L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000

Presentazione sul tema: "L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000"— Transcript della presentazione:

1 L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000
SCUOLA NORMALE SUPERIORE DI PISA Corso di Orientamento Universitario L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000 Paolo Martinelli Direttore motori Ferrari - Gestione Sportiva S. Miniato, 17 settembre 2005

2 Motore F1 “ideale” I parametri critici per una monoposto di F1 sono:
affidabilità totale trazione (legata agli pneumatici, come fattore dominante) efficienza aerodinamica handling e distribuzione dei pesi potenza e guidabilità del motore La potenza motrice è necessaria (come “potenza media pista”), ma … ha influenza limitata sulla prestazione assoluta della vettura piccoli incrementi richiedono sforzi elevati e rischi affidabilistici occorre considerare anche l’aumento del consumo carburante e delle richieste di raffreddamento

3 Obiettivi e linee guida per il progettista del motore
Parametri “motoristici” Prestazioni – in termini di: potenza massima guidabilità efficienza Affidabilità = zero anomalie Obiettivo finale massimizzare la prestazione della monoposto riduzione di peso e ingombri riduzione delle esigenze di raffreddamento (radiatori) abbassamento del baricentro riduzione inerzie in movimento riduzione del consumo di carburante Vincoli regolamenti sempre più limitanti costi

4 Evoluzione Ferrari V10 F1 1996 - 2005
Gli sforzi più significativi sono stati indirizzati a: Miglioramento dei parametri motoristici affidabilità totale riduzione attriti miglioramento guidabilità riduzione inerzie in movimento ricerca della massima prestazione pura Ottimizzazione dell’integrazione con il “sistema vettura” riduzione peso e ingombri abbassamento del baricentro aumento delle temperature di funzionamento dei fluidi lubrificanti e di raffreddamento  riduzione masse radianti

5 “Formula della Potenza” come prodotto di rendimenti

6 Evoluzione dei regolamenti
fino al 2002: nessun vincolo sul numero di motori utilizzabili nel week-end di gara nel 2003: n°1 motore per qualifica+ gara 400km base nel 2004: n°1 motore per n°1 w-end di gara 700km = +75% nel 2005: n°1 motore per n°2 w-end di gara 1400km = +250% Compaiono fenomeni nuovi legati alla maggior durata, che impongono: metodi di analisi più sofisticati (progettazione e sperimentazione) evoluzioni di materiali e tecnologie Diventa sempre più difficile introdurre radicali innovazioni nel corso della stagione: tempi stretti omologazione delle evoluzioni molto più gravosa nessuno “step” intermedio (prove di qualificazione), il debutto avviene direttamente in gara

7 Evoluzione motori V10 “046” (1996) “055” (2005) Potenza max 100 122
“046” (1996) “055” (2005) Potenza max 100 122 Max RPM 112 vel. media pistone Pot. A-reale 108 Angolo V° 75 90 Altezza asse motore 68 Peso totale motore Alesaggio 106.5 Massa pistone 86 Altezza compressione pistone 78 Lunghezza biella 91

8 Gli strumenti della progettazione (motore)
Il METODO Le fasi del PROGETTO L’impiego della SIMULAZIONE

9 La progettazione “tradizionale”
Progetto Progetto Progetto più “robusto” Design review (riduzione di materiale) Rottura Eccessiva sicurezza (sovradimensionamento)

10 Flow chart della progettazione “tradizionale” - catena di eventi -
Technical regulations Architecture (shape concept) Technical specs Concept design Materials First calculation Project Analysis Prototype Engineering Track tests Raceable components (engines)

11 Flow chart dell’attuale metodo di progettazione - anello di eventi -
Technical regulations Technical specs Concept design First calculation Numerical analysis Project Architecture (shape concept) Materials Engineering Tests on virtual & real prototypes Raceable components (engines)

12 Confronto fra i due flussi
Catena di eventi: Processo monodimensionale, semplice, intuitivo, individualistico Anello di eventi: Processo bidimensionale, organico, strategico, collettivo; vengono coinvolti i fornitori (partners)

13 Strumenti innovativi utili all’introduzione del flusso ad anello
Informatici (IT tools) Hardware di ultima generazione Internet / Intranet Modellazione solida Codici di simulazione CFD FEA di proceso Tecnologici Rapid Prototyping Robot Metrologia computerizzata Organizzativi Quality Assessment Metallurgia Tecnologie e processo

