Esta primeira de duas partes fala de vários tópicos incluindo o nascimento e evolução do pneumático, construção, e borracha e tecnologia dos compostos. Os destaques secundários são a manufatura e processos de desenvolvimento, projeto e tendências, e estepes.
É virtualmente impossível imaginar como seria a vida hoje sem o automóvel. Do mesmo modo, é impossível imaginar como seria o automóvel sem rodas com pneus. Em sua única própria e talvez subestimada forma, o pneu de carros de passageiros desempenha o vital papel no nosso modelo de transporte e, portanto, da nossa civilização, como faz o motor de combustão interna.
Filosoficamente, o pneu é um grande paradoxo. Literalmente, faz do automóvel o que ele é, enquanto ao mesmo tempo produz a maior limitação no desempenho do veículo. Dependendo da perspectiva de cada um, o pneu é o primeiro ou o último passo na aceleração, frenagem, e mudança de direção do automóvel. Tem propriedades de maciez e amortecimento sem correspondência com outros componentes do veículo. Ainda, são estas características do pneumático que, combinadas, estabelecem os limites para o automóvel.
O pneu precisa da roda – e vice-versa
Quando a roda foi inventada? Ninguém sabe ao certo. Provavelmente foi ao redor de 3500 a.C. A ideia de usar pedaços de árvores para rolar objetos provavelmente evoluiu para segmentos cada vez menores. Estes segmentos eventualmente se tornaram discos com algo semelhante a um eixo conectando-os.
Como este processo evolutivo continuou, esta rígida roda feita de madeira duraria mais e operaria mais eficientemente se as bordas externas fossem cobertas com um material diferente daquele do restante da roda. Inicialmente, este foi uma madeira mais rígida ou metal. Mais tarde aprendeu-se que o conforto de rodagem seria melhorado e os choques do rodar seriam reduzidos usando um material mais macio, como couro. A roda, portanto, recebeu uma vestimenta para melhorar seu desempenho. Através dos anos (ou séculos) o termo foi reduzido para tire, cobertura..
A cobertura pneumática – seu nascimento e evolução
É dito que a necessidade é a mãe da invenção, e que o sucesso tem muitos pais (mas a falha é uma órfã). Neste caso parece que “pai” apareceu duas vezes, aproximadamente 40 anos separados, mas por duas diferentes razões ou aplicações. Além disso, a invenção foi vista com o costumeiro ceticismo — neste caso até por seus próprios inventores. Além disso, foi cercada de alguma intriga e confusão as quais, finalmente, levaram às oportunidades e aos progressos necessários para acompanharem o rápido crescimento da indústria automobilística.
Credita-se a Robert W. Thomson (1822-1873) a invenção da cobertura pneumática. A aplicação, é claro, foi a carruagem puxada por cavalos. Thomson, curiosamente, estava buscando tanto meios de reduzir o esforço de puxar do veículo, quanto melhorar a maciez ao rodar e as qualidades de absorção de impactos.
Thomson experimentou diversas construções, essencialmente envolvendo um invólucro externo coberto de couro com uma câmara de ar de tela revestida de borracha, as duas partes costuradas juntas. Ele experimentou também colocar rebites nos invólucros ao ver que eles melhorariam a aderência. Neste sentido é interessante notar que muitas coberturas pneumáticas de então tinham cravos.
Também é interessante notar que provavelmente o primeiro teste de pneu foi, de fato, um teste de resistência ao rolamento. Thomson observou uma melhoria de 60% em superfícies lisas e mais de 300% de melhoria em superfícies irregulares..
A primeira patente de Thomson foi concedida na Inglaterra em 10 de dezembro de 1845. Ele também teve patentes concedidas na França em 1846 e nos Estados Unidos, em 1847. Infelizmente, o invento foi tido como de interesse dos cavalos apenas por precisarem fazer menos força para puxar as carruagens, e as vendas do novo produto foram pífias..Thomson partiu para outras ideias e empreendimentos.
