O design do pneu é como um bolo. Juntando tudo e com o tempo de cozedura (cura) adequado obtém-se um pneu com características definidas. Na verdade, os pneus têm três partes principais, a rosca, a parede lateral e o forro interno. Cada um deles é feito por um tipo diferente de borracha. Além disso, existem diferentes tipos de materiais, como cargas, intensificadores, aceleradores e protetores. Este artigo propõe uma visão geral sobre a estrutura do pneu e seus componentes.

Borracha

Os pneus são pretos, mas isso não significa que sejam todos feitos pelos mesmos componentes. Existem diferentes borrachas e compostos na composição do material do pneu. No entanto, a borracha é a principal. Sua procedência é o látex, ou borracha natural. O látex é uma mistura de polímeros, o mais abundante é o isopreno, portanto é um polímero poliisopreno. Porém a borracha do pneu não é a natural, na verdade esta não é desaconselhável para ser utilizada em pneus devido a sua baixa histerese e grande propensão à oxidação. Portanto, diferentes cadeias de polímeros são necessárias para a borracha do pneu, que é a sintética. Isso tem uma histerese muito boa, fadiga, resistência ao desgaste e impermeabilidade. Curiosamente, essas são características exigidas em diferentes partes do pneu como rosca, flancos e revestimento interno. As principais borrachas sintéticas são a nitrílica, estireno e polibutadieno e são dadas pelas siglas NBR, SBR e BR, respectivamente.

Coeficiente de atrito da borracha

Esses tipos de borrachas sintéticas também possuem diferentes coeficientes de atrito. Na verdade, μ é uma propriedade do contato, portanto depende de muitos parâmetros relativos ao contato do pneu com a superfície. Porém, analisando esses componentes separadamente é importante entender a característica de cada um e seu efeito no coeficiente geral de atrito. Entre NR, SBR e BR não há diferença significativa no máximo μ obtido. No entanto, à medida que a velocidade de deslizamento aumenta, a borracha natural perde rapidamente seu coeficiente de atrito. NBR e SBR exibem uma ampla faixa de μ constante, enquanto BR tem uma faixa estreita na qual atinge o pico, mas perde brevemente esse valor. A composição do pneu é uma forma de balancear as características dessas borrachas na rosca do pneu, o que define como é o comportamento do carro.

Teste de rebote de borracha

O teste de rebote é feito por meio de um arranjo em que um martelo atinge um corpo de prova de borracha e a altura que ele atinge devido ao rebote do impacto é medida. A partir disso é possível definir a dureza Shore da borracha. Isso está intrinsecamente relacionado à resistência da borracha. De fato, borrachas fortes são capazes de fornecer pneus com baixa capacidade de desenvolver acelerações laterais (alto g lateral). Em outras palavras, um rebote menor do martelo significa uma borracha com alta histerese e aderência. No entanto, isso também resulta em um dilema. Uma maior aderência é obtida ao custo de resistência, porque uma borracha de alta dureza não pode fornecer a histerese necessária para uma boa aderência. A resistência do piso ao desgaste é melhorada, no entanto. No campo das corridas, os pneus são altamente histeréticos, porque a aderência é obrigatória. Por outro lado, eles duram rapidamente. Assim como os pneus são feitos por muitos compostos, eles também são um meio-termo entre as demandas feitas pelos clientes. Por exemplo, pneus para caminhões são altamente resistentes, pois devem ter baixa resistência ao rolamento e alta durabilidade da rosca. Além disso, eles devem suportar cargas muito altas. No entanto, todas essas características custam a aderência. Nos carros de passeio, os pneus são mais macios que os de caminhão, costumam se desgastar mais rápido que os pneus de caminhão e também suportam menos cargas. Por outro lado, os pneus dos carros têm maior aderência. Para corrida, os pneus são muito macios na banda de rodagem, mas com paredes laterais fortes e têm maior taxa de desgaste do que os exemplos anteriores.

Viscosidade

Como pode ser visto, o composto do pneu pode definir sua dureza e resistência, que são muito importantes, pois estes também devem suportar batidas e impactos, além das cargas das rodas que são intrínsecas. No entanto, um dos principais parâmetros que também é determinante para o funcionamento do pneu é a viscosidade. Como dureza, depende também da escolha dos polímeros como NR, NBR, SBR e BR, mas também do processo de vulcanização e dos agentes de reforço. A viscosidade é uma propriedade sensível à velocidade, é dinâmica. A deformação de um componente gera quebras de cadeias atômicas de seu material. Se essa força for aplicada em uma taxa muito baixa, isso pode ser considerado uma carga estática, a deformação do material é sua plasticidade caso não volte a sua forma original. A energia utilizada para deformar o componente é convertida em calor devido à quebra das cadeias atômicas e é trocada com o meio ambiente. Isso é chamado de carga quase estática. Os pontos principais nessa situação são o calor e a taxa, se o primeiro é gerado é porque existe uma taxa significativa de deformação, que é a velocidade e portanto a viscosidade. Portanto, cada material tem uma certa quantidade de viscosidade, amortecimento. As borrachas são materiais caracterizados como viscoelásticos, pois não se comportam como um material elástico. Na verdade, as borrachas atuam como uma mola e um amortecedor juntos. A viscosidade está relacionada com a velocidade, mais precisamente, a velocidade relativa entre as superfícies em contato, ou velocidade de deslizamento. Em contatos com baixa velocidade de deslizamento, a borracha se comporta como uma mola, que no caso dos pneus, é uma série de duas molas devido à influência da rosca e das borrachas laterais. Em certo ponto, a velocidade aumenta de forma que o efeito do amortecedor viscoso domine o movimento. Assim, a borracha muda seu comportamento para visco-elástico. Se a velocidade de deslizamento aumenta continuamente, em certo ponto o comportamento viscoelástico entra em colapso e o pneu se comporta como uma conexão rígida entre a superfície e as suspensões. A aderência diminui drasticamente. Outro conceito importante sobre sistemas viscoelásticos é como eles se comportam em relação à tensão-deformação. Normalmente a borracha apresenta um atraso de tempo entre o momento em que ocorre a tensão e a deformação. Isso significa que os pneus têm um atraso breve e significativo após uma entrada do motorista.

