Formula Student: dalle aule alla pista

Formula Student

Dopo aver visto in azione queste vetture a Varano, in occasione della tappa italiana della Formula Student, ci siamo riproposti di pubblicare sulle pagine di Auto Tecnica qualche ulteriore approfondimento su questa importante manifestazione, sia per presentare come gli studenti di ingegneria colgano con entusiasmo questa opportunità, sia per dare lustro anche alle aziende che investono risorse in questa iniziativa sia, infine, per dare ai nostri lettori l’opportunità di scoprire qualche interessante spunto tecnico.
Per questo ci siamo recati nel laboratorio dove opera il gruppo di studenti del Politecnico di Torino che quest’anno, insieme ad altri atenei, hanno difeso i colori italiani nella Formula Student, una manifestazione internazionale fortemente competitiva. In particolare i torinesi sono riusciti a conquistare il terzo posto assoluto nella Formula Electric 2018 a Varano, un risultato di prestigio in un settore tecnicamente molto evoluto e di forte attualità.

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Una vista trasparente che consente di apprezzare i vari componenti della vettura. 1) Pacco batterie integrato col diffusore posteriore; 2) Gli inverter, uno per motore, sono posizionati a coppie ai due lati dell’abitacolo; 3) I motori sono degli AMK/DDS-14-10 POW con camicia di raffreddamento esterna realizzata con la tecnica dello stampaggio 3D; 4) La monoscocca, siglata M46J, è una struttura chiusa realizzata sostanzialmente in pannelli sandwich costituiti da laminati in fibra di carbonio e struttura a nido d’ape d’alluminio o nomex, a seconda delle sollecitazioni locali, lavorati in autoclave; 5) Terzo elemento della sospensione per il controllo del beccheggio; 6) Supporto ruota in alluminio lavorato dal pieno CNC; 7) Dischi freno progettati dal Team. Nella parte anteriore si nota il dissipatore di energia (in rosso) obbligatorio per regolamento e che protegge il pilota. E’ realizzato in honeycomb, è regolamentato e ogni team deve produrre dei prototipi, testarli e mandare la documentazione delle prove effettuate ai giudici.

Ci ha ricevuto Carlo Platella, portavoce del team, che ricopre anche un incarico tecnico nel gruppo responsabile dell’impianto frenante: “Il nostro team è formato da 32 persone, suddivise in gruppi, ciascuno con una responsabilità”, inizia a spigarci Patella. “Ogni anno, ovviamente c’è un turn-over che consente di mantenere viva la motivazione del Team unendo l’esperienza di chi ha già lavorato all’entusiasmo dei nuovi arrivati. Normalmente si attinge dagli studenti del 3°, 4° e 5° anno di ingegneria. L’impegno richiesto è elevato e spesso toglie spazio alla frequenza dei corsi e alla preparazione degli esami, ma porta a chi vi partecipa un bagaglio di esperienza importante e l’opportunità di comprendere prima della laurea quali sono le problematiche, non solo tecniche, che incontrerà nel mondo del lavoro”.

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Vista dall’alto della sospensione anteriore con in evidenza il sistema antirollio che al posto della tradizionale barra utilizza dei puntoni che caricano delle lame in fibra di vetro. Si vede anche il terzo ammortizzatore, con l’idraulica in derivazione dagli altri due, che contribuisce alla stabilizzazione del beccheggio.

La vettura del 2018 si chiama SC18 Integrale ed è l’evoluzione delle vetture che negli anni precedenti hanno partecipato alla Formula Student, alcune delle quali sono esposte nell’atrio del Dipartimento del Politecnico ubicato nell’area di Mirafiori, all’interno dello storico stabilimento FIAT. “Si chiama Integrale poiché la trazione è generata da quattro motori elettrici applicati su ciascuna ruota”, continua Platella. “Si tratta di qualcosa più di una semplice evoluzione della SC17 dello scorso anno, poiché sono state fatte delle modifiche importanti per contenere il peso e ripartirlo in modo più adeguato.Per fare un esempio, il pacco batterie, costituito da celle agli ioni di litio, pesa 44 chili, 10 meno del precedente, ed è posto dietro l’abitacolo, mentre gli inverter che comandano i quattro motori sono stati posizionati ai lati dell’abitacolo, in posizione pressoché centrale. Questo ci ha consentito di ridurre il momento d’inerzia del veicolo rendendolo più reattivo nelle curve strette, che sono poi quelle sulle quale ci si gioca la prova dinamica in pista, e di abbattere il peso. Il pacco batterie del 2017 utilizzava celle prismatiche con una densità di carica inferiore, e questo ha reso possibile, a parità di energia erogabile, un sensibile risparmio di peso. Alla fine questo e altri interventi hanno consentito di ridurre di circa 20 chili il peso della macchina, scendendo di poco sotto i 200 chili complessivi”. La cellula centrale è costituita da una monoscocca in fibra di carbonio e honeycomb che pesa circa 22 kg. E’ in pratica un grosso tubo con l’apertura per l’abitacolo che estende dal muso, dove c’è il supporto dell’alettone anteriore, fino alla zona di supporto delle batterie, dietro l’abitacolo.

