Analisi della redazioneTecnica F1

Tecnica F1 – Le misure contano anche in Formula 1!

Le attuali monoposto di Formula 1 sono sicuramente le più complesse di sempre in virtù delle nuove Power Unit turbo-ibride introdotte nel 2014. L’integrazione di queste nel telaio delle vetture unite alla necessità dei telaisti e degli aerodinamici di raccogliere moli di dati da analizzare, fa sì che le monoposto di ultima generazione siano anche le più “strumentate”, ovvero che siano massicciamente equipaggiate con numerosi sensori che monitorano i diversi componenti, rendendole dei veri e propri laboratori su quattro ruote.

Innanzitutto i nuovi propulsori, composti da due moto-generatori, un motore endotermico, il pacco batterie e tutta la componentistica elettronica della centralina di controllo, necessitano di un monitoraggio costante. Ciò impone l’utilizzo di una moltitudine di sensori di pressione, temperatura, posizione e velocità che inviano informazioni sia alla centralina di bordo che agli ingegneri di pista per mezzo della telemetria. Queste informazioni sono fondamentali sia per assicurarsi che tutto funzioni in simbiosi, sia perché dal 2014 in poi i sistemi di controllo delle power unit sono diventati uno dei nodi cruciali nell’ottenimento della performance.
Inoltre, le grandi restrizioni imposte ai test in pista ed alle simulazioni in galleria del vento hanno fatto sì che ogni sessione di prova diventi un’importantissima occasione per raccogliere dati. Per i tecnici è ormai preziosissimo ricavare anche la minima informazione possibile necessaria per verificare il progresso degli sviluppi sulla vettura e programmarne l’avanzamento.
La compattezza è un vincolo che ciascun progettista deve rispettare nel disegno di una monoposto e ogni sensore in più posizionato su di essa significa due cose : maggior peso ed un preventivo studio riguardo la sua integrazione all’interno della vettura stessa. Ciò significa che per i team e per i costruttori di sensori la vera sfida consista nel produrre componenti sempre più piccoli e leggeri senza però sacrificarne l’affidabilità e la sopravvivenza in condizioni da gara.

Ma quali strumenti si utilizzano per eseguire determinate misure in Formula 1?

Per i meno preparati gli estensimetri sono degli strumenti di misura utilizzati per rilevare piccole deformazioni dimensionali dei corpi sottoposti a misurazione; essi sono utilizzati nelle sospensioni e nelle appendici aerodinamiche delle vetture di Formula 1. Ad esempio, i montanti ed i braccetti delle sospensioni sono “strumentate” con un certo numero di estensimetri per verificare i carichi a cui sono sottoposti. Queste misure saranno poi usate per studiare il comportamento dinamico della monoposto. Ovviamente il tipo di estensimetro scelto (ne esistono in commercio dei più svariati), la sua disposizione sul misurando (l’oggetto sottoposto a misura) ed il numero di estensimetri usati dipenderà dalla complessità del componente da misurare e dagli assi lungo il quale è sottoposto a carico.

Un estensimetro
Un estensimetro

Quando una forzante esterna è applicata ad un oggetto esso subisce uno sforzo ed una deformazione (elastica o plastica); misurandoli è possibile determinare l’intensità del carico e la sua direzione d’azione sull’oggetto stesso.
I più utilizzati sono gli estensimetri elettrici, il cui principio di funzionamento si basa sulla variazione della resistenza elettrica a seconda della forza a cui sono sottoposti. Costruttivamente sono costituiti da una sottilissima griglia di filo metallico applicata rigidamente su un supporto di materiale plastico e vengono poi applicati sulla superficie del misurando tramite incollaggio usando una resina epossidica. Quando il misurando (ovvero il nostro oggetto di cui ci interessa la misura) è sottoposto ad un carico e si deforma, anche il filo metallico subisce un allungamento col risultato che la resistenza elettrica (quella che vi hanno fatto studiare a scuola, la cosiddetta legge di Ohm) dell’estensimetro varia. Misurando questa variazione e comparandola ad un valore di riferimento, ottenuto tramite taratura in laboratorio, è possibile ricavare la deformazione (parliamo di millimetri) che ha subito l’oggetto.
Queste variazioni di resistenza sono molto piccole, pertanto è necessario usare più estensimetri incorporati all’interno di un circuito elettrico al fine di ottenere una misura efficace. Questo circuito è noto come ponte di Wheatstone e permette di eseguire sia misure statiche che dinamiche. Nella sua forma più semplice è composto da due rami resistivi posti in parallelo : il primo composto da una resistenza campione in serie a delle resistenze variabili, il secondo dato da un altro resistore campione in serie alla resistenza incognita. Vi sarà poi un voltmetro con elevata sensibilità a misurare la differenza di potenziale tra le resistenze campione e quella incognita.
Purtroppo gli estensimetri possono vedere la propria resistenza elettrica alterata da fattori esterni quali la temperatura. Infatti, essa produce un doppio effetto che altera le letture dello strumento. Da un lato la resistenza elettrica è funzione della temperatura e quindi varia con essa, dall’altro la differente dilatazione termica a cui sono soggetti sia gli estensimetri che il nostro misurando a cui gli estensimetri stessi sono applicati. Dilatazione che varia, ovviamente, a seconda dei materiali in gioco. Per compensare ciò si posiziona una resistenza campione di uno dei due rami del ponte su un pezzo dello stesso materiale non sottoposta ad alcuna deformazione, ma esposto alla stessa temperatura. Esso fornirà un riferimento di quanto la temperatura influenza la misura e questo valore potrà poi essere utilizzato per calcolare quanto varia la resistenza in quella incognita per effetto della semplice deformazione.

