Nell’identificare i punti salienti dell’evoluzione tecnologica delle competizioni motoristiche, spesso si tende a concentrarsi sulle innovazioni più appariscenti e percepibili dall’esterno. Dal motore centrale all’aerodinamica, passando per l’avvento della fibra di carbonio e dei propulsori ibridi, non mancano gli esempi di innovazioni che hanno consentito alla Formula 1 di compiere veri e propri salti generazionali dal punto di vista ingegneristico. Il rischio però è di sorvolare su altre evoluzioni altrettanto importanti, ma non ugualmente di facile apprezzamento per gli osservatori.
Il Cambio Semiautomatico: Una Rivoluzione Idraulica
Marelli ha avuto la possibilità di lavorare assieme a Ferrari su una concezione rivoluzionaria di cambio, derivata da un’idea di John Barnard. Il cambio è uno dei componenti più critici e sollecitati della vettura: deve essere robusto, preciso e veloce negli innesti e piccolo per consentire una buona aerodinamica della parte posteriore della vettura.
L’affidabilità dei cambi è sempre stata legata a due fattori fondamentali: la robustezza della progettazione e l’abilità del pilota di effettuare cambiate veloci senza sbagli. Il secondo fattore ha spesso prevalso sul primo: abitacoli sempre più ristretti hanno progressivamente reso meno confortevole la manovra di una leva convenzionale, mentre le elevate accelerazioni laterali hanno reso sempre più critico lo staccare le mani dal volante. Inoltre, l’esasperazione aerodinamica ha reso sempre più difficile collegare in modo affidabile la leva di comando al cambio stesso.
Anche per i piloti più esperti diventava sempre più frequente sbagliare una cambiata con conseguenze sulla prestazione e talvolta sull’affidabilità. Da qui la decisione di realizzare un cambio semiautomatico con comando al volante e privo di connessioni meccaniche tra dispositivo di attuazione e ingranaggi. Due leve sul volante generano il comando elettrico in salita ed in scalata, che viene trasmesso ad un sistema di elettrovalvole e di pistoni idraulici che provvedono alla selezione e all’innesto dei rapporti. Un sistema di rilevazione del rapporto inserito consente anche di adeguare le caratteristiche di erogazione del motore alle diverse condizioni.
Tale soluzione ha portato ad una serie non indifferente di vantaggi. In primo luogo, sono praticamente spariti gli errori di cambiata, con grandi benefici all’affidabilità dell’intera trasmissione. Le cambiate inoltre sono diventate più rapide e non soggette alla normale dispersione a cui erano soggette con l’azionamento manuale.
L'Evoluzione dell'Interfaccia Pilota-Macchina
Sempre con Ferrari e come naturale conseguenza degli sviluppi legati al nuovo tipo di cambio, Marelli ha sviluppato la tecnologia per definire una nuova interfaccia tra macchina e pilota. Nell’ergonomia del posto di guida di una vettura da competizione, la posizione del “cruscotto” è fondamentale: è indispensabile avere sotto controllo il maggior numero di informazioni / funzioni distogliendo il meno possibile gli occhi dalla pista. In quest’ottica sono nati i primi volanti con l’integrazione di alcune funzioni, come spie e contagiri.
Quando il numero delle funzioni “by wire” è esploso, gli ingombranti manettini meccanici di regolazione si sono progressivamente spostati sul volante. Quest’ultimo è diventato il vero “ponte di comando” della vettura dal quale il pilota è in grado di effettuare un numero incredibile di operazioni e di ricevere informazioni sulla prestazione e sulle condizioni della vettura.
Per ridurre il numero elevatissimo di connessioni elettriche verso il volante, è stato praticamente indispensabile realizzare una linea di trasmissione dati che fornisse al volante informazioni già elaborate e lo rendesse in grado di inviare dati anch'essi elaborati alle centraline preposte alle differenti attuazioni.
Architettura Distribuita e Gestione Elettronica
Il continuo incremento di funzioni gestite elettronicamente e il contemporaneo sviluppo della aerodinamica delle Formula 1 aveva quasi portato al collasso i sistemi precedenti per tre ragioni principali. I cablaggi erano diventati eccessivamente complicati ed ingombranti, era aumentato il numero di sensori ed attuatori ma non lo spazio a disposizione e il numero di dati grezzi da inviare ad un’unità centrale per un’elaborazione era diventato talmente elevato da richiedere a quest’ultima una sempre più elevata capacità di calcolo. Un’unica “scatola” avrebbe avuto dimensioni così importanti da non essere montabile senza penalizzare l’architettura della vettura.
Marelli ha quindi sviluppato una soluzione con architettura distribuita. Una unità master presiede alla gestione dei calcoli e alla canalizzazione dei dati verso la telemetria, dialogando attraverso linee di comunicazione veloci con unità satelliti specializzate disposte in punti strategici del veicolo. Unità engine slave presiedono al controllo motore mentre altre unità front e rear box assicurano la gestione locale del controllo del veicolo.