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Un dettaglio del gruppo centrale e delle lame poste in flessione.

Deve resistere a un impatto con una decelerazione di 40 g e richiede quindi un attento studio strutturale. Ogni team deve presentare idonea documentazione sulla progettazione e una serie di campioni del materiale utilizzato, al fine di garantire la robustezza richiesta: “La giuria è molto attenta a questo aspetto, ed è anche capitato che alle verifiche tecniche pre gara qualcuno sia stato escluso. Ovviamente per il nostro budget la monoscocca è estremamente costosa e non possiamo certo eseguire delle prove distruttive. Per questo poniamo la massima attenzione in fase progettuale e realizzativa”, aggiunge Platella.

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Gli ammortizzatori idraulici sono della Ohlins. La monoscocca e le appendici aerodinamiche sono realizzate dalla Carbonteam (www.carbonteam.it) di Saluzzo.

Le sospensioni sono del tipo a quadrilatero basso e presentano alcuni spunti tecnici interessanti: “Avevamo studiato già per questa versione dei braccetti in fibra di carbonio che avrebbero portato un ulteriore diminuzione del peso”, continua Patella, “ma alla fine non siamo riusciti a realizzarli in tempo e saranno quindi utilizzati nella vettura del 2019 che è ora in fase di progettazione. Una parte originale del sistema sospensivo è il dispositivo antirollio, che alla tradizionale barra di torsione sostituisce una coppia di drop-link che hanno un’estremità fissata al rocker in carbonio che trasmette il movimento all’ammortizzatore e l’altra fissata a un coltello di fibra di vetro a flessione controllata. Quando la vettura è in rollio la deformazione dei coltelli crea una forza opposta al movimento, stabilizzando il corpo vettura. Il sistema è applicato ad entrambe le sospensioni. C’è poi un terzo elemento elastico, con l’idraulica collegata a quella dei due ammortizzatori principali, che, quando questi si muovono contemporaneamente in compressione, ovvero in condizioni di beccheggio, generano una forza opposta”.

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Uno dei quattro rocker che trasmettono agli ammortizzatori gli spostamenti delle sospensioni. Sono realizzati in fibra di carbonio con boccole di alluminio incollate.

Ora gli ammortizzatori sono forniti dalla Ohlins, ma il Team Polito ha già in mente una modifica per il futuro: “Stiamo valutando l’adozione di sospensioni ad aria, per togliere ulteriore peso. Si parla di circa 350 gr in meno su ogni ammortizzatore. Stiamo anche valutando un’evoluzione del sistema antirollio per far si che agisca in modo positivo anche sul beccheggio per poter eliminare il peso del terzo elemento che ho appena descritto”.

Ogni motore asincrono trifase, specifico per la Formula Student e fornito dalla AMK (https://amk-group.com/) eroga una coppia di 21 Nm ed è direttamente calettato sul mozzo, con interposizione di un rotismo epicicloidale con rapporto di riduzione 14,8:1. La superficie esterna del motore è raffreddata a liquido e ci sono due circuiti indipendenti, uno per lato, ciascuno facente capo a una pompa e a uno scambiatore per il raffreddamento dei due motori elettrici e i relativi inverter. “Il regolamento prevede una potenza complessiva massima di 80 kW, non necessariamente ripartita in modo uniforme sui motori. Nel nostro caso c’è un sistema di controllo, scritto e sviluppato da noi, che regola la ripartizione di coppia in accelerazione, frenata e per stabilizzare la vettura in curva ”.

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Il rendering del sistema delle sospensioni della vettura SC18 Integrale.

Il pacchetto aerodinamico è stato reso più efficace creando superfici in grado di creare una deportanza complessiva di 620 N a 60 km/h, ottenuti lavorando anche sull’assetto della vettura: “Ora il diffusore non è solo più costituito dalla parte terminale che si prolunga dietro la scocca ma anche la scocca stessa è stata inclinata per aumentare l’effetto deportante lungo tutta la sua lunghezza”.

