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
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
2
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
3
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
4
“Formula della Potenza”
come prodotto di rendimenti
P
V 
Eff
n
 
 
2

p
 A p c 
m
me







me



V

v
V
   
K 
C
T
i
O

n
 
 
2
Q
i
L
iT
L
ir
L
eff
5
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
nel 2004: n°1 motore per n°1 w-end di gara
nel 2005: n°1 motore per n°2 w-end di gara
•
Compaiono fenomeni nuovi legati alla maggior durata, che impongono:
–
–
•
400km
700km
1400km
base
= +75%
= +250%
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
6
Evoluzione motori V10
“046” (1996)
“055” (2005)
Potenza max
100
122
Max RPM
100
112
vel. media pistone
100
100
Pot. A-reale
100
108
Angolo V°
75
90
Altezza asse motore
100
68
Peso totale motore
100
75
Alesaggio
100
106.5
Massa pistone
100
86
Altezza compressione pistone
100
78
Lunghezza biella
100
91
7
Gli strumenti della progettazione
(motore)
•
Il METODO
•
Le fasi del PROGETTO
•
L’impiego della SIMULAZIONE
8
La progettazione “tradizionale”
Progetto
Progetto
più “robusto”
Progetto
Design review
(riduzione di materiale)
Rottura
Eccessiva
sicurezza
(sovradimensionamen
to)
9
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)
10
Flow chart dell’attuale metodo di progettazione
- anello di eventi Technical regulations
Technical specs
Concept design
Numerical analysis
First calculation
Architecture
(shape concept)
Project
Materials
Engineering
Tests on virtual & real prototypes
Raceable components (engines)
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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)
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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
13
Rappresentazione
dell’anello di progettazione
(applicato al motore)
Calcoli e
Simulazione
Metallurgia
Ufficio
Tecnico
Ingegnerizzazione
Qualità
14
Le FASI della progettazione del motore F1
Limiti (Constraints)
Obiettivi
Regolamenti
Prestazione
Costi
Affidabilità
Tempo
Integrazione
15
Obiettivi  nuovo motore
• Aumentare le
prestazioni
• Ridurre il peso
& abbassare il
baricentro
OBIETTIVI
• Compattare
• Migliorare
l’affidabilità
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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
17
Principali attività di avanprogetto e
consolidamento progetto
• L’analisi di avanprogetto
include:
• Il consolidamento del
progetto include la
delibera dei componenti:
- l’individuazione delle linee di
sviluppo;
- la verifica strutturale di
massima;
- lo studio di modelli funzionali
e/o prototipi di sotto-gruppi
- analisi tensionale per il
raggiungimento della vita
operativa;
- analisi deformativa per la
funzionalità;
- verifiche speciali, es. studi
vibrazionali, acustici, …
18
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
19
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, …)
20
Calcolo CAD 3D (integrato CAM)
•
•
•
•
1 solo modello matematico
calcolo/simulazioni avanzate (FEM)
controllo continuo del peso
rapid prototiping
21
Varianti diverse sono valutate prima della costruzione del pezzo reale
22
Evoluzione dei metodi di progettazione analisi e test
sperimentali
Studio 2D / 3D
Studio 2D
Modellazione 3D
di tutti i particolari
Disegnazione
particolari 2D
Avvio produzione
Modellazione 3D
dei componenti critici
Test sperimentali
046 (1996)
Analisi (FEM, CFD)
Avvio produzione
Analisi
(FEM, CFD, ecc.)
Disegnazione
particolari 2D
Test sperimentali
055 (2005)
23
Esempi di analisi numerica applicata
nella progettazione di un motore
•
•
•
•
Structural analysis FEA
Vehicle dynamic
Computational Fluid Dynamic
Thermal stress analysis
24
Esempio di analisi numerica F.E.A.
25
26
La simulazione su prototipi virtuali
27
Modello di motore come sistema
integrato con benzina ed olio
FUEL
Engine
management
(i.e. traction
control)
„Closed-loop“
EVOLUTION
of all
parameters
LUBRICANT
Strategie per il
Weekend di gara:
uso motore(i), T, rpm
28
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 ***
29
Il processo di simulazione
Galleria del
vento F1
Computational
simulation
Model parameters
Vehicle simulation test bed
Track development
30
La simulazione in sala prova
31
L’analisi telemetrica
32
Elementi per lo sviluppo motore
Test bed
investigation
Design by
experience
FEM - analysis
In-car testing
F1 engine
development
Powertrain
testing
Combustion
analysis
1-cylinder
investigations
Visualisationtools
Reliability
engineering
Race
feedback
1-D gasexchange
calculation
Driveability
Dynamic test
bed
investigation
PAST
CURRENT
CFD calculation
33
Pianificazione sviluppo motore,
confronto fra motore GT e F1
-42
-36
-30
-24
-18
-12
Months before SOP
-6
0
Concept Study
Production
Concept Definition
Prototype Development (Engine Generation 1)
Preproduction Development (Engine Generation 2)
Production Validation
F1-Season
F1-Season
F1-Season
Continous Base Development
Concept Definition
Concept + Design
Dev. + Reliab. testing
Evo 1
Formula 1
Evo 2
Evo 3
Concept Definition
Concept + Design
Dev. + Reliab. testing
Evo 1
Evo 2
Evo 3
Concept Definition
Concept + Design
Dev. + Reliab. testing
Evo 1
34