Progetto e Costruzione del Telaio di Vettura Formula SAE: Parte Anteriore

Nel presente elaborato viene riassunta in 4 brevi capitoli la mia attività di tesi, svolta nell’ambito del progetto Formula SAE® dell’Università di Bologna nell’anno 2010. Il progetto ha consistito nella realizzazione di una vettura monoposto, con l’obiettivo di far competere la stessa negli eventi previsti dalla SAE® (Society of Automotive Engineer), insieme alle vetture progettate e costruite da altri atenei di tutto il mondo. In tali eventi, una serie di giudici del settore auto-motive valuta la bontà del progetto, ovvero della vettura, che sarà sottoposta ad una serie di prove statiche e dinamiche. Nella seguente trattazione si narra quindi il percorso progettuale e di realizzazione del telaio della vettura, ovvero della sua struttura portante principale. Il progetto infatti, nell’ambito del team UniBo Motorsport, mi ha visto impegnato come “Responsabile Telaio” oltre che come “Responsabile in Pista” durante le prove su strada della vettura, svolte a valle della realizzazione. L’obbiettivo principale di un telaio di vettura da corsa è quello di realizzare una struttura che colleghi rigidamente tra loro i gruppi sospensivi anteriore e posteriore e che preveda anche la possibilità di ancorare tutti i componenti dei sistemi ausiliari di cui la vettura deve essere equipaggiata. Esistono varie tipologie di telai per autovettura ma quelle più adatte ad equipaggiare una vettura da competizione di tipo Formula, sono sicuramente il traliccio in tubi (“space frame”) e la monoscocca in fibra di carbonio. Il primo è sicuramente quello più diffuso nell’ambito della Formula Student grazie alla sua maggior semplicità progettuale e realizzativa ed ai minor investimenti economici che richiede. I parametri fondamentali che caratterizzano un telaio vettura da competizione sono sicuramente la massa e la rigidezza. La massa dello chassis deve essere ovviamente il più bassa possibile in quanto quest, costituisce generalmente il terzo contributo più importante dopo pilota e motore alla massa complessiva del veicolo. Quest’ultimo deve essere il più leggero possibile per avere un guidabilità ed una performance migliori nelle prove dinamiche in cui dovrà impegnarsi. Per quanto riguarda la rigidezza di un telaio, essa può essere distinta in rigidezza flessionale e rigidezza torsionale: di fatto però, solo la rigidezza torsionale va ad influire sui carichi che si trasferiscono agli pneumatici della vettura, pertanto quando si parla di rigidezza di un telaio, ci si riferisce alla sua capacità di sopportare carichi di tipo torsionale. Stabilire a priori un valore adeguato per la rigidezza torsionale di un telaio è impossibile. Tale valore dipende infatti dal tipo di vettura e dal suo impiego. In una vettura di tipo Formula quale quella oggetto del progetto, la rigidezza torsionale del telaio deve essere tale da garantire un corretto lavoro delle sospensioni: gli unici cedimenti elastici causati dalle sollecitazioni dinamiche della vettura devono essere quelli dovuti agli elementi sospensivi (ammortizzatori). In base a questo, come indicazione di massima, si può dire che un valore di rigidezza adeguato per un telaio deve essere un multiplo della rigidezza totale a rollio delle sospensioni. Essendo questo per l’Università di Bologna il primo progetto nell’ambito della Formula SAE® e non avendo quindi a disposizione nessun feed-back da studi o vetture di anni precedenti, per collocare in modo adeguato il pilota all’interno della vettura, in ottemperanza anche con i requisiti di sicurezza dettati dal regolamento, si è deciso insieme all’esperto di ergonomia del team di realizzare una maquette fisica in scala reale dell’abitacolo. Questo ha portato all’individuazione della corretta posizione del pilota e al corretto collocamento dei comandi, con l’obbiettivo di massimizzare la visibilità ed il confort di guida della vettura. Con questo primo studio quindi è stata intrapresa la fase progettuale vera e propria del telaio, la quale si è svolta in modo parallelo ma trasversale a quella di tutti gli altri sistemi principali ed ausiliari di cui è equipaggiata la vettura. In questa fase fortemente iterativa si vanno a cercare non le soluzioni migliori ma quelle “meno peggio”: la coperta è sempre troppo corta e il compromesso la fa da padrone. Terminata questa fase si è passati a quella realizzativa che ha avuto luogo presso l’azienda modenese Marchesi & C. che fin dal 1965 si è occupata della realizzazione di telai da corsa per importanti aziende del settore automobilistico. Grazie al preziosissimo supporto dell’azienda, a valle della realizzazione, è stato possibile condurre una prova di rigidezza sul telaio completo della vettura. Questa, oltre a fornire il valore di rigidezza dello chassis, ha permesso di identificare le sezioni della struttura più cedevoli, fornendo una valida base di partenza per l’ottimizzazione di telai per vetture future. La vettura del team UniBo Motorsport ha visto il suo esordio nell’evento italiano della Formula SAE® tenutosi nel circuito di Varano de Melegari nella prima settimana di settembre, chiudendo con un ottimo 16esimo posto su un totale di 55 partecipanti. Il team ha partecipato inoltre alla Formula Student Spain tenutasi sul famoso circuito di Montmelò alla fine dello stesso mese, raggiungendo addirittura il podio con il secondo posto tra i 18 partecipanti. La stagione si chiude quindi con due soli eventi all’attivo della vettura, ma con un notevole esordio ed un ottimo secondo posto assoluto. L’ateneo di Bologna si inserisce al sessantasettesimo posto nella classifica mondiale, come seconda università italiana.

