Uniformidad de los neumáticos

Las fuerzas que actúan 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 carretera, pasando por el centro del neumático, hacia el vehículo. Este eje soporta el peso del vehículo. El eje lateral se extiende transversalmente a la banda de rodadura y es paralelo al eje de montaje del neumático en el vehículo. El eje tangencial es el que se encuentra en la dirección del movimiento del neumático.

Dado 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 elásticos con diferentes constantes elásticas entran y salen del área de contacto, la fuerza cambiará. Consideremos un neumático que soporta una carga de 4000 N (900 lbf) rodando sobre una carretera perfectamente lisa. Lo típico sería que la fuerza varíe hacia arriba y hacia abajo con respecto a este valor. Una variación entre 3900 y 4100 N (880 y 920 lbf) se caracterizaría como una variación de la fuerza radial (VFR) de 200 N (40 lbf) . La variación de la fuerza radial se puede expresar como un valor pico a pico, que es el valor máximo menos el mínimo, o como 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 la excentricidad, el punto más alto. Un punto amarillo indica el punto de menor peso. ^{[ 1 ]} El uso de los puntos se especifica en la norma de rendimiento RP243 del Consejo de Mantenimiento Tecnológico . 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 más bajo, o con el punto amarillo cerca del vástago de la válvula, suponiendo que el vástago de la válvula esté en el punto más alto. ^{[ 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 según sus armónicos aplicando la transformada de Fourier (TF). La TF 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 usar para diagnosticar problemas de producción. Por ejemplo, un molde de neumático instalado con 8 segmentos puede deformarse térmicamente de tal manera que induzca un octavo armónico, por lo que la presencia de un alto octavo armónico de fuerza radial (RF8H) indicaría un problema de separación de sectores del molde. RF1H es la fuente principal de perturbaciones en la conducción, seguido de RF2H. Los armónicos de alta frecuencia 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.

Dado 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 elásticos con diferentes constantes elásticas entran y salen del área de contacto, la fuerza lateral cambiará. Al girar, el neumático puede ejercer una fuerza lateral del orden de 100 N (22 lbf) , lo que provoca una desviación de la dirección en una dirección. Lo típico sería que la fuerza varíe hacia arriba y hacia abajo con respecto a este valor. Una variación entre 90 y 110 N (20 y 25 lbf) se caracterizaría como una variación de la fuerza lateral (VFL) de 20 N (5 lbf) . La variación de la fuerza lateral se puede expresar como un valor pico a pico, que es el valor máximo menos el mínimo, o cualquier valor armónico como se describió 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, tirando hacia la derecha.      

Dado que la fuerza tangencial 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 los elementos elásticos con diferentes constantes elásticas entran y salen del área de contacto, la fuerza tangencial cambia. Al girar, el neumático ejerce una alta fuerza de tracción para acelerar el vehículo y mantener su velocidad constante. En condiciones de estado estacionario, es típico que la fuerza varíe con respecto a este valor. Esta variación se caracteriza como variación de la fuerza tangencial (VFT). En una prueba a velocidad constante, la variación de la fuerza tangencial se manifiesta 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, se debe medir la fuerza lateral tanto en sentido horario (LFCW) como 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 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 conducción más suave, con poco efecto en la dirección. Esto requiere que el fabricante de neumáticos mida la conicidad y clasifique los neumáticos en grupos de valores similares.

El efecto de dirección de la banda de rodadura describe la fuerza lateral que genera un neumático debido a las asimetrías en su carcasa al rodar hacia adelante con un ángulo de deslizamiento cero , y puede denominarse pseudo deslizamiento lateral. ^{[ 4 ]} Es la característica que se suele describir como la tendencia del neumático a " caminar como un cangrejo ", o moverse lateralmente mientras mantiene una orientación en línea recta. Esta tendencia afecta al rendimiento de la dirección del vehículo. Para determinar el efecto de dirección de la banda de rodadura, se mide la fuerza lateral generada al rodar el neumático tanto hacia adelante como hacia atrás, y luego se calcula como la mitad de la suma de los valores, teniendo en cuenta que los valores tienen signos opuestos.

La excentricidad radial (ERR) describe la desviación de la redondez del neumático respecto a un círculo perfecto. La excentricidad radial puede expresarse como el valor pico a pico, así como en términos de valores armónicos. La excentricidad radial genera una excitación en el vehículo similar a la variación de la fuerza radial. Generalmente se mide cerca del eje central del neumático, aunque algunos fabricantes han adoptado la medición de la excentricidad radial en tres posiciones: hombro izquierdo, centro y hombro derecho.

