La uniformidad de los neumáticos se refiere a las propiedades mecánicas dinámicas de los neumáticos según lo definido estrictamente por un conjunto de estándares de medición y condiciones de prueba aceptados por los fabricantes de neumáticos y automóviles a nivel mundial.
Estas normas incluyen los parámetros de variación de fuerza radial , variación de fuerza lateral , conicidad, dirección de las capas, excentricidad radial, excentricidad lateral y abultamiento de los flancos. 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 los de vehículos buscan mejorar la uniformidad de los neumáticos para mejorar la comodidad de conducción del vehículo.
La circunferencia del neumático se puede modelar como una serie de elementos de resorte muy pequeños cuyas constantes de resorte varían según las condiciones de fabricación. Estos elementos de resorte se comprimen al entrar en el área de contacto con la carretera y se recuperan al salir de la huella. La variación de las constantes de resorte tanto en dirección radial como lateral provoca variaciones en las fuerzas de compresión y restauración a medida que el neumático gira. Dado un neumático perfecto, que circula por una carretera perfectamente lisa, la fuerza ejercida entre el coche y el neumático será constante. Sin embargo, un neumático fabricado normalmente que circula por una carretera perfectamente lisa ejercerá una fuerza variable en el vehículo que se repetirá en cada rotación del neumático. Esta variación es la fuente de diversas perturbaciones en la conducción. Tanto los fabricantes de neumáticos como de automóviles buscan reducir dichas perturbaciones para mejorar el rendimiento dinámico del vehículo.
Las fuerzas ejercidas sobre 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 calzada a través del centro del neumático hacia el vehículo. Este eje soporta el peso del vehículo. El eje lateral corre de lado a lado sobre la banda de rodadura. Este eje es paralelo al eje de montaje del neumático en el vehículo. El eje tangencial es el que va en la dirección del desplazamiento del neumático.
En la medida en que la fuerza radial es la que actúa hacia arriba para sostener 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 los 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) que circula por una carretera perfectamente lisa. Sería típico que la fuerza varíe 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 el flanco con un punto rojo para indicar la ubicación de la fuerza radial máxima y el descentramiento, el punto alto. Un punto amarillo indica el punto de menor peso. [1] El uso de los puntos está especificado en la norma de rendimiento RP243 del Technology Maintenance Council . Para compensar esta variación, se supone que los neumáticos se deben instalar con el punto rojo cerca del vástago de la válvula, suponiendo que el vástago de la válvula está en el punto bajo, o con el punto amarillo cerca del vástago de la válvula, suponiendo que el vástago de la válvula está en el punto pesado. [2]
La variación de la fuerza radial, así como todas las demás mediciones de variación de fuerza, se pueden mostrar como una forma de onda compleja . Esta forma de onda se puede expresar de acuerdo con sus armónicos mediante la aplicación de la transformada de Fourier (FT). La FT permite parametrizar varios aspectos del comportamiento dinámico del neumático. El primer armónico, expresado como primer armónico de fuerza radial (RF1H), describe la magnitud de la variación de fuerza que ejerce un pulso en el vehículo una vez por cada rotación. El segundo armónico de 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 se pueden utilizar 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 alto (RF8H) indicaría un problema de separación del sector del molde. RF1H es la fuente principal de perturbaciones en la conducción, seguida de RF2H. Los armónicos altos son menos problemáticos porque la velocidad de rotación del neumático a velocidades de autopista multiplicada por el valor armónico produce 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 los 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), lo que provoca un tirón de la dirección en una dirección. Sería típico que la fuerza varíe 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 describió anteriormente. La fuerza lateral está signada, de modo que cuando se monta en el vehículo, la fuerza lateral puede ser positiva, lo que hace que el vehículo tire hacia la izquierda, o negativa, tirando hacia la derecha.
En la medida en que la fuerza tangencial es la que actúa en la dirección de desplazamiento, la variación de la fuerza tangencial describe el cambio de esta fuerza a medida que el neumático gira bajo carga. A medida que el neumático gira y los 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 gran fuerza de tracción para acelerar el vehículo y mantener su velocidad a una velocidad constante. En condiciones de estado estable, sería típico que la fuerza varíe hacia arriba y hacia abajo a partir de este valor. Esta variación se caracterizaría como variación de la 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 se produce 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 sentido horario (LFCW) como en sentido antihorario (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 la misma conicidad en los lados izquierdo y derecho del automóvil para que sus efectos de conicidad se cancelen entre sí y generen un rendimiento de conducción 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.
La dirección de las capas describe la fuerza lateral que genera un neumático debido a las asimetrías en su carcasa a medida que rueda hacia adelante con un ángulo de deslizamiento cero y puede llamarse pseudo deslizamiento lateral. [4] Es la característica que generalmente se describe como la tendencia del neumático a " caminar como un cangrejo " o moverse lateralmente mientras mantiene una orientación en línea recta. Esta tendencia afecta el rendimiento de la dirección del vehículo. Para determinar la dirección de las capas, la fuerza lateral generada se mide cuando 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.