Transactions of the Society of Automotive Engineers.

Vols. for 1918-1926 issued in 2 parts.

Studio della produzione di componenti meccanici per la vettura Unibo Motorsport

Dal 2010 al 2012 ho fatto parte del team UniBo Motorsport, che partecipa alle competizioni di Formula SAE, una categoria di vetture monoposto a ruote scoperte con cilindrata fino a 610cm^3, interamente progettate e costruite da studenti universitari, valutati non solo per le prestazioni dinamiche della vettura ma anche su prove statiche legate agli aspetti progettuali, economici e gestionali. Nel team ho curato i servizi IT e le prove statiche "Presentation Event", una simulazione di business plan per una nuova impresa automotive legata al prototipo, e "Cost & Manufacturing Analysis Event", un'analisi dei costi e della produzione attraverso una distinta base di produzione della vettura. In particolare nel 2012 sono stato responsabile della distinta base, introducendo importanti strumenti ed ottimizzazioni per semplificare la redazione ed ottenere migliori risultati. Nel 2013 ho fornito consulenza ai membri del team che ora seguono il lavoro. A partire da questa esperienza ho deciso di sviluppare la tesi sul tema della gestione della distinta base di produzione, spiegando nel dettaglio i cambiamenti apportati, le motivazioni e i risultati ottenuti. Prendo inoltre in esame alcuni componenti meccanici della vettura, sia per esemplificare la redazione della distinta base, che per alcuni aspetti interessanti di questi componenti: le ruote foniche, per cui sono disponibili molti dettagli sulle fasi di produzione, i rocker delle sospensioni e la corona monoblocco, di cui è stata considerata la produzione da parte di fornitori asiatici oltre che locali con vari preventivi disponibili per il confronto dei diversi mercati.

Conceção e dimensionamento do chassis e sistema de travagem de um veículo de competição do tipo Formula SAE

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Progettazione del sistema di controllo di una vettura di formula sae

Il seguente lavoro di tesi è finalizzato alla realizzazione dell’elettronica di controllo per una vettura prototipo, Nel Capitolo 1 della tesi viene descritto più nel dettaglio il progetto Formula SAE, introducendo gli aspetti peculiari della competizione; successivamente segue una breve descrizione del team UniBo Motorsport. Il Capitolo 2 descrive l’elettronica implementata nella stagione 2013 evidenziandone i punti di forza e le debolezze al fine di poter trarre delle conclusioni per comprendere la direzione intrapresa con questo lavoro di tesi. Nel Capitolo 3 viene presentata la soluzione proposta,motivandone le scelte e la necessità di suddividere il lavoro in più unità distinte, mantenendo le peculiarità tecniche del già eccellente lavoro effettuato nel corso degli anni da chi mi ha preceduto ed aggiungendo quelle funzionalità che permettono di mantenere la soluzione in una posizione dominante nel panorama della Formula Student. La progettazione dell’hardware che compone la soluzione proposta è descritta nel Capitolo 4, introducendo dapprima la metodologia adottata per la progettazione partendo dalle specifiche fino ad arrivare al prodotto finito ed in seguito ne viene descritta l’applicazione ad ogni unità oggetto del lavoro. Sono state progettate da zero tre unità: una centralina di controllo motore (ECU), una di controllo veicolo (VCU) ed un controller lambda per la gestione di sonde UEGO. Un aiuto fondamentale nella progettazione di queste tre unità è stato dato da Alma Automotive, azienda che fin dal principio ha supportato, anche economicamente, le varie evoluzioni dell’hardware e del software della vettura. Infine viene descritto nel capitolo 5 il software che verrà eseguito sulle unità di controllo, ponendo particolare risalto al lavoro di adattamento che si è reso necessario per riutilizzare il software in uso negli anni precedenti.