14 Rappresentazione dell’anello di progettazione (applicato al motore)

15 Le FASI della progettazione del motore F1

16 Obiettivi  nuovo motore
Aumentare le prestazioni Ridurre il peso & abbassare il baricentro Compattare Migliorare l’affidabilità OBIETTIVI

17 Le due fasi del progetto
Avanprogetto (conceptual design): risposte veloci e versatilità accuratezza sufficiente a fornire criteri di scelta ed idee di sviluppo: 2D. costruzione di modelli e mock-ups Consolidamento del progetto: Definizione di dettaglio: 3D Ottimizzazione dei dettagli di progetto Consolidamento degli obiettivi (affidabilità, guidabilità, …) Interventi migliorativi

18 Principali attività di avanprogetto e consolidamento progetto
L’analisi di avanprogetto include: - l’individuazione delle linee di sviluppo; - la verifica strutturale di massima; - lo studio di modelli funzionali e/o prototipi di sotto-gruppi Il consolidamento del progetto include la delibera dei componenti: - analisi tensionale per il raggiungimento della vita operativa; - analisi deformativa per la funzionalità; - verifiche speciali, es. studi vibrazionali, acustici, …

19 I modelli La progettazione di qualunque manufatto prevede che si affronti il problema per mezzo di un modello (o più modelli). L’ingegnere deve operare basandosi su di esso tenendo presente che: Occorre definire modelli idonei: l’accuratezza deve essere proporzionale agli obiettivi Non esiste - in generale - un modello globale in grado di simulare completamente un manufatto a qualsivoglia dettaglio

20 Modelli solidi 3D I modelli solidi hanno un contenuto in informazioni significativamente maggiore dei corrispondenti disegni 2D La geometria e le condizioni al contorno sono riprodotte in modo più rigoroso E’ possibile applicare un’ampia gamma di indagini direttamente dal modello: simulazione e calcolo del circuito di raffreddamento (dimensionamento delle “water jackets”) ; sviluppo del processo tecnologico (fonderia, lavorazioni meccaniche); Integrazione di attività specialistiche (calcoli di combustione, fluidodinamica motore, modelli di friction, interazioni col veicolo, …)

21 Calcolo CAD 3D (integrato CAM)
1 solo modello matematico calcolo/simulazioni avanzate (FEM) controllo continuo del peso rapid prototiping

22 Varianti diverse sono valutate prima della costruzione del pezzo reale

23 Evoluzione dei metodi di progettazione analisi e test sperimentali
046 (1996) 055 (2005)

24 Esempi di analisi numerica applicata nella progettazione di un motore
Structural analysis FEA Vehicle dynamic Computational Fluid Dynamic Thermal stress analysis

25 Esempio di analisi numerica F.E.A.

26

27 La simulazione su prototipi virtuali

28 Modello di motore come sistema integrato con benzina ed olio
FUEL Engine management (i.e. traction control) „Closed-loop“ EVOLUTION of all parameters Strategie per il Weekend di gara: uso motore(i), T, rpm LUBRICANT

29 Integrazione fra simulazione e sperimentazione
La simulazione non sostituirà mai la sperimentazione, altrettanto non esisterà sperimentazione senza simulazione  riduzione numero dei tests,  interpretazione dei risultati (pesare i fattori)  impiego dei prototipi virtuali per evidenziare le criticità Pensare sempre al fattore TEMPO ed ai limiti di HW–SW + costo Non è vero al 100 % : “calcolare costa, ma meno che sperimentare” *** Rispetto ed umiltà di fronte all’esperienza passata ***

30 2. Model data + model transfer
Il processo di simulazione Galleria del vento F1 2. Model data + model transfer Computational simulation Model parameters Vehicle simulation test bed Track development

31 La simulazione in sala prova

32 L’analisi telemetrica

33 Elementi per lo sviluppo motore
Dynamic test bed investigation CURRENT Reliability engineering Design by experience Test bed investigation In-car testing Race feedback Design by experience Test bed investigation In-car testing Race feedback PAST 1-D gas-exchange calculation Combustion analysis Driveability FEM - analysis F1 engine development 1-cylinder investigations Visualisation- tools CFD - calculation Powertrain testing

34 Pianificazione sviluppo motore, confronto fra motore GT e F1