Carcaça – fios de aço

A carcaça do pneu possui várias partes (Figura 1) feitas de diferentes materiais, não apenas de borracha. Embora a banda de rodagem seja muito importante devido à geração de aderência, ela requer algum suporte para reduzir sua deformação durante a operação. O principal componente responsável por esta função são as cintas de aço. Sua função é manter a superfície do piso como deveria ser. Além disso, também é bom para melhorar a rigidez torcional da banda de rodagem. As cintas de aço são baseadas em fios de aço que em sua composição possuem Mn, Si, Ph, S, Cu, Cr, Ni e Zn. O cobre (Cu) passou a funcionar como aderente químico para as cordas metálicas da carcaça, pois a borracha não adere espontaneamente nos fios de aço. Em termos de compósitos, a borracha seria a resina e os fios seriam as fibras. Ao longo dos anos novos tipos de fios foram desenvolveu, por exemplo, Rayon, Nylon, Kevlar e Poliéster. Cada um deles foi desenvolvido por uma empresa química ou de pneus diferente. O Rayon foi desenvolvido por Yokohama, é derivado de madeiras e surgiu durante a guerra mundial, por volta de 1945. O Nylon e o Kevlar surgiram em 1950 e 1970, respectivamente, e são utilizados na lona principal. Eles são mais leves que os fios de aço. O Kevlar é o mais usado nos pneus de F1 e de competição. Foi desenvolvido pela Dupont. No final da década de 1970, a Goodyear desenvolveu o poliéster, outra alternativa para reduzir o peso dos pneus. Geralmente é usado nas paredes laterais de veículos rodoviários e agrícolas.

A Figura 2 ilustra um gráfico com algumas alternativas aos fios de aço. O ponto principal é o módulo de Young e a resistência à tração desses materiais. Na verdade, o Kevlar é aquele que oferece a melhor, ou a combinação ideal. Isso justifica sua aplicação na Fórmula 1, pois seus custos ainda são elevados para veículos de produção. Para esta aplicação, o poliéster e o aço são mais aconselháveis.

Forro interno

O liner interno ou apenas liner (Figura 3) é uma cobertura interna do pneu. Sua principal função é evitar qualquer vazamento de ar. Em outras palavras, é um selante de ar em toda a seção redonda. A borracha da qual o forro é feito é diferente da banda de rodagem e das paredes laterais. Normalmente, para o liner este tem menor resistência e módulo de elasticidade, por ser uma área não tensionada. No entanto, possui maior flexibilidade, o que proporciona uma boa resistência à fadiga e, portanto, durabilidade. O forro é compatível. Todas estas propriedades provêm da borracha com baixa densidade de ligações cruzadas, pois se estas forem muito, significa mais vazios, o que não é aconselhável para esta aplicação.

Talão e enchimento

O talão é um grupo de fios de aço que são dispostos na região de contato do pneu com o aro (Figura 4), sua principal função é evitar o desprendimento do pneu do aro. Ao redor das contas existe um enchimento, que as mantém fixas às lonas ou chafer. Assim que a pressão de inflação aumenta, o talão do pneu bloqueia firmemente qualquer possível sangramento de ar entre ele e o aro.

Os talões também fazem parte das lonas, que ficam ao seu redor. O single ply (Figura 5) é mais simples, o que significa que é fácil de fabricar e também mais leve que os tipos double ply. Porém, isso não quer dizer que seja acessível, pois o arame dobrado deveria compensar que é um único com um material mais resistente, que poderia ser mais caro. As demais lonas são mais seguras que a única, mas o pneu tende a ser mais pesado.

Chafer e almofada de aro

O coxim do aro é a parte da borracha do pneu que adere ao aro evitando o deslizamento entre o pneu e este. O chafer é uma camada de tecidos (aço) para proteger as fibras contra cortes e desgastes.

Cunhas

Esta é a parte mais crítica do pneu. As cunhas (Figura 6) são a interface entre as paredes laterais e a banda de rodagem. Nas rodas curvadas, os pneus exibem uma concentração de carga no lado interno. Essa região quando sob grande força lateral tende a se desprender. Para evitar isso algumas marcas incluem os chamados calços, que não são tão comuns devido ao aumento de custo, mas proporcionam um pneu mais seguro. Além disso, as cunhas melhoram a resistência à fadiga e evitam a separação das correias, pois são colocadas em ambos os lados das correias. Isso é feito unindo as bordas das correias.

Referências

• Haney, Paul. The Racing & High-Performance Tire – Using the Tires to Tune for Grip & Balance. TV Motorsports, SAE, January, 2003.