Desenvolvimento de talões de pneus de elevada performance

Abstract

Os pneus são constituídos por vários componentes como a camada interna, as telas, as cintas, os talões, o piso, as paredes, entre outros. Pode dizer-se que são principalmente constituídos por borracha mas existem também fibras têxteis (telas) e partes metálicas envolvidas (cintas metálicas e arames dos talões). A função do talão é dotar o pneu da rigidez necessária junto à zona de contacto com a jante para que as forças resultantes de acelerações e travagens sejam transmitidas convenientemente. O material mais usado no fabrico dos arames que compõe o talão é o aço. Contudo, os aços mais comuns possuem uma massa volúmica de 7,5 − 8 g/cm³. A utilização de fibras de carbono, por exemplo, permite um corte expressivo no peso uma vez que a sua massa volúmica é cerca de 70% inferior à do aço. Uma vez que o principal objetivo do trabalho é encontrar soluções que conduzam à redução de peso, são estudados novos materiais e configurações para o talão. Foram cortadas secções de pneus de vários fabricantes para verificar o número, diâmetro e configuração dos arames. Relativamente aos materiais, foram estudados diferentes aços e ligas de alumínio de forma a perceber quais seriam capazes de substituir o atualmente utilizado, sem comprometer as propriedades mecânicas. Posteriormente foi feita a mesma abordagem para fibras de aramida, vidro, basalto e carbono tendo sido realizados ensaios à tração e à adesão das fibras selecionadas à borracha. Foram avaliadas configurações de talões híbridos com aço e fibras e, a partir destas, criaram-se modelos CAD que permitiram aferir qual o seu comportamento quando tracionados, num software de simulação numérica – SolidWorks Simulation. As alterações necessárias de efetuar ao nível dos equipamentos onde são fabricados os talões são apresentadas no final do trabalho. Em termos teóricos, com a utilização de fibras de carbono em conjunto com arames de aço é possível obter uma redução no peso do talão entre 18% e 30% sem comprometer as suas propriedades mecânicas e estabilidade estrutural. A inflação do custo face ao convencional varia entre 90% e 240%. Para um pneu de referência da marca (Cygnus 215/55 R16), a diminuição de peso varia entre 1,8% e 2,3%, com o custo a subir 0,6% a 0,9%.

Tyres are composed by various parts such as the inner liner, body ply, tread, belts, shoulder, sidewall, beads, among others. It can be said that they are mainly made of rubber but there are also textile fibres (body plies) and metallic parts (steel belts and bead wires) involved. Beads’ function is to provide the tyre the needed rigidity near to the rim zone so that the forces resulting from accelerating or braking are transmitted. The most common material used to manufacture the beads is steel wire. However, the most commonly used steels have a volumic mass of 7,5 − 8 g/cm³. The use of carbon fibres, for instance, allows a massive cut on the weight as their volumic mass is inferior in about 70% comparing to steel. Since the main goal of the project is to find solutions that can lead to a weight reduction, new materials and arrangements of the beads are studied. Tyres from various manufacturers were cut in sections to verify the number, diameter and arrangement of the beads. In terms of materials, different grades of steel and aluminium alloys were studied to understand if they could replace the steel which is used now without compromising the required mechanical properties. Then, the same approach was done to aramid, glass, basalt and carbon fibres. The selected type of fibre was subjected to tensile tests as well as adhesion to the rubber tests. Different arrangements of hybrid beads composed by steel and fibres were evaluated and, from those, CAD models were created so their mechanical behaviour could be verified when under tensile efforts, using a numerical simulation software – SolidWorks Simulation. The necessary changes to the equipment with which the beads are created are predicted in the last stage of the work. In theory, by using carbon fibres along with steel wires it is possible to achieve a weight reduction on the bead zone between 18% and 30% without compromising their mechanical properties and structural stability. The cost is increased by 90%–240%, comparing with the common beads. Considering a reference tyre of the company (Cygnus 215/55 R16), its weight decrease varies between 1,8% and 2,3% while the cost goes up to 0,6%–0,9%.