Gli estensimetri possono essere incorporati anche all’interno di un trasduttore, ovvero di un dispositivo che riceve valori di variabile fisiche (come una forza) in ingresso e restituisce un segnale elettrico equivalente in uscita (una tensione generalmente). Ad esempio, la maggior parte dei team posiziona dei trasduttori sui piloncini montanti dell’ala anteriore per verificare la deportanza e come si distribuisce il carico lungo l’ala.
Gli estensimetri sono collocati all’interno della struttura del trasduttore stesso e misurano la deformazione dello strumento stesso quando il carico è applicato. Il trasduttore stesso poi può essere posizionato all’interno di qualche altro componente funzionale, come un supporto smorzante, per donare all’insieme maggiore compattezza.
Tutti i trasduttori incorporano al loro interno un circuito amplificatore, il quale modifica il segnale in uscita trasformandolo dai millivolt in una grandezza opportuna per essere poi fornita in ingresso ad un ECU, ovvero ad un sistema di controllo software. Spesso questi amplificatori funzionano anche da regolatori di tensione, fornendo un segnale elettrico stabile allo strumento.
Alcuni costruttori forniscono amplificatori con doppia uscita che forniscono due diversi valori di guadagno (il fattore moltiplicativo che varia l’ampiezza di un segnale). Ad esempio, quando la monoposto si trova in rettilineo le variazioni di carico misurate saranno molto piccole, quindi per ottenere dati dettagliati sarà utilizzato il canale amplificatore ad alto guadagno. Invece, quando la vettura salta sui cordoli i carichi variano bruscamente, e pertanto si utilizzeranno i dati provenienti dal canale amplificatore a basso guadagno.

Con la rivoluzione del 2014 è diventato fondamentale, inoltre, misurare la coppia motrice. Infatti non è più il pedale dell’acceleratore a gestire il tutto. E’ l’elettronica della monoposto a determinare come la coppia sarà distribuita, regolando rispettivamente il contributo del motore endotermico e dell’ERS fornito alla coppia motrice diretta alle ruote posteriori. Affinché tutti i sistemi di controllo delle power unit siano implementati correttamente, è fondamentale che vengano eseguite diverse misure della coppia in diversi punti. Ad esempio, sull’MGU-K e su tutti gli alberi della trasmissione.
La tecnologia per misurare la coppia motrice è in continua evoluzione e diversi metodi possono essere utilizzati. In passato si utilizzavano trasduttori angolari oppure di posizione.

Pertanto, capirete come il campo delle misure, sebbene passi notevolmente inosservato (eccetto quando si parla di misure di tempo), rivesta in realtà un ruolo cruciale nel mondo delle competizioni motoristiche; e come alcuni strumenti molto semplici (quali gli estensimetri) siano utilizzati in un settore iper-tecnologico come quello della Formula 1.

Fonte : f1technical.net

Luca Stopelli

Ho 24 anni e sono uno studente di ingegneria meccanica. Appassionato di auto e motori seguo la F1 e il motorsport in tutte le sue declinazioni fin da quando ero piccolo.

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