John Boyd Dunlop (1840-1921) surge como o “segundo pai” do pneu. A aplicação foi para a bicicleta Novamente, o teste foi de resistência ao rolamento. Dunlop, um veterinário, demonstrou, no pátio de seu estabelecimento veterinário, uma comparação de sua roda com pneumático contra uma roda convencional sólida. Primeiro ele rolou a roda de pneu sólido cruzando seu pátio e ela vacilou até cair antes de alcançar o outro lado. Em seguida ele “testou” o conjunto pneumático com presumidamente mesmo “empurrão”. A roda percorreu todo o pátio, bateu no portão que havia no final e começou a rolar de volta.
O primeiro “teste em veículo” ocorreu na noite de 28 de fevereiro de 1888 envolvendo seu filho mais velho de 10 anos, Johnny, e seu triciclo. Ele requereu uma patente em 23 de julho, concedida em 7 de dezembro do mesmo ano. Neste momento parecia que a invenção ia pegar e Dunlop e seus colegas esperavam explorar o mercado com a invenção deles, contando com eventual monopólio. Entretanto, em 1890, quando eles descobriram a patente prévia de Thomson, as coisas se complicaram. Em vez de um monopólio, e a despeito de um cartel de curta duração que fora estabelecido nos Estados Unidos, centenas de fabricantes de pneus foram surgindo nas décadas seguintes.
Este evidente “desapontamento” ou “oportunidade” (dependendo da perspectiva de cada um) desencadeou um furacão de manufatura e desenvolvimento. Como em qualquer invenção, houve considerável espaço para melhoria. Seguramente, o primeiro pneumático não foi muito longe antes do primeiro pneu furado. Reparo e atendimento logo se tornaram problemas.
O pneu de Thomson tinha algo como 70 parafusos que requeriam remoção para serviço. As versões de Dunlop tinham tantas desvantagens que ele mesmo viu o pneumático sendo substituído por alguma coisa diferente em poucos anos. Estas deficiências geraram as melhorias. O primeiro pneu com talão de arame foi inventado por Charles Kingston Welsh em 1890. O pneu era ainda essencialmente tubular em forma, mas o maço de arame estava na posição em que eles deveria estar e correspondente contorno foi feito de forma a facilitar e assegurar a posição destes talões de arame.
Mais tarde no mesmo ano, este conceito foi mais refinado por Willian Barlett para quem foi concedida a primeira patente para um pneumático removível. Este acabou se tornando a construção padrão para pneus de automóvel como são conhecidos hoje. O pneu removível de Barlett termina na base de cada parede lateral (flanco) em uma dura porção incluindo talões de arame os quais envolviam um lábio curvo, ou a flange, do aro.
A noção de pneu removível foi o que incitou os irmãos Michelin a entrar no ramo de pneus. Já envolvidos no negócio da fabricação de couro e borracha, eles responderam às necessidades de rápido e eficiente reparo de pneus de bicicleta furados. A patente deles foi concedida em 1891, com o que o pneu se tornou seu principal negócio. Eles foram pioneiros no primeiro pneu de automóvel em 1895. Edouard Michelin desenvolveu o pneu e seu irmão André demonstrou o produto numa corrida de Paris a Bordeaux. A produção e comercialização começaram em 1896.
Nos Estados Unidos, o primeiro pneumático de automóvel foi produzido por uma empresa de propriedade e dirigida pelo veterano da Guerra Civil e médico Benjamin Franklin Goodrich. A atividade de Goodrich não se resumi a pneumáticos. Sua companhia de produtos de borracha mudou-se de Nova York para Akron, no estado de Ohio, para escapar um pouco da forte competição. Uma firma de automóveis dirigida por Alexander Winton, de Cleveland, pediu um jogo de pneumáticos de borracha. Relutante, B.F. Goodrich concordou, mas exigiu pagamento antecipado.
Ainda em1891, o primeiro pneumático para bicicletas foi produzido por uma firma chamada New York Belting and Packing Company. Esta foi uma das firmas comprada por Charles R. Flint para formar o famoso truste da borracha, o qual mais tarde se tornou conhecida como United States Rubber Company.