El descentramiento radial (RRO) describe la desviación de la redondez del neumático con respecto a un círculo perfecto. El descentramiento radial se puede expresar como valor de pico a pico, así como en valores armónicos. El descentramiento radial imparte una excitación al vehículo de una manera similar a la variación de la fuerza radial. Se mide con mayor frecuencia 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 con respecto a un plano perfecto. El LRO se puede expresar como valor de pico a pico, así como en valores armónicos. El LRO imparte una excitación al vehículo de una manera similar a la variación de fuerza lateral. El LRO se mide con mayor frecuencia en el flanco 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 de proceso que hacen que los neumáticos curados se clasifiquen como rechazos. Los abultamientos y depresiones en la pared lateral son dichos defectos. Un abultamiento 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 cordones faltantes, que representan un peligro para la seguridad. Como resultado, los fabricantes de neumáticos imponen estándares de inspección estrictos para identificar neumáticos con abultamientos. El abultamiento y la depresión de la pared lateral también se conocen como abultamiento y abolladura, y pared lateral irregular.
Las máquinas de uniformidad de neumáticos son máquinas especiales que inspeccionan automáticamente los neumáticos para determinar los parámetros de uniformidad descritos anteriormente. Constan de varios subsistemas, entre ellos, 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 desciende para hacer contacto con el talón superior. El neumático se infla a la presión del punto establecido. La rueda de carga avanza para entrar en contacto con el neumático y aplicar la fuerza de carga establecida. El accionamiento del husillo acelera el neumático a la velocidad de prueba. Una vez que la velocidad, la fuerza y la presión son estables, las celdas de carga miden la fuerza ejercida sobre la rueda de carga por el neumático. La señal de fuerza se procesa en circuitos analógicos y luego se analiza para extraer los parámetros de medición. Los neumáticos se marcan de acuerdo con varios estándares que pueden incluir variación de fuerza radial (RFV), ángulo de punto alto, lado de conicidad positiva y magnitud de conicidad.
Existen numerosas variaciones e innovaciones entre los distintos fabricantes de máquinas de uniformización de neumáticos. La velocidad de prueba estándar para las máquinas de uniformización de neumáticos es de 60 r/min de una rueda de carga estándar que se aproxima a 5 millas por hora. Las máquinas de uniformización 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 uniformización de alta velocidad para pruebas de producción. También se utilizan máquinas que combinan la medición de la variación de fuerza con la medición del equilibrio dinámico .
La variación de 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 rectificadora al centro de la banda de rodadura para eliminar el caucho en el punto más alto de variación de fuerza radial. En los hombros de la banda de rodadura superior e inferior se aplican rectificadoras para reducir el tamaño del área de contacto con la carretera, o huella, y la variación de fuerza resultante. Las rectificadoras superiores e inferiores se pueden controlar de forma independiente para reducir los valores de conicidad. Las rectificadoras también se emplean para corregir el descentramiento radial excesivo .
Los efectos de las variaciones de los neumáticos también se pueden reducir montándolos de tal manera que las llantas y los vástagos de 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. Existen varias generaciones de tecnologías de medición en uso. Estas incluyen sensores de contacto, sensores capacitivos, sensores láser de punto fijo y sensores láser de lámina de luz.
La tecnología de palpador de contacto utiliza una sonda táctil que se desliza por la superficie del neumático mientras gira. La instrumentación analógica detecta el movimiento de la sonda y registra la forma de onda de desviación . Cuando se utiliza para medir la desviación radial, el palpador se ajusta a una paleta de área grande que puede abarcar los huecos en el dibujo de la banda de rodadura. Cuando se utiliza para medir la desviación lateral en la pared lateral, el palpador se desliza en una pista lisa muy estrecha. El método del palpador 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 utilizan circuitos analógicos para medir los cambios de campo y registrar la forma de onda de descentramiento . Los sensores capacitivos tienen un área de interés más grande, del orden de 10 mm en comparación con el método de la aguja de contacto muy estrecha. El método del sensor capacitivo es una de las primeras tecnologías y ha demostrado ser muy confiable; 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 terminaron con lecturas erróneas. El área de interés de 10 mm también significa que la medición de abultamiento se limita a una pequeña parte 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 las letras en relieve y la ornamentación en la pared lateral.
Los sensores láser de punto fijo se desarrollaron como una alternativa a los métodos anteriores. Los láseres combinan el área de interés de la pista angosta con una gran distancia de separación del neumático. Para cubrir un área de interés más grande, se han empleado sistemas de posicionamiento mecánico para tomar lecturas en múltiples posiciones en la pared lateral. Los sensores láser de punto fijo emplean un filtrado de huecos para eliminar el efecto de los huecos entre los tacos de la banda de rodadura en la medición de la excentricidad radial , y un filtrado de letras para eliminar el efecto de las letras en relieve y la ornamentación en la pared lateral.
Los sistemas láser de lámina de luz (SL) se introdujeron en 2003 y han surgido como los métodos de medición de descentramiento , abultamiento y depresión más capaces y confiables. Los sensores de lámina de luz proyectan una línea láser en lugar de un punto láser y, por lo tanto, crean un área de interés muy grande. Los sensores de pared lateral 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 abultamiento 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 para garantizar que no haya colisiones con el neumático. También se emplean el filtrado de huecos de banda de rodadura bidimensional y el filtrado de letras de pared lateral para eliminar estas características de las mediciones de descentramiento.
a veces se la denomina deslizamiento lateral pseudo.