FCA è lo sponsor principale e fondamentale per il progetto Formula Student del Politecnico di Torino: “Oltre al supporto economico, FCA ci ha messo a disposizione i locali per la sede operativa del Team all’interno del sito di Mirafiori, a diretto contatto con gran parte dei laboratori e delle officine. Ad esempio possiamo contare sul reparto di Additive Manufacturing, ovvero la stampa 3D, che ha realizzato, su nostro disegno, le camicie di raffreddamento dei motori e dell’inverter, progettate con analisi fluidodinamica CFD, utilizzando la stampante 3D con accumulo di materiale metallico di ottima conduttività termica e buona resistenza meccanica. Dobbiamo ringraziare anche la Altair Engineering (www.altair.com) che ci fornisce i software e le licenze coi quali effettuare le  simulazioni ”.Formula Student

Novità anche sull’impianto frenante, con alcuni componenti ridisegnati sempre nell’ottica del contenimento dei pesi: “Quest’anno per la prima volta siamo passati dai dischi Brembo ad altri autocostruiti. Poiché Brembo non produce dischi specifici per la Formula Student, dove i carichi sono decisamente inferiori rispetto a una moto, abbiamo preferito progettare dischi più piccoli e leggeri, di dimensioni e prestazioni diverse tra anteriore e posteriore. Restano Brembo le pinze freno di derivazione motociclistica. E’ possibile che in futuro, sempre nell’ottica di minimizzare il peso complessivo del mezzo, condizione fondamentale per sfruttare l’energia elettrica disponibile, progetteremo e realizzeremo pinze freno più piccole e compatte. Anche perché si tende a utilizzare al massimo la frenata rigenerativa, lasciando a quella idraulica un compito ausiliario. Sul sistema abbiamo anche sperimentato un controllo della forza frenante, per attivare la frenata idraulica solo quando la forza applicata al pedale supera una certa soglia. Per realizzare questo abbiamo montato una cella di carico sul pedale e due molle precaricate sulla pompa.

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Le due pompe freno che agiscono sui due assi sono collegate da una barra filettata di bilanciamento.

All’applicazione della forza iniziale, rilevata dalla cella, si oppongono le molle precaricate, lasciando quindi alla sola frenata rigenerativa il compito di rallentare la vettura. Se la forza supera la soglia definita, rilevata dalla cella di carico, interviene anche il circuito idraulico”.

Interessante anche lo sviluppo dell’elettronica, che pur sfruttando sistemi già conosciuti, è stata adattata all’impiego specifico: “Per quanto riguarda l’elettronica di controllo dei quattro motori”, aggiunge Edoardo Zò, direttore tecnico dell’attuale progetto e collega di Marco Rossini, responsabile di questo settore, “applichiamo il torque vectoring, una tecnologia già nota che coi 4 motori indipendenti offre numerosi vantaggi. C’è una centralina di controllo che istante per istante, basandosi su informazioni provenienti da accelerometri e sensori di posizione dello sterzo, decide quanta coppia ogni motore deve erogare, ponendosi come target gli 80 kW massimi consentiti dal regolamento. Percorrendo una curva, oltre alla sterzatura, il sistema gestisce la coppia su ogni ruota. Ad esempio si potranno avere 60 kW sulle ruote esterne, magari 40 kW davanti e 20 kW dietro, e i restanti 20 kW distribuiti sulle ruote interne”.

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Una vista esplosa del complessivo motore elettrico, mozzo e rotismo epicicloidale. Il motore ha una potenza di picco di circa 35 kW, ma il regolamento prescrive che la potenza massima utilizzata non superi gli 80 kW, gestita dal torque vectoring.

In questo modo, un po’ come avviene coi mezzi cingolati, sia da grande reattività al mezzo: “Vedere queste auto muoversi tra i birilli del percorso di handling è impressionante per quanto è rapido il cambio di direzione! Abbiamo anche il traction control che misura i giri ruota e i giri motore e aiuta il torque vettoring, intervenendo in caso di slittamento. Il controllo che si occupa di capire se il numero di giri della ruota è coerente con la velocità della vettura oppure no, opera con una logica di tipo fuzzy che confronta i numeri di giri delle quattro ruote, misura le accelerazioni dell’auto, capisce se e quale delle quattro ruote sta slittando e taglia la coppia motrice dove serve. In marcia rettilinea la ripartizione di coppia è molto sbilanciata sul posteriore, diciamo 70%-30%. Il traction control incorpora il codice launch control da utilizzare nella prova di accelerazione con partenza da fermo”. Interessante anche il sistema di controllo della potenza erogata in gara da parte della giuria: “La potenza è misurata appena a valle della batteria, attraverso la misura della tensione e della corrente che preleviamo dal pacco. I dati sono registrati e analizzati dopo la gara da un ‘energy meter’ ovvero un dispositivo acquisitore ‘fiscale’ fornito dagli organizzatori. Anche noi ovviamente abbiamo un sistema di acquisizione per i valori in tempo reale per poterli gestire in modo ottimale e non rischiare squalifiche”.

