Dinamica delle auto da corsa, Parte I

Stock Car Racing conduce l’industria nella tecnologia

Vedi tutte le 10 fotoBob BolleswriterFeb 7, 2003

Quando la maggior parte di noi pensa alle nuove tecnologie legate alla dinamica delle auto da corsa, possiamo immediatamente pensare alle principali innovazioni provenienti da IndyCars e dalla Formula 1. Questa è una conclusione naturale, ma a causa dei recenti sviluppi, la vera storia è molto interessante. In quel particolare campo della scienza, le corse di auto da corsa oggi possono essere in testa alla classe.

L’evoluzione della conoscenza della dinamica dei veicoli e della sua storia corre direttamente parallela allo sviluppo delle autovetture e dei camion per diversi comprensibili motivi. Innanzitutto, le grandi case automobilistiche avevano i fondi per finanziare ricerche estese e costose. Inoltre, esisteva la necessità di sviluppare sistemi di sospensione migliori per il comfort di guida e la guidabilità. Insieme a queste due forze motrici, esisteva anche l’elemento della concorrenza per sviluppare auto più avanzate rispetto ad altre case automobilistiche, al fine di aumentare le vendite. L’atteggiamento “vinci la domenica, vendi il lunedì” non è stato limitato alle case automobilistiche americane. Aziende come Ferrari, BMW, Toyota, Honda, Toyota e altre ritengono la stessa cosa. Le corse sono un luogo unico per mostrare la qualità superiore e i sistemi meccanici avanzati che le case automobilistiche hanno sviluppato. Alcuni consumatori si relazionano e acquistano le auto associate alle case automobilistiche vincitrici.

Tra i primi pionieri della ricerca sulla dinamica delle auto di serie vi sono individui come Maurice Olley e il suo gruppo, il cui lavoro ha rappresentato gran parte dei primi progressi compiuti nella ricerca sulla dinamica dei veicoli. Tra i molti altri notevoli risultati, il suo lavoro nei primi anni ’30 ha portato l’industria ad adottare il sistema di sospensione a doppio braccio A, o sospensioni SLA (Short Long Arm Short Long Arm).

Nel 1952, Bob Schilling, capo del dipartimento di ingegneria meccanica della Divisione Laboratorio di Ricerca General Motors, e il suo gruppo si incontrarono con un gruppo di ingegneri aeronautici, tra cui Bill e Doug Milliken. Gli ingegneri aeronautici furono poi incaricati da GM di tentare di applicare le tecniche che erano state utilizzate nella progettazione degli aerei allo studio della dinamica dei veicoli terrestri.

Una raccolta di questo lavoro, così come altre ricerche, è contenuta in un libro scritto dalla Millikens e pubblicato dalla SAE (Society of Automotive Engineers) dal titolo Race Car Vehicle Dynamics.

Stock Car Dynamics

Le auto da competizione sono state solitamente pensate per essere il “sapone box derby” in tutte le gare automobilistiche. In diversi libri di punta sul tema della dinamica delle auto da corsa, le auto di serie sono spesso indicate come un “caso particolare” e si riferiscono alla loro natura imprevedibile associata alla maneggevolezza.

È abbastanza facile regolare la maneggevolezza su un’auto da formula a ruote aperte con ali anteriori e posteriori. Un po’ più di deportanza ad un’estremità curerà efficacemente una condizione di tenuta (“sottosterzo”) o di sovrasterzo (“sovrasterzo”). Con l’auto di serie, non abbiamo queste opzioni. Le limitazioni e le restrizioni imposte dal telaio “di serie” hanno, per loro stessa ammissione, confuso molti ingegneri di gara.

Con lo sviluppo dei progetti di auto da corsa esotiche, gli ingegneri hanno iniziato a incorporare la deportanza aerodinamica nelle strutture delle auto. Aggiunsero dei profili alare (ali) nella parte anteriore e posteriore delle auto per migliorare la trazione e per facilitare le regolazioni del bilanciamento della vettura.

Lo sviluppo relativo al bilanciamento del setup del telaio tendeva a perdersi nel processo. Man mano che le corse di auto di serie crescevano in numero e i progetti diventavano meno “di serie” e più complessi, i piloti rinnovavano la ricerca di informazioni più complete relative alle dinamiche dei telai.

