L’influenza del diametro degli pneumatici sulla mobilità fuoristrada

Perché aumentare il diametro degli pneumatici migliora la mobilità di un veicolo su terreni non preparati?

La tendenza a montare gommature maggiorate su veicoli off- road (larghezza e diametro degli pneumatici) è sempre stata molto diffusa tra gli appassionati del settore.

Parlando in particolare del diametro degli pneumatici, c’è da dire che molti fuoristradisti tendono ad adottare ruote più grandi al fine di aumentare la luce a terra dei propri mezzi. In realtà, molti ignorano che non è solo questo il motivo che porta ad un miglioramento della mobilità fuoristrada, ma ve ne sono altri che possono essere considerati altrettanto importanti.

Vediamoli insieme.

Aumento della capacità di superare ostacoli.

Considerando il caso più semplice di ruota rigida condotta (quindi non motrice) è facile dimostrare che un ostacolo, quale ad esempio un gradino, deve avere un’altezza massima inferiore al raggio ruota per poter essere oltrepassato (fig. 1).

Per tale ragione, maggiore è il diametro degli pneumatici, maggiore sarà l’altezza degli ostacoli superabili e minore sarà la forza da esercitare sulle ruote per fargli oltrepassare ostacoli di pari altezza.

Riduzione della resistenza all’avanzamento su suoli cedevoli.

La resistenza all’avanzamento è la forza che un veicolo deve vincere per potersi muovere ed è la somma di vari contributi: resistenza di rotolamento, resistenza aerodinamica, resistenza dovuta alla pendenza, ecc.

Su suolo cedevole la parte di resistenza all’avanzamento dovuta all’interazione pneumatico-terreno è uno dei più importanti indicatori che vanno a costituire quella che è la mobilità off-road di un veicolo. Infatti, la forza che un mezzo ha a disposizione per muoversi è il risultato della differenza tra la forza di trazione sviluppabile sul terreno e la resistenza opposta all’avanzamento. Mentre su suoli compatti e a basse velocità, la resistenza all’avanzamento è essenzialmente dovuta all’isteresi dello pneumatico, su suoli cedevoli la questione si complica in quanto lo pneumatico è soggetto ad un certo affondamento (fig. 2).

Questo fa sì che la resistenza all’avanzamento diventi la somma di due contributi:

• resistenza di compattamento (compaction resistance);
• resistenza di bulldozing (bulldozing resistance).

La prima equivale alla resistenza allo schiacciamento opposta dal terreno antistante lo pneumatico; la seconda è la resistenza esercitata dal terreno sui fianchi dello pneumatico che avanza.

Per piccoli affondamenti si può considerare la presenza della sola resistenza di compattamento, mentre per elevati affondamenti il contributo della resistenza di bulldozing diventa non trascurabile.

Si può dimostrare analiticamente (evito di riportare le formule per non appesantire la trattazione) che la resistenza di compattamento si riduce all’aumentare del diametro degli pneumatici. In particolare, la resistenza di compattamento è proporzionale al seguente termine

in cui D è il diametro esterno della ruota e n è un coefficiente che dipende dalla tipologia di terreno.

Facciamo un esempio. Ipotizziamo di avere uno pneumatico con diametro esterno pari a 0,7 m su un terreno con coefficiente n pari a 0,9: avremo M_D = 1,27. Impiegando ruote di diametro esterno pari a 0,9 m otteniamo invece M_D = 1,07. Quindi, con un aumento del diametro esterno di circa il 28%, abbiamo ridotto la resistenza di compattamento di quasi il 16%.

Aumento dell’area dell’impronta a terra.

Consideriamo una ruota rigida che affonda in un terreno cedevole e vediamo da quali parametri dipende l’area A che il terreno ha a disposizione per sostenere la ruota (fig. 3).

A questo punto è semplice notare che se aumento il raggio ruota R (e quindi il diametro D), incrementerò anche l’area A.

L’ipotesi di ruota rigida, sebbene utilizzata per facilitare la comprensione di un problema complesso, è tuttavia valida nel caso in cui il suolo sia tanto cedevole da non riuscire a trasmettere reazioni tali da deformare in maniera significativa lo pneumatico. A prescindere da tutto ciò, l’effetto migliorativo sull’area di contatto al crescere del diametro degli pneumatici vale anche nel caso in cui lo pneumatico venga deformato (che è ciò che si verifica solitamente).

Aumento della rigidezza verticale dello pneumatico.

In un articolo del 2005, a seguito di un’indagine sperimentale, Rhyne ha ottenuto la seguente espressione per la rigidezza verticale degli pneumatici radiali:

dove

k_z : rigidezza verticale tangente [kg/mm];

p : pressione di gonfiaggio [kPa];

W : larghezza dell’impronta a terra [mm];

OD : diametro esterno [mm].

Tale relazione mostra chiaramente che la rigidezza verticale dipende, oltre che da pressione di gonfiaggio e larghezza, anche dal diametro esterno dello pneumatico. E questo cosa comporta?

Semplice: con una ruota di diametro maggiore posso mantenere la medesima caratteristica di rigidezza verticale riducendo la pressione di gonfiaggio. A sua volta, la riduzione della pressione di gonfiaggio mi consente di avere un’area d’impronta maggiore e pressioni di contatto minori con conseguente miglioramento della prestazione di “galleggiamento”.

Aumento della luce a terra.

Ultima, ma per questo non meno importante conseguenza dell’impiego di ruote di grande diametro è l’aumento della luce a terra, principale effetto ricercato dai tuner dell’off-road.

Naturalmente questo aspetto comporta un aumento degli angoli di attacco e di uscita ed un contemporaneo miglioramento dell’angolo di dosso (fig. 4).

Se vuoi essere sempre aggiornato sui nuovi articoli e ricevere contenuti esclusivi dal blog meccanicadelveicolo.com iscriviti alla newsletter cliccando qui.