instalarse con el punto rojo cerca del vástago de la válvula, suponiendo que el vástago de la válvula esté en el punto bajo, o con el punto amarillo cerca del vástago de la válvula, suponiendo que el vástago de la válvula esté en el punto más pesado. . [2]
La variación de la fuerza radial, así como todas las demás mediciones de variación de la fuerza, se pueden mostrar como una forma de onda compleja . Esta forma de onda se puede expresar según sus armónicos aplicando la transformada de Fourier (FT). FT permite parametrizar varios aspectos del comportamiento dinámico del neumático. El primer armónico, expresado como primer armónico de la fuerza radial (RF1H), describe la magnitud de variación de la fuerza que ejerce un pulso en el vehículo una vez por cada rotación. El segundo armónico de la fuerza radial (RF2H) expresa la magnitud de la fuerza radial que ejerce un pulso dos veces por revolución, y así sucesivamente. A menudo, estos armónicos tienen causas conocidas y pueden usarse para diagnosticar problemas de producción. Por ejemplo, un molde de neumático instalado con 8 segmentos puede deformarse térmicamente para inducir un octavo armónico, por lo que la presencia de un octavo armónico de fuerza radial alta (RF8H) indicaría un problema de separación del sector del molde. RF1H es la principal fuente de perturbaciones en la conducción, seguida por RF2H. Los armónicos altos son menos problemáticos porque la velocidad de rotación del neumático a velocidades de carretera multiplicada por el valor armónico genera perturbaciones a frecuencias tan altas que son amortiguadas o superadas por otras condiciones dinámicas del vehículo.
En la medida en que la fuerza lateral es la que actúa de lado a lado a lo largo del eje del neumático, la variación de la fuerza lateral describe el cambio en esta fuerza a medida que el neumático gira bajo carga. A medida que el neumático gira y elementos de resorte con diferentes constantes de resorte entran y salen del área de contacto, la fuerza lateral cambiará. A medida que el neumático gira, puede ejercer una fuerza lateral del orden de 100 N (22 lbf), provocando un tirón de la dirección en una dirección. Sería típico que la fuerza variara hacia arriba y hacia abajo a partir de este valor. Una variación entre 90 y 110 N (20 y 25 lbf) se caracterizaría como una variación de fuerza lateral (LFV) de 20 N (5 lbf). La variación de la fuerza lateral se puede expresar como un valor de pico a pico, que es el valor máximo menos el mínimo, o cualquier valor armónico como se describe anteriormente. La fuerza lateral tiene signo, de modo que cuando se monta en el vehículo, la fuerza lateral puede ser positiva, haciendo que el vehículo tire hacia la izquierda, o negativa, haciendo que el vehículo tire hacia la derecha.
En la medida en que la fuerza tangencial es la que actúa en la dirección de la marcha, la variación de la fuerza tangencial describe el cambio en esta fuerza a medida que el neumático gira bajo carga. A medida que el neumático gira y elementos de resorte con diferentes constantes de resorte entran y salen del área de contacto, la fuerza tangencial cambiará. A medida que el neumático gira, ejerce una alta fuerza de tracción para acelerar el vehículo y mantener su velocidad a velocidad constante. En condiciones de estado estacionario, sería típico que la fuerza variara hacia arriba y hacia abajo a partir de este valor. Esta variación se caracterizaría como variación de fuerza tangencial (TFV). En una condición de prueba de velocidad constante, la variación de la fuerza tangencial se manifestaría como una pequeña fluctuación de velocidad que ocurre en cada rotación debido al cambio en el radio de rodadura del neumático.
La conicidad es un parámetro basado en el comportamiento de la fuerza lateral. Es la característica que describe la tendencia del neumático a rodar como un cono. Esta tendencia afecta el rendimiento de la dirección del vehículo. [3] Para determinar la conicidad, la fuerza lateral debe medirse tanto en el sentido de las agujas del reloj (LFCW) como en el sentido contrario a las agujas del reloj (LFCCW). La conicidad se calcula como la mitad de la diferencia de los valores, teniendo en cuenta que los valores en sentido horario y antihorario tienen signos opuestos. La conicidad es un parámetro importante en las pruebas de producción. En muchos automóviles de alto rendimiento, se montan neumáticos con igual conicidad en los lados izquierdo y derecho del automóvil para que sus efectos de conicidad se cancelen entre sí y generen un rendimiento de marcha más suave, con poco efecto de dirección. Esto requiere que el fabricante de neumáticos mida la conicidad y clasifique los neumáticos en grupos de valores similares.