Nel periodo tra la fine degli anni ’40 e l’inizio degli anni ’90, nessuno aveva completamente sviluppato un modo per prevedere come si sarebbe comportata un’auto di serie. Di conseguenza, nessuno era in grado di regolare i componenti delle sospensioni per ottenere un assetto perfettamente bilanciato. In sostanza, sapevamo che se fossimo stati in grado di prevedere la distribuzione del peso sulle gomme quando l’auto stava eseguendo la curva, avremmo saputo come l’auto si sarebbe comportata. Storicamente, il metodo predominante utilizzato dai team per sviluppare i loro setup è stato quello della prova e dell’errore.

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Per capire meglio questo, basta ascoltare i team delle tre migliori serie di corse di oggi. In ordine decrescente (in relazione ai soldi spesi per ogni tipo di squadra in gara), riconosciamo subito i primi tre: La Formula 1 è la n. 1, la IndyCar/Cart racing è seconda, e la NASCAR Winston Cup è terza.

Un osservatore occasionale, sulla base dell’hype e dei sotterfugi presentati dai media, supporrebbe l’esistenza di una tecnologia in grado di prevedere con precisione le caratteristiche di maneggevolezza dei veicoli, risultando così in una perfetta maneggevolezza delle auto da corsa. Quando ascoltiamo i piloti e gli equipaggi, sentiamo una storia diversa. A mio parere, dopo un’attenta osservazione, le Ferrari hanno dominato la Formula 1 (F1) nel 2002 perché hanno superato la concorrenza. Ci sono state molte gare in cui sono state effettivamente sottodimensionate, ma hanno comunque girato con tempi sul giro più veloci, il che deriva da una migliore maneggevolezza. Anche Michael Schumacher vi dirà che può guidare la macchina solo alla velocità che vuole.

E’ la stessa storia per le auto da formula americana e per le squadre della Winston Cup. Quante volte abbiamo sentito un pilota della Winston Cup lamentarsi di un’auto stretta, sciolta o imprevedibile? Sembra essere colpito o mancato, quindi che si tratti di Schumacher o Tony Stewart, ad ogni gara si spera che l’equipaggio abbia indovinato correttamente.

Comune di prova ed errore

Ciò che è stato perfezionato nella maggior parte delle serie di corse top è l’arte del “hit-or-miss” per tentativi ed errori. I sistemi di misura avanzati utilizzati oggi non solo registrano i movimenti, le pressioni e le temperature, ma anche le forze esercitate sui componenti. Questi sistemi sono strumenti utili e necessari per il moderno tuner e sviluppatore di telai. Mentre i team compilano e studiano queste informazioni, resta il fatto che tendono a reagire, e non necessariamente a prevedere, la natura maneggevole delle loro auto.

La tecnologia si è evoluta in base alla capacità di prevedere le caratteristiche di maneggevolezza di un’auto. Questa è la continuazione del lavoro che i primi pionieri della dinamica del veicolo come Olley hanno iniziato. Senza i loro sforzi, niente di ciò che viene dopo potrebbe esistere.

Lo sviluppo e il perfezionamento di questo progresso tecnologico è stato un processo piuttosto lungo e ha coinvolto molte persone del passato e del presente, ma il “chi” non è così importante come il “come” e il “perché”. Le risposte a queste domande iniziano con un breve studio della storia dello sviluppo dell’automobile.

Sviluppo di automobili

Molto prima della macchina, avevamo cavalli e carri. La tecnologia dei trasporti ha fatto un salto di qualità con l’invenzione della locomotiva. La prima locomotiva a vapore fu costruita nel 1804 in Galles e fu utilizzata nelle operazioni minerarie. Con l’avanzare della progettazione dei treni verso la fine del 1800, così come la nostra comprensione dei veicoli a motore. Era inevitabile che l’automobile diventasse un mezzo di trasporto vitale.

Man mano che l’auto diventava più popolare, il suo design del telaio diventava più avanzato. La Ford Modello A del 1903, la prima automobile di serie, fu costruita in modo molto simile ai carri con sospensioni a balestra, simili alle diligenze dei primi tempi. La potenza veniva trasferita alle ruote posteriori tramite una catena e dei pignoni. Il modello T del 1909 incorporò per la prima volta una trasmissione e un albero di trasmissione, un sistema ancora oggi in uso.

La sospensione anteriore di questa vettura utilizzava mandrini monoblocco fissati alle estremità di una balestra trasversale (laterale rispetto alla linea centrale) e un sistema di sterzo a trascinamento, simile a quello utilizzato oggi in molte auto di serie americane di produzione e da corsa.

Gli ingegneri che lavorano per le case automobilistiche hanno sviluppato il sistema di sospensione anteriore a doppio braccio A con molle elicoidali. Questo sistema è il sistema primario utilizzato oggi nelle corse automobilistiche di stock car.

