L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000 Paolo Martinelli Direttore motori Ferrari - Gestione Sp

1. 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 F11996 - 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

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. 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, … Principali attività di avanprogetto e consolidamento progetto

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.

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 Computational simulation Model parameters Track development Vehicle simulation test bed

31. La simulazione in sala prova

32. L’analisi telemetrica

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

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