Ply steer describe la fuerza lateral que genera un neumático debido a las asimetrías en su carcasa mientras rueda hacia adelante con un ángulo de deslizamiento cero y puede denominarse pseudo deslizamiento lateral. [4] Es la característica que generalmente se describe como la tendencia del neumático a " caminar como un cangrejo ", o moverse hacia los lados mientras mantiene una orientación en línea recta. Esta tendencia afecta el rendimiento de la dirección del vehículo. Para determinar la dirección de las capas, se mide la fuerza lateral generada a medida que el neumático rueda hacia adelante y hacia atrás, y luego se calcula la dirección de las capas como la mitad de la suma de los valores, teniendo en cuenta que los valores tienen signos opuestos.
La desviación radial (RRO) describe la desviación de la redondez del neumático respecto de un círculo perfecto. La desviación radial se puede expresar como valor pico a pico, así como valores armónicos. La desviación radial imparte una excitación al vehículo de manera similar a la variación de la fuerza radial. Con mayor frecuencia se mide cerca de la línea central del neumático, aunque algunos fabricantes de neumáticos han adoptado la medición del descentramiento radial en tres posiciones: hombro izquierdo, centro y hombro derecho.
Algunos fabricantes de neumáticos marcan la pared lateral con un punto rojo para indicar la ubicación de la fuerza radial máxima y el descentramiento. [2]
El descentramiento lateral (LRO) describe la desviación del flanco del neumático de un plano perfecto. LRO se puede expresar como valor pico a pico, así como valores armónicos. LRO imparte una excitación al vehículo de una manera similar a la variación de fuerza lateral. El LRO se mide con mayor frecuencia en la pared lateral superior, cerca del hombro de la banda de rodadura.
Dado que el neumático es un conjunto de múltiples componentes que se curan en un molde, existen muchas variaciones del proceso que hacen que los neumáticos curados se clasifiquen como rechazos. Estos defectos son protuberancias y depresiones en las paredes laterales. Un bulto es un punto débil en la pared lateral que se expande cuando se infla el neumático. Una depresión es un punto fuerte que no se expande en la misma medida que el área circundante. Ambos se consideran defectos visuales. Los neumáticos se miden en producción para identificar aquellos con defectos visuales excesivos. Los abultamientos también pueden indicar condiciones de construcción defectuosas, como cables faltantes, que representan un peligro para la seguridad. Como resultado, los fabricantes de neumáticos imponen estándares de inspección estrictos para identificar neumáticos con protuberancias. El abultamiento y depresión de la pared lateral también se conoce como abultamiento y abolladura y pared lateral con baches.
Las máquinas de uniformidad de neumáticos son máquinas de propósito especial que inspeccionan automáticamente los neumáticos para determinar los parámetros de uniformidad de neumáticos descritos anteriormente. Consisten en varios subsistemas, que incluyen manipulación de neumáticos, sujeción, medición de llantas, lubricación de talones, inflado, rueda de carga, accionamiento del husillo, medición de fuerza y medición de geometría.
Primero se centra el neumático y se lubrican las áreas del talón para asegurar un ajuste suave a las llantas de medición. El neumático se indexa en la estación de prueba y se coloca en el mandril inferior. El mandril superior baja para hacer contacto con el talón superior. El neumático se infla hasta la presión establecida. La rueda de carga avanza para hacer contacto con el neumático y aplicar la fuerza de carga establecida. El accionamiento del husillo acelera el neumático hasta la velocidad de prueba. Una vez que la velocidad, la fuerza y la presión son estables, las células de carga miden la fuerza ejercida por el neumático sobre la rueda de carga. La señal de fuerza se procesa en un circuito analógico y luego se analiza para extraer los parámetros de medición. Los neumáticos están marcados de acuerdo con varios estándares que pueden incluir el ángulo del punto alto de la variación de la fuerza radial (RFV), el lado de conicidad positiva y la magnitud de la conicidad.
Existen numerosas variaciones e innovaciones entre varios fabricantes de máquinas de uniformidad de neumáticos. La velocidad de prueba estándar para máquinas de uniformidad de neumáticos es de 60 r/min de una rueda de carga estándar que se aproxima a 5 millas por hora. Las máquinas de uniformidad de alta velocidad se utilizan en entornos de investigación y desarrollo que alcanzan los 250 km/h y más. También se han introducido máquinas de uniformidad de alta velocidad para pruebas de producción. También se utilizan máquinas que combinan la medición de la variación de la fuerza con la medición del equilibrio dinámico .