Assim como foi um passo natural para fabricantes de pneus de bicicleta se tornarem fabricantes de pneus para automóveis, mais de 200 fábricas de bicicletas viraram fabricantes de automóveis. O famoso exemplo foi a Gormully and Jeffrey Manufacturing Company, de Chicago, que mais tarde se tornaria a American Motors Corporation. A Rambler original foi uma famosa bicicleta. Também, muitos dos fabricantes de rodas de bicicleta produziram seus próprios pneus. Uma exceção, o qual havia sido um especialista de sucesso, foi a Morgan & Wright Company, de Detroit, que num dado momento detinha cerca de 70% do mercado de rodas de bicicleta nos EUA. Ela foi comprada pela United States Rubber Company em 1914.
Como a tecnologia automobilística e a capacidade de fabricação cresceram além da era da carruagem sem cavalos, a indústria de pneus fez o que pode para manter o ritmo. Os avanços e melhorias foram em todas as frentes: construção, têxteis, materiais e fabricação.
A tecnologia de construção do pneu
O material de reforço original para o pneumático foi o tecido quadrado de primeira linha: o algodão. Durante a Grande Depressão alcançou seu topo com o consumo anual aproximado de um milhão de fardos.
Entretanto, as deficiências do tecido quadrado de primeira linha foram logo detectadas. As contínuas e inevitáveis distorções causadas pela deformação do pneumático sob carga causaram uma incessante ação de serrar os cordões da “trama” e “dobras” no tecido quadrado. Compreensivelmente, como as cargas e torques aumentaram, o problema aumentou.
O avanço foi realizado por John Fullerton Palmer que fundou , na Inglaterra, a Palmer Cord Tyre Company e logo a B.F. Goodrich Company nos Estados Unidos a comprou e seu pneu Silvertown. A realização envolveu a construção do tecido de forma tal que a trama cruzada aparecia ocasionalmente ou sem nenhuma. No processo de manufatura, os cordões eram mantidos no lugar por uma camada de borracha. Isto também facilitou a aplicação de lonas de maneira que reduziu até mesmo tensões através do contorno arredondado do pneu. Outro benefício foi ser capaz de torcer e embalar o fio de uma forma muito mais forte do que poderia ser realizado no tecido de pano.
No progresso dos materiais têxteis o maior passo seguinte ocorreu em 1931 com o primeiro tecido feito pelo homem, o rayon. Feito com a polpa da madeira, o material teve que superar significantes dificuldades de adesão, tal como foi o caso praticamente com cada material substituto do cordão. O mercado viu o primeiro pneu de rayon em 1938. Por volta de 1955, o algodão foi praticamente eliminado como material de reforço.
O passo seguinte foi o nylon – primeira fibra completamente sintética. Fez sua estreia no mercado em 1947. O que se seguiu foi a clássica batalha do nylon versus rayon, a qual se estendeu por vários anos. Nylon foi considerado para ser mais forte e produzir menos calor; entretanto não oferecia a estabilidade dimensional do rayon, e entre as mais notáveis mudanças na manufatura que desencadeou está o enchimento pós-cura para atingir melhor uniformidade com o pneu em temperatura ambiente.
O incômodo irritante que em última análise condenou o nylon como material de reforço para pneu foi o flat spotting. Esta deformação, causada pelo carro estacionado, permanecia no pneu por um breve percurso, produzindo um irritante ruído tipo batida. Num carro novo isso poderia causar péssima impressão ao ser dirigido pela primeira vez. Uma vez que o pneu aquecesse e retomasse sua forma circular original, o ruído desaparecia. Entretanto, o receio foi que a negativa impressão já havia sido criada e o dano no mercado já havia sido feito.
A resposta ocorreu com o poliéster em 1962. Ele tinha a força do nylon, mas nenhuma das propriedades que levavam ao flat spotting. Rapidamente utilizado e permanece até hoje como a escolha para cordão de lona de corpo do pneu dos carros de passageiros.