Quindi, il veicolo per il quale stiamo cercando di prevedere le caratteristiche di maneggevolezza ha un telaio rigido (ulteriormente rinforzato da un rollcage e da supporti anteriori e posteriori), con un doppio braccio a A, molla elicoidale, sospensione anteriore, e una sospensione posteriore ad asse pieno con molle elicoidali o a balestra.

I sistemi di sospensione anteriore e posteriore di questo tipo di auto sono molto diversi tra loro, sia nell’aspetto che nel modo in cui reagiscono alle forze in curva che le auto di serie incontrano. Pertanto, dobbiamo trattare ogni sistema in modo indipendente e cercare di determinare ciò che ognuno vuole fare mentre l’auto gira. Se riusciamo a prevedere esattamente ciò che ognuno di essi desidera fare, allora possiamo abbinare i “desideri” di entrambi per contribuire a creare un assetto veramente equilibrato.

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Tecnologia moderna dei telai

Torniamo un attimo indietro e vediamo come la tecnologia dei telai stava progredendo tra gli anni ’50 e i primi anni ’90. Gli ingegneri che lavoravano per le case automobilistiche o che lavoravano su commissione, con un pesante contributo del gruppo General Motors, hanno svolto gran parte della ricerca.

Il filo conduttore della loro analisi della dinamica del veicolo è stato il modello di un veicolo che ha trattato la carrozzeria e il telaio come un’unica unità con un unico centro di gravità per la massa molleggiata. I centri di rotolamento anteriori e posteriori erano collegati da una linea o da un asse invisibile, e una linea ad angolo retto tra il centro di gravità (CG) e l’asse di “rotolamento” era il braccio del momento del veicolo.

Il braccio di un momento è molto simile a un palanchino o al manico di una pala. Il CG equivale all’estremità della barra a cui ci aggrappiamo, e i centri del rullo e l’asse sono l’estremità opposta, che è l’oggetto che stiamo cercando di spostare. Più lunga è la barra (braccio del momento), più leva abbiamo e più facile possiamo muovere l’oggetto o, in questo caso, far rotolare la macchina.

Nel filetto dell’asse del rullo della tecnologia, ogni estremità della macchina è stata calcolata per avere una data percentuale di “resistenza al rotolamento” in base ai tassi di molla e ad altre informazioni pertinenti. Nei successivi test di skid-pad, è stato rilevato che un’auto con maneggevolezza neutra presentava numeri di coppia di rulli significativamente diversi nella parte anteriore e posteriore.

Le caratteristiche di maneggevolezza della vettura potrebbero essere modificate cambiando la “coppia” ad ogni estremità, ma la maneggevolezza non è ancora prevedibile. Le auto sono state chiamate con metodi di prova e di errore. Il filo di “distribuzione della coppia di rulli” dell’analisi dinamica del veicolo non presentava un modello completo che da solo potesse prevedere con precisione le prestazioni di maneggevolezza di un’auto di serie.

Un nuovo pensiero

Poiché la tecnologia è, per la maggior parte, universalmente condivisa tra gli ingegneri delle auto da corsa di tutto il mondo, possiamo essere abbastanza sicuri che fino ai primi anni ’90 non esisteva un metodo che potesse essere utilizzato per prevedere con precisione la maneggevolezza di una vettura di F1 o di un’auto di serie. Nelle mie discussioni personali con gli ingegneri del settore automobilistico, ho concluso che all’epoca non esisteva un metodo definitivo e il relativo software per prevedere con precisione le caratteristiche di maneggevolezza di un’auto di serie prima di andare a un test o a una gara.

All’inizio degli anni ’90 è stato sviluppato un metodo che rappresentava un progresso nella modellazione dinamica dei veicoli. Si trattava di trattare il veicolo come due masse separate, ciascuna con il proprio sistema di sospensione separato.

Questo metodo ha avuto molto senso pratico perché, in un’auto di serie, abbiamo due “assi”, ognuno dei quali sostiene il peso di quell’estremità dell’auto, e ognuno resiste alle forze laterali create dalle curve. In fisica, ci viene insegnato che tutto è fluido, o in qualche modo flessibile, e dividere l’auto in due metà separate ci permette di analizzare ciascuna di esse in modo indipendente per determinarne il desiderio. Un esame delle prime note tenute da alcuni dei migliori capi della squadra di auto di serie degli anni ’80 e dei primi anni ’90 indica che anche allora si pensava nel contesto di un assetto equilibrato. L’obiettivo era quello di organizzare l’assetto in modo che le due estremità dell’auto fossero bilanciate negli sforzi di ciascuno, fornendo così una vettura con una maneggevolezza perfettamente equilibrata.