La variación de la fuerza radial y lateral se puede reducir en la máquina de uniformidad de neumáticos mediante operaciones de rectificado. En la operación de rectificado central, se aplica una amoladora al centro de la banda de rodadura para eliminar el caucho en el punto más alto de variación de la fuerza radial. En la parte superior e inferior de la banda de rodadura se aplican rectificadores de hombros para reducir el tamaño del área de contacto con la carretera, o huella, y la variación de fuerza resultante. Los molinillos superior e inferior se pueden controlar de forma independiente para reducir los valores de conicidad. También se emplean rectificadoras para corregir el descentramiento radial excesivo .
Los efectos de las variaciones de los neumáticos también se pueden reducir montando el neumático de tal manera que las llantas y los vástagos de las válvulas desequilibrados ayuden a compensar los neumáticos imperfectos. [2]
En la máquina de uniformidad de neumáticos también se realizan mediciones de descentramiento radial , descentramiento lateral , conicidad y abultamiento. Hay varias generaciones de tecnologías de medición en uso. Estos incluyen lápices de contacto, sensores capacitivos, sensores láser de punto fijo y sensores láser de lámina de luz.
La tecnología Contact Stylus utiliza una sonda táctil para desplazarse a lo largo de la superficie del neumático mientras gira. La instrumentación analógica detecta el movimiento de la sonda y registra la forma de onda de agotamiento . Cuando se utiliza para medir el descentramiento radial, la aguja se coloca en una paleta de gran superficie que puede abarcar los huecos en el dibujo de la banda de rodadura. Cuando se utiliza para medir el descentramiento lateral en la pared lateral, el lápiz se desplaza siguiendo una pista suave y muy estrecha. El método del lápiz de contacto es una de las primeras tecnologías y requiere un esfuerzo considerable para mantener su rendimiento mecánico. La pequeña área de interés en el área de la pared lateral limita la eficacia para discernir protuberancias y depresiones en otras partes de la pared lateral.
Los sensores capacitivos generan un campo dieléctrico entre el neumático y el sensor. A medida que varía la distancia entre el neumático y el sensor, cambian las propiedades de voltaje y/o corriente del campo dieléctrico. Se emplean circuitos analógicos para medir los cambios de campo y registrar la forma de onda de agotamiento . Los sensores capacitivos tienen un área de interés más grande, del orden de 10 mm, en comparación con el método del lápiz de contacto muy estrecho. El método del sensor capacitivo es una de las primeras tecnologías y ha demostrado ser muy fiable; sin embargo, el sensor debe colocarse muy cerca de la superficie del neumático durante la medición, por lo que las colisiones entre el neumático y el sensor han provocado problemas de mantenimiento a largo plazo. Además, algunos sensores son muy sensibles a la humedad y terminan con lecturas erróneas. El área de interés de 10 mm también significa que la medición del abultamiento se limita a una pequeña porción del neumático. Los sensores capacitivos emplean filtrado de huecos para eliminar el efecto de los huecos entre los tacos de la banda de rodadura en la medición del descentramiento radial, y filtrado de letras para eliminar el efecto de letras en relieve y ornamentación en la pared lateral.
Los sensores láser de punto fijo se desarrollaron como alternativa a los métodos anteriores. Los láseres combinan el área de interés de vía estrecha con una gran distancia de separación del neumático. Para cubrir un área de interés más amplia, se han empleado sistemas de posicionamiento mecánico para tomar lecturas en múltiples posiciones en la pared lateral. Los sensores láser de punto fijo emplean filtrado de huecos para eliminar el efecto de los huecos entre los tacos de la banda de rodadura en la medición del descentramiento radial , y filtrado de letras para eliminar el efecto de letras en relieve y ornamentación en la pared lateral.
Los sistemas de láser de lámina de luz (SL) se introdujeron en 2003 y se han convertido en los métodos de medición de agotamiento , abultamiento y depresión más capaces y confiables. Los sensores de lámina de luz proyectan una línea láser en lugar de un punto láser y crean así un área de interés muy grande. Los sensores de las paredes laterales pueden abarcar fácilmente un área desde el área del talón hasta el hombro de la banda de rodadura e inspeccionar toda la pared lateral en busca de defectos de protuberancia y depresión. Los sensores radiales grandes pueden abarcar 300 mm o más para cubrir todo el ancho de la banda de rodadura. Esto permite la caracterización de RRO en múltiples pistas. Los sensores de lámina de luz también cuentan con distancias de separación lo suficientemente grandes como para garantizar que no haya colisiones con el neumático. También se emplean filtrado bidimensional de huecos de la banda de rodadura y filtrado de letras en las paredes laterales para eliminar estas características de las mediciones de descentramiento.
La dirección de capas a veces se denomina pseudodeslizamiento lateral.