Quanto à tecnologia para material da cinta e seu associado progresso, deve-se entender a sua significância. Voltando na data para os primeiros pneus de cordão, cintas podem ter sido úteis, mas elas não foram necessárias. Isto porque os materiais de reforço foram dispostos em diagonal, ou lonas de viés angular. Tais lonas iam diagonalmente de talão a talão. No processo de manufatura, se tais lonas fossem montadas em um tambor cilíndrico convencional, as lonas de viés angular poderiam “pantografar”, se deslocar, quando o pneu fosse formado.
O mais significante avanço na tecnologia de pneu ocorreu com a construção da lona radial. De maneira estranhamente similar ao pneu em si, pareceu acontecer à frente do seu tempo. A primeira patente foi concedida em 1913 e os inventores foram Christian Hamilton Gray e Thomas Sloper. Entretanto, a lona radial permaneceu dormente até que Michelin apresentasse o Michelin X, radial, em 1948. Uma vez mais, o teste de resistência ao rolamento foi a chave para sua mensagem, junto com os períodos de vida mais longa da banda e melhoria na dirigibilidade.
Um pneu de lona radial tem este nome porque os cordões da lona de corpo vão de talão a talão. Portanto, na região da parede lateral eles aparecem como “raios” de um círculo. A força circunferencial é provida por uma cinta consistindo em cordões formando um muito pequeno ângulo com a direção circunferencial da banda e abaixo da banda (não abaixo da parede lateral).
O material original da cinta patenteado por Michelin em 1946 foi o fio de aço. Uma vez mais, isto colocou um maior desafio para a adesão com a borracha. No entanto, como este desafio foi bem-sucedido e a construção, aperfeiçoada, os benefícios de desempenho foram esmagadores.
A patente de Michelin, junto com os desafios de adesão e manufatura, motivou outros fabricantes a considerar outros materiais de cinta em vez do aço. Daí, radiais cinturados de rayon apareceram no mercado, seguidos de cintas de fibra de vidro. Um recém-chegado material de cinta é a aramida. Esta fibra sintética, também conhecida como Kevlar e comercializada como “Fibra B” pela DuPont, é tida como sendo cinco vezes mais forte que o aço para pesos iguais. É mais provável que seja encontrada em pneus de alta desempenho e/ou pneus radiais para alta velocidade.
O pneu de lona radial realmente revolucionou a indústria de pneus. Fábricas fecharam e companhias saíram do negócio neste despertar. Os vencedores se viram eles mesmos produzindo pneus que eram muito superiores aos antecessores de lonas diagonais.
Um lógico passo intermediário nesta “revolução” foi o pneu de cintas diagonais. Pioneiro pela Armstrong em 1965, consistia em pneu diagonal, mas com o adicional de cintas de reforço feitas de fibra de vidro. Outras companhias de pneus rapidamente se juntaram com esta popular construção de lonas de corpo em poliéster e cintas em fibra de vidro. Mais tarde pneus de cintas diagonais surgiram com cintas de aço. As vantagens de desempenho o colocavam em algum ponto entre construção diagonal e a radial. A mais primária vantagem, se não a maior, foi que o equipamento de fabricação diagonal podia permanecer em uso e os preços resultantes permanecerem atraentes.
Entretanto, a construção de lonas radiais não foi abandonada, e ao longo dos anos 1970 todas as cintas diagonais gradativamente desapareceram do mercado.
Tecnologia da borracha e compostos
O avanço tecnológico-chave o qual manteve todo este programa chamado pneumático na forma em que foi, é claro, é a vulcanização da borracha. Charles Goodyear descobriu este processo, quase por acidente, como ele admitiu em 1839. Muitos anos foram gastos em melhorias sobre o processo, e ele teve a patente nos Estados Unidos concedida em junho de 1844. O processo de vulcanização essencialmente envolve a adição de enxofre e calor os quais levam as propriedades da borracha a serem muito mais estáveis. Antes da vulcanização, a borracha se tornava muito mole e pegajosa em quentes temperaturas ambiente e muito frágil nas frias. Ao invés de pneus, ele estava focando em calçados e outros produtos de borracha. Entretanto, foi inevitável que a borracha vulcanizada fosse o material foco do qual um produto chamado pneumático podia florescer.