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La SC18 Integrale nel corso della prova di Skid Pad dove vengono esaltate le caratteristiche di handling. Per questo motivo il passo è molto compatto: nel caso della vettura torinese è stato tenuto al valore minimo previsto dal regolamento.

SCHEDA TECNICA
Motori: 4 motori elettrici (uno per ruota); potenza max complessiva 80 kW; coppia 21 Nm; 20.000 giri/min; sistema di frenatura rigenerativa
Trasmissione: riduttore epicicloidale a doppio planetario; rapporto finale 14,8:1
Batterie: pacco costituito da 6 gruppi di celle agli ioni di litio; tensione di alimentazione 600V; energia 7,78 kWh; peso 44 kg
Sistemi di controllo: inverter per i motori; sensori di velocità e torque vectoring system, traction control, launch control per il veicolo
Aerodinamica: diffusore integrato nella monoscocca portante; alettoni anteriore e posteriore regolabili; deportanza a 60 km/h: 620 N
Telaio: monoscocca in fibra di carbonio; peso 20,3 kg
Sospensioni: indipendenti a quadrilatero basso; ammortizzatori teleidraulici azionati da pushrod; barra antirollio in lamine di fibra di vetro
Ruote: cerchi OZ in lega di magnesio; pneumatici Pirelli slick 185/40R13
Interasse: 1.525 mm
Carreggiata ant. e post.: 1.200 mm
Altezza baricentro: 224 mm
Peso: 200 kg
Distribuzione dei pesi: 46,6% sull’anteriore

La gara
Una gara di Formula Student è costituita da prove statiche e prove dinamiche. Le prove statiche consistono nella presentazione del progetto alla giuria, la cosiddetta Business Plan Presentation, nella quale il team deve anche dimostrare di aver analizzato la possibile produzione e la vendita della vettura, facendosi promotore del proprio lavoro; a questo segue il Cost Report, dove  vengono giustificati i costi in rapporto alle soluzioni tecniche scelte, e infine c’è il Design Report, nel quale si presenta il progetto nel suo complesso. Nel giudizio finale non ha un peso assoluto la sofisticazione tecnica della vettura, ma piuttosto il giusto mix tra costi e resa, e su questo conta molto la capacità del team di esporre le motivazioni che hanno portato a determinate scelte tecniche. Passate le ispezioni tecniche, cosa per nulla scontata e che ha visto talvolta team costretti a tornare a casa, si passa alle prove dinamiche. Queste sono quattro: una prova di accelerazione su una base di 75 metri, lo Skid Pad, ovvero un percorso a otto da percorrere due volte in senso orario e altrettante in senso antiorario con valutazione del tempo medio di percorrenza; la prova di Autocross, ovvero il tempo impiegato per percorrere un giro di un tracciato definito, e infine l’Endurance, la prova più lunga, 22 chilometri, e impegnativa sul percorso dell’Autocross. “Qui ci sono due piloti che si scambiano la guida a metà percorso”, conclude Platella. “E’ la gara più importante poiché oltre al tempo impiegato conta anche l’energia utilizzata e dunque la maggior o minor efficienza del sistema. E’ l’unica in cui le vetture girano contemporaneamente ma il sorpasso è consentito solo in certe zone e sotto il controllo dei commissari di percorso, poiché si vuole evitare il troppo agonismo: le vetture sono dei prototipi e danneggiarle sarebbe un disastro per i budget dei team! Alla fine ci siamo classificati al terzo posto dietro ai team GFR Global Formula Racing, un team formato da studenti del BA Racing Team della Duale Hochschule Baden-Wurtemberg-Ravensburg e il Beaver Racing Team della Oregon State University americana, e i vincitori della Formula Electric Italy 2018, l’esperto FS Team dell’Università di Tallinn”. Complimenti a tutti e arrivederci alla Formula Student 2019!

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