L’innovazione nella L’innovazione nella progettazione dei motori F1 progettazione dei motori F1

degli anni 2000degli anni 2000

Paolo MartinelliPaolo MartinelliDirettore motori Direttore motori

Ferrari - Gestione SportivaFerrari - Gestione Sportiva

S. Miniato, 17 settembre 2005S. Miniato, 17 settembre 2005

SCUOLA NORMALE SUPERIORE DI PISA

Corso di Orientamento

Universitario

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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

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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

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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

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“Formula della Potenza”come prodotto di rendimenti

L

L

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Q

cpApP

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OiTCV

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2

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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

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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

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• Il METODO

• Le fasi del PROGETTO

• L’impiego della SIMULAZIONE

Gli strumenti della progettazione (motore)

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La progettazione “tradizionale”

Progetto

Rottura

Progettopiù “robusto”

Progetto

Eccessiva sicurezza(sovradimensionamento)

Design review(riduzione di materiale)

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Flow chart della progettazione “tradizionale”- catena di eventi -

Technical regulations

Technicalspecs

Concept design

First calculation

Project

Analysis

Prototype

Track tests

Raceable components (engines)

Engineering

Architecture(shape concept)

Materials

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Flow chart dell’attuale metodo di progettazione- anello di eventi -

Technical regulations

Technical specs

Concept design First calculation

Architecture(shape concept)

Numerical analysis

Materials Engineering

Tests on virtual & real prototypes

Raceable components (engines)

Project

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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

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UfficioTecnico

MetallurgiaCalcoli e

Simulazione

Ingegnerizzazione Qualità

Rappresentazione dell’anello di progettazione

(applicato al motore)

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Le FASI della progettazione del motore F1

P re s taz io ne

A ffid a b ilità

O b ie tt iv i

R e g o lam e n ti

C o s ti

T e m po

L im iti (C o n s tra in ts)

In teg ra zio ne

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• Aumentare le prestazioni

• Ridurre il peso& abbassare il baricentro

• Compattare

• Migliorare l’affidabilità

Obiettivi nuovo motore

OBIETTIVIOBIETTIVI

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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

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Principali attività di avanprogetto e consolidamento progetto

• 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, …

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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

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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, …)

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Calcolo CAD 3D (integrato CAM)

• 1 solo modello matematico

• calcolo/simulazioni avanzate (FEM)

• controllo continuo del peso

• rapid prototiping

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Varianti diverse sono valutate prima della costruzione del pezzo reale

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Evoluzione dei metodi di progettazione analisi e test sperimentali

Studio 2D

Disegnazioneparticolari 2D

Avvio produzione

Test sperimentali

Modellazione 3Ddei componenti critici

Analisi (FEM, CFD)

Studio 2D / 3D

Modellazione 3Ddi tutti i particolari

Avvio produzioneDisegnazioneparticolari 2D

Test sperimentali

Analisi(FEM, CFD, ecc.)

046 (1996) 055 (2005)

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Esempi di analisi numerica applicata nella progettazione di un motore

• Structural analysis FEA• Vehicle dynamic• Computational Fluid Dynamic• Thermal stress analysis

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Esempio di analisi numerica F.E.A.

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La simulazione su prototipi virtuali

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Modello di motore come sistema Modello di motore come sistema integrato con benzina ed oliointegrato con benzina ed olio

FUEL

Strategie per ilWeekend di gara:

uso motore(i), T, rpm

Engine Engine managementmanagement(i.e. traction (i.e. traction

control)control)

LUBRICANT

„„Closed-loop“Closed-loop“

EVOLUTIONEVOLUTIONof all of all

parametersparameters

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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 ***

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Computational Computational simulationsimulation

Vehicle simulation test bedVehicle simulation test bed Track developmentTrack development

Il processo di simulazioneIl processo di simulazione

Model parametersModel parametersModel parametersModel parameters

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Galleria del vento F1

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La simulazione in sala provaLa simulazione in sala prova

32

L’analisi telemetricaL’analisi telemetrica

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Elementi per lo sviluppo motore

Design by experience

Test bed investigation

In-car testing

Race feedback

F1 engine development

1-D gas-exchange calculation

Combustion analysis

Driveability

FEM - analysis

1-cylinder investigations

Visualisation- tools

CFD - calculation

Powertrain testing

PAST

Design by experience

Test bed investigation

In-car testing

Race feedback

Dynamic test bed

investigation

CURRENT

Reliability engineering

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Pianificazione sviluppo motore,

confronto fra motore GT e F1

Preproduction Development (Engine Generation 2)

Concept Study

Concept Defin ition

Prototype Development (Engine Generation 1)

Months before SOP-42 -24 -12-36 -30 -18 -6 0

Production Validation

P roduc tion

F orm u la 1

Concept Defin ition

Concept Defin ition

Concept Defin ition

Concept + Design

Concept + Design

Concept + Design

Continous Base Developm entF1-Season F1-SeasonF1-Season

Evo 1

Evo 1

Dev. + Reliab. testing

Dev. + Reliab. testing

Evo 2Evo 3

Evo 1Dev. + Reliab. testing

Evo 2Evo 3