Borracha, é claro, é um produto que ocorre naturalmente, e seu cultivo se iniciou em 1876. De fato, o mundo confiou na borracha natural —com praticamente sem substituto adequado — por aproximadamente um século. Mesmo hoje, borracha natural desfruta de forte demanda.
Negro de fumo foi adicionado à borracha para produzir desejada melhoria em força e dureza, começando em 1904. Sidney C. Mote, da India Rubber, Gutta Percha and Telegraph Works, de Silvertown, na Inglaterra, é creditado desta realização. Uma vez mais, esta foi provavelmente uma ideia à frente do seu tempo, e não foi até 1912 nos Estados Unidos que a Diamond Rubber Company e a B.F. Goodrich usaram esta adição à borracha. O uso do negro de fumo não se tornou generalizado até o início dos anos 20. Antes desse tempo, pneus eram brancos em vez de pretos.
Outra significativa melhoria ocorreu em 1906 quando George Oenslager da Diamond Rubber Company (B.F. Goodrich) desenvolveu aceleradores para reduzir o tempo de cura da borracha. Isto produziu uma maior melhoria na qualidade do produto e significativa redução de custo.
Como os pneus se tornaram de uso mais longo e duradouro, o problema da oxidação se tornou mais notado. Isto levou ao desenvolvimento de resistentes orgânicos, ou antioxidantes, em 1924. Harold Gray da B.F. Goodrich e Sidney M. Cadwell da U. S. Rubber Company, foram os primeiros técnicos que desenvolveram esse processo.
O primeiro grande passo para a borracha sintética foi dado na Alemanha em 1931. Eduard Tschunker e Walter Bach produziram com sucesso o “Buna S” usando uma emulsão para polimerização do butadieno e estireno. O butadieno monômero “BU” é o primo sintético mais próximo do isopreno borracha natural. (NA é o símbolo para o elemento sódio, o qual serviu como catalisador). Em 1933, Semperit, da Áustria produziu o primeiro pneu de borracha sintética. O primeiro pneu de borracha totalmente sintética nos Estados Unidos foi realizado pelo B.F. Goodrich em 1940.
Como os ventos da Segunda Guerra Mundial se aproximavam, tornou-se abundantemente claro que, dada a localização geográfica das plantações de borracha natural, um esforço total para melhorar e ampliar o desenvolvimento e a fabricação de borracha sintética seria a chave para o sucesso dos EUA. Em concordância, o seu governo estabeleceu comitês nacionais, reunindo indústria, governo, academia, e essencialmente renunciando a toda restrição competitiva para acelerar o processo de desenvolvimento. O resultado foi uma receita para GR-S, desenvolvido em 1941. Este foi o percursor do SBR (styrene butadiene rubber).
A capacidade de fabricação desta borracha sintética foi trazida ao extremo tão rápido quanto possível durante os anos da guerra para manter o ritmo com as realizações de desenvolvimento. Antes do fim da guerra, seu fornecimento não era mais problema.
Um aprimoramento adicional do SBR ocorreu em 1948 quando polimerização de baixa temperatura foi aperfeiçoada por Carl S. Marvel, da Universidade de Illinois. Esta ação adicional expandiu o uso tanto que SBR continua hoje como padrão de borracha sintética para fabricação de pneus.
Ainda outro avanço ocorreu com a borracha sintética poli-isopreno a qual foi apresentada em 1954 pela B.F. Goodrich e Firestone — simultânea e independentemente. Foi considerada como sendo a borracha sintética que mais se assemelha às propriedades da borracha natural.
Aprimoramentos continuam mesmo hoje como desafios para melhorias de desempenho e são intermináveis. Aderência, desgaste da banda e resistência ao rolamento melhorados são ainda mantidas como metas coletivas as quais, junto com pressões competitivas, mantêm os especialistas em compostos ocupados buscando por formas de melhorar uma propriedade sem sacrificar outras.
MP
Por William J. Woehrle, revista Automotive Engineering International, uma publicação da SAE International, edição de setembro 1995, tradução de Mário J. S. Pinheiro.