In particolare, la front box controlla la parte anteriore del veicolo (ripartitore di frenata - servosterzo - servofreno) per mezzo di una rete locale di sensori e di attuatori. Analogamente la rear box svolge le funzioni necessarie nella parte posteriore del veicolo (controllo cambio - controllo frizione - controllo trazione). Il principale vantaggio di tale architettura è la scomparsa della backbone che connetteva la sensoristica alla centralina principale percorrendo l’intero veicolo.
La vettura è attraversata unicamente da una backbone per le alimentazioni e da una rete per la veicolazione di dati elaborati localmente dalle unità satelliti. Queste ultime possono essere realizzate con le tecnologie più adatte all’ambiente dove verranno collocate, sono in grado di vivere autonomamente, consentendo ad esempio di portare il motore in sala prova con i soli moduli engine slave. Il sistema è estremamente flessibile: in caso di introduzione di nuovi componenti si modificano esclusivamente i moduli necessari con risparmi di costo e tempi di sviluppo.
Contemporaneamente è proseguita l’opera di miniaturizzazione già in atto su sensori ed attuatori: nuove bobine di accensione ad alta energia e dimensioni ridotte; nuovi iniettori miniaturizzati con pressione di esercizio aumentata.
Telemetria DST (Data Stream Telemetry)
Con il DST (Data Stream Telemetry) agli inizi del 2000 anche la telemetria in Formula 1 ha realizzato un salto generazionale. I sistemi di telemetria precedenti al DST infatti consentivano il monitoraggio in tempo reale solo di pochi parametri vitali della macchina a basse frequenze.
In alternativa e a volte contemporaneamente un altro sistema di telemetria consentiva di scaricare sulla linea del traguardo alcuni dati ad alta frequenza accumulati durante il giro appena concluso. Gli ingegneri potevano così realizzare delle analisi sui dati, rimanendo comunque sempre almeno un giro in ritardo rispetto alla vettura.
Con il DST Marelli è riuscita a soddisfare entrambi i requisiti, fornendo agli ingegneri ai box una telemetria in realtime di migliaia di canali vettura a frequenze altissime. In questo modo si sono accelerate le operazioni in pista, in quanto quando la macchina rientra ai box si sa già dove intervenire; si è aumentato il controllo sull’affidabilità della vettura, dal momento che avendo sotto controllo in tempo reale tutti i parametri della macchina è possibile gestirla nel miglior modo possibile; si è aumentata la possibilità di sofisticate analisi dati in real-time, consentendo così interventi in corsa per modificare mappature motore o altri parametri del veicolo al fine di migliorarne le prestazioni.
Col DST Marelli ha introdotto anche un’evoluzione altrettanto importante del suo tool di analisi dati (WinTAX), oltre che a realizzare sistemi di distribuzione dati in pista e via satellite fino a quartier generale dei team.
KERS (Kinetic Energy Recovery System)
Il Kinetic Energy Recovery System precedentemente assente sui veicoli da competizione è stato ammesso a partire dal campionato di Formula 1 del 2009. Concettualmente il sistema non è molto diverso da quello presente su un veicolo ibrido parallelo: un motogeneratore (MGU) è in grado di convertire l’energia cinetica disponibile in frenata in energia elettrica per ricaricare un gruppo di batterie e all’occorrenza di ritrasformarla in potenza meccanica.
Il flusso di potenza dello MGU da e verso il gruppo batterie è regolato da un’unità elettronica di potenza (KCU) attraverso un’opportuna rete di sensori. Lo stato del gruppo batterie è continuamente monitorato e gestito da un sistema locale di Battery Management System (BMS) che, dialogando con la KCU, provvede ad evitare trasferimenti di potenza potenzialmente pericolosi per l’affidabilità del gruppo stesso.
Quello che rende il KERS in Formula 1 molto particolare rispetto a un ibrido parallelo è l’obiettivo finale di guadagnare potenza senza penalizzare l’architettura della vettura con i pesi e gli ingombri dei componenti necessari. L’approccio Marelli è stato di tipo sostanzialmente sistemistico: sono stati realizzati modelli matematici dei singoli componenti che successivamente sono stati assemblati in un modello complessivo di sistema. Questo approccio si è dimostrato vincente in quanto ha consentito di snellire in modo incredibile il co-design con i clienti, rispondendo in tempo reale alle loro necessità di adattare i componenti alla vettura senza creare vincoli preconcetti.
Per quanto riguarda l’aspetto realizzativo, i due componenti più interessanti sono l’MGU (Motogeneratore) e KCU (centralina di controllo). Per il primo è stato ottimizzato il rapporto peso potenza adottando una soluzione di motogeneratore brushless a magneti permanenti ad elevato regime di rotazione e con avvolgimenti in grado di tollerare correnti più che doppie rispetto ad un motogeneratore convenzionale. Per la seconda è stato scelto uno schema che, limitando il numero degli stadi di conversione, ha consentito di ottimizzare il rendimento.
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