Algunos fabricantes de neumáticos marcan el flanco con un punto rojo para indicar la ubicación de la fuerza radial máxima y la excentricidad. ^{[ 2 ]}

La desviación lateral (LRO, por sus siglas en inglés) describe la desviación del flanco del neumático respecto a un plano ideal. La LRO puede expresarse como el valor pico a pico, así como en términos de valores armónicos. La LRO genera una excitación en el vehículo similar a la variación de la fuerza lateral. Generalmente, la LRO se mide en la parte superior del flanco, 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 en el proceso que hacen que los neumáticos curados se clasifiquen como defectuosos. Los abultamientos y las depresiones en el flanco son ejemplos de estos defectos. Un abultamiento es un punto débil en el flanco que se expande al inflar 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 durante la producción para identificar aquellos con defectos visuales excesivos. Los abultamientos también pueden indicar condiciones de construcción defectuosas, como la falta de cordones, lo que representa un riesgo para la seguridad. Por ello, los fabricantes de neumáticos imponen estándares de inspección rigurosos para identificar los neumáticos con abultamientos. El abultamiento y la depresión del flanco también se conocen como abultamiento y abolladura, o flanco irregular.

Existen numerosas variantes e innovaciones entre los distintos fabricantes de máquinas de uniformidad de neumáticos. La velocidad de prueba estándar para estas máquinas es de 60 rpm con una rueda de carga estándar, lo que equivale aproximadamente a 8 km/h. Las máquinas de uniformidad de alta velocidad se utilizan en entornos de investigación y desarrollo, alcanzando velocidades de 250 km/h o superiores. También se han introducido máquinas de uniformidad de alta velocidad para pruebas de producción. Asimismo, se utilizan  máquinas que combinan la medición de la variación de fuerza con la medición del equilibrio dinámico .

La tecnología de palpador de contacto utiliza una sonda táctil que se desliza sobre la superficie del neumático mientras gira. Un instrumento analógico detecta el movimiento de la sonda y registra la forma de onda de la desviación radial . Para medir la desviación radial, el palpador se acopla a una paleta de gran superficie que abarca los huecos del dibujo de la banda de rodadura. Para medir la desviación lateral en el flanco, el palpador se desplaza sobre una pista lisa y muy estrecha. El método del palpador de contacto es una de las tecnologías más antiguas y requiere un esfuerzo considerable para mantener su rendimiento mecánico. La pequeña área de interés en el flanco limita su eficacia para detectar abultamientos y depresiones en otras zonas del mismo.

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 emplea un circuito analógico para medir los cambios de campo y registrar la forma de onda de la desviación radial . Los sensores capacitivos tienen un área de interés mayor, del orden de 10 mm, en comparación con el método de palpador de contacto, que es mucho más estrecho. El método del sensor capacitivo es una de las primeras tecnologías y ha demostrado ser altamente 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 han dado lugar a lecturas erróneas. El área de interés de 10 mm también significa que la medición de abultamientos 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 de la desviación radial, y filtrado de letras para eliminar el efecto de las letras en relieve y la ornamentación en el flanco.

Los sensores láser de punto fijo se desarrollaron como alternativa a los métodos anteriores. Los láseres combinan una zona de interés de pista estrecha con una gran distancia de separación del neumático. Para cubrir una zona de interés mayor, se han empleado sistemas de posicionamiento mecánico para tomar lecturas en múltiples posiciones del flanco. Los sensores láser de punto fijo utilizan filtrado de huecos para eliminar el efecto de los espacios entre los tacos de la banda de rodadura en la medición de la excentricidad radial , y filtrado de letras para eliminar el efecto de las letras en relieve y la ornamentación del flanco.

Los sistemas láser de lámina de luz (SL) se introdujeron en 2003 y se han consolidado como los métodos de medición de deformación , abultamiento y depresión más eficaces y fiables. Los sensores de lámina de luz proyectan una línea láser en lugar de un punto láser, creando así una amplia área de interés. Los sensores de flanco pueden abarcar fácilmente un área desde el talón hasta el hombro de la banda de rodadura e inspeccionar todo el flanco en busca de defectos de abultamiento y depresión. Los sensores radiales de gran tamaño pueden abarcar 300 mm o más para cubrir todo el ancho de la banda de rodadura. Esto permite caracterizar la deformación en múltiples pistas. Los sensores de lámina de luz también cuentan con distancias de separación lo suficientemente grandes como para evitar colisiones con el neumático. Además, se emplean filtros bidimensionales de huecos en la banda de rodadura y de letras en el flanco para eliminar estas características de las mediciones de deformación.