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Linnovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000 Paolo Martinelli Direttore motori Ferrari - Gestione Sportiva S. Miniato, 17 settembre 2005.

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

2 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 laumento del consumo carburante e delle richieste di raffreddamento

3 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 4 Evoluzione Ferrari V10 F 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 dellintegrazione 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 5 Formula della Potenza come prodotto di rendimenti

6 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 7 Evoluzione motori V (1996)055 (2005) Potenza max Max RPM vel. media pistone100 Pot. A-reale Angolo V°7590 Altezza asse motore10068 Peso totale motore10075 Alesaggio Massa pistone10086 Altezza compressione pistone10078 Lunghezza biella10091

8 8 Il METODO Le fasi del PROGETTO Limpiego della SIMULAZIONE Gli strumenti della progettazione (motore)

9 9 La progettazione tradizionale Progetto Rottura Progetto più robusto Progetto Eccessiva sicurezza (sovradimensionamen to) Design review (riduzione di materiale)

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

11 11 Flow chart dellattuale metodo di progettazione - anello di eventi - Technical regulations Technical specs Concept designFirst calculation Architecture (shape concept) Numerical analysis MaterialsEngineering Tests on virtual & real prototypes Raceable components (engines) Project

12 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 13 Strumenti innovativi utili allintroduzione 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 14 Rappresentazione dellanello di progettazione (applicato al motore)

15 15 Le FASI della progettazione del motore F1

16 16 Aumentare le prestazioni Ridurre il peso & abbassare il baricentro Compattare Migliorare laffidabilità Obiettivi nuovo motore OBIETTIVI

17 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 18 Principali attività di avanprogetto e consolidamento progetto Lanalisi di avanprogetto include: - lindividuazione 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 19 I modelli La progettazione di qualunque manufatto prevede che si affronti il problema per mezzo di un modello (o più modelli). Lingegnere deve operare basandosi su di esso tenendo presente che: –Occorre definire modelli idonei: laccuratezza deve essere proporzionale agli obiettivi –Non esiste - in generale - un modello globale in grado di simulare completamente un manufatto a qualsivoglia dettaglio

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

22 22 Varianti diverse sono valutate prima della costruzione del pezzo reale

23 23 Evoluzione dei metodi di progettazione analisi e test sperimentali Studio 2D Disegnazione particolari 2D Avvio produzione Test sperimentali Modellazione 3D dei componenti critici Analisi (FEM, CFD) Studio 2D / 3D Modellazione 3D di tutti i particolari Avvio produzione Test sperimentali Disegnazione particolari 2D Analisi (FEM, CFD, ecc.) 046 (1996)055 (2005)

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

25 25 Esempio di analisi numerica F.E.A.

26 26

27 27 La simulazione su prototipi virtuali

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

29 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 allesperienza passata ***

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

31 31 La simulazione in sala prova La simulazione in sala prova

32 32 Lanalisi telemetrica Lanalisi telemetrica

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

34 34 Pianificazione sviluppo motore, confronto fra motore GT e F1


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