Nel 1994 è stato sviluppato un metodo e sono stati scritti algoritmi (equazioni e calcoli matematici) che forniscono le risposte necessarie per raggiungere questo obiettivo. I pesi e le misure dell’auto e della pista sono stati inseriti in un programma per computer e, attraverso una serie di calcoli, si è conclusa una previsione di ciò che ciascuno dei due sistemi di sospensione voleva fare. Sebbene i calcoli fossero molto complessi, le due risposte sono state presentate come semplici angoli di rollio.

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Trattando ogni estremità dell’auto come un sistema indipendente rimosso dall’altra, abbiamo potuto calcolare e prevedere con precisione l’angolo di rotazione di ciascuna di esse. Si è scoperto che la chiave per sviluppare una configurazione equilibrata era quella di soddisfare i desideri (angoli di rollio) di ciascuna estremità. Quindi, se i due angoli di rollio sono gli stessi, avremo una configurazione veramente bilanciata.

Perché l’equilibrio è importante

Ci sono diverse ragioni critiche per cui un setup equilibrato è essenziale per ottenere prestazioni ottimali del telaio. In primo luogo, possiamo prevedere con precisione il trasferimento del peso se l’assetto dell’auto è bilanciato. Un’auto sbilanciata ridistribuisce il peso sulle quattro gomme in modo molto imprevedibile. Se non possiamo determinare i desideri di ogni estremità dell’auto, bilanciata o meno, non possiamo prevedere con precisione l’esatta quantità di trasferimento del peso e, in ultima analisi, quanto peso finisce su ogni pneumatico a metà curva.

In secondo luogo, avremo una minore (quasi inesistente) flessibilità del telaio con un setup bilanciato. La conformità, o la flessione del telaio, non può verificarsi se rimuoviamo le forze che causano questo fenomeno. Nel 1995, un ingegnere di gara mi chiese cosa ne pensassi della conformità. Gli chiesi se intendeva la flessione del telaio tra gli assi, e lui rispose di sì. Gli dissi che se fossimo in grado di rimuovere le forze che alla fine cercano di torcere il telaio, potremmo per lo più eliminare la flessione del telaio.

Ultimo e più importante, abbiamo bisogno di avere due set di pneumatici che stanno facendo ciascuno la stessa quantità di lavoro a metà turno. L’accoppiamento dipende dalla distribuzione statica del peso. Nelle corse di stock car, non avremo quasi mai tutti e quattro i pneumatici che fanno lo stesso lavoro (avendo lo stesso peso su ogni pneumatico) secondo la maggior parte delle attuali regole sul peso del lato sinistro. Se riusciamo ad impostare l’auto per avere coppie di pneumatici che lavorano in modo uguale dopo i trasferimenti di peso in curva, allora avremo un assetto veramente equilibrato.

Se si guarda con attenzione una vettura di F1 o una Winston Cup che attraversa una curva, si può giudicare il grado di equilibrio esistente. Un’auto che si muove a scatti o che si sbriciola mentre gira non è molto ben bilanciata. La maneggevolezza può essere neutrale per il momento, ma ciò non significa che entrambe le estremità della vettura siano in sincronia. Un’auto che perde molta velocità in una determinata corsa sullo stesso set di pneumatici non è di solito molto ben bilanciata. La causa principale della perdita di velocità a causa di un assetto sbilanciato è che l’equilibrio di maneggevolezza dell’auto diventa stretto o allentato.

Gli allestimenti sbilanciati abusano di uno o più pneumatici. È questo abuso che fa sì che le gomme si usurino o si surriscaldino eccessivamente. Le configurazioni bilanciate distribuiscono il peso e il carico di lavoro in modo uniforme su ogni coppia di pneumatici.

I progressi che hanno e che verranno da questo nuovo approccio all’assetto dei telai andranno a beneficio di tutte le gare. Il fatto che sia venuto come risultato del carattere unico del design della vettura di serie mette il nostro sport proprio nel fitto dello sviluppo della dinamica del veicolo. Come la maggior parte dei grandi progressi tecnologici, è nata prima un’esigenza specifica, e poi, grazie all’impegno di esperti nel campo specifico di studio, è arrivata una soluzione.

Nelle prossime puntate, impareremo a conoscere le dinamiche specifiche di ogni sistema di sospensione e come possiamo misurare e regolare ciascuna di esse per trovare quel setup perfettamente bilanciato.

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