Exhaust gas ignition (EGI)-a new concept for rapid light-off of automotive exhaust catalyst

Increasing pressure on lowering vehicle exhaust emissions to meet stringent California and Federal 1993/1994 TLEV emission standards of 0.125 gpm NMOG, 3.4 gpm CO and 0.4 gpm NOx and future ULEV emission standards of 0.04 gpm NMOG, 1.7 gpm CO and 0.2 gpm NOx has focused specific attention on the cold start characteristics of the vehicle's emission system, especially the catalytic converter. From test data it is evident that the major portion of the total HC and CO emissions occur within the first two minutes of the driving cycle while the catalyst is heating up to operating temperature. The use of an electrically heated catalyst (EHC) has been proposed to alleviate this problem but the cost and weight penalties are high and the durability has yet to be fully demonstrated (1)*. This paper describes a method of reducing the light-off time of the catalytic converter to less than 20 seconds by means of an afterburner. The system uses exhaust gases from the engine calibrated to run rich and additional air injected into the exhaust gas stream to form a combustible mixture. The key feature concerns the method of making this combustible mixture ignitable within 2 seconds from starting the engine when the exhaust gases arriving at the afterburner are cold and essentially non-reacting. © Copyright 1992 Society of Automotive Engineers, Inc.

Pressure data analysis of formula one racing engines

The measured time-history of the cylinder pressure is the principal diagnostic in the analysis of processes within the combustion chamber. This paper defines, implements and tests a pressure analysis algorithm for a Formula One racing engine in MATLAB1. Evaluation of the software on real data is presented. The sensitivity of the model to the variability of burn parameter estimates is also discussed. Copyright © 1997 Society of Automotive Engineers, Inc.

Progettazione di mozzi ruota per vettura da formula SAE

Progettazione dei mozzi ruota della vettura 2012 del team UniBo Motorsport, il team di formula SAE dell'università di Bologna.

Realizzazione e messa a punto degli impianti di raffreddamento e lubrificazione per una vettura di Formula SAE tramite analisi termofluidodinamica e acquisizione di telemetria in pista

L’obiettivo di questa tesi è illustrare quali siano stati i metodi di studio e le soluzioni adottate per ottimizzare gli impianti di raffreddamento e lubrificazione della monoposto da competizione sviluppata dal team Unibo Motorsport, in preparazione alla stagione di gara 2016 della Formula SAE®. Inizialmente saranno analizzate le principali problematiche di entrambi gli impianti attraverso simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) e dati telemetrici degli anni passati. In seguito, saranno mostrati i diversi procedimenti di progettazione e il completamento degli impianti unitamente ad una loro valutazione economica. Infine, per verificare l’effettivo successo delle operazioni svolte a bordo vettura, verranno mostrate acquisizioni telemetriche relative alle gare ed altre simulazioni relative alle nuove geometrie sviluppate. Un altro obiettivo della trattazione è mettere a disposizione dei futuri membri del reparto motore un documento che contenga tutte le considerazioni fatte a riguardo degli impianti studiati. Questo è fondamentale all’interno di un ambiente come un team di Formula SAE®, dove ogni anno si ha il ricambio di una buona parte dei membri. Se gli studi svolti sugli impianti venissero persi, i nuovi arrivati si troverebbero a mettere le mani su un qualcosa di sconosciuto e lo sviluppo della vettura negli anni si troverebbe enormemente rallentato. Il “learning by doing” che ha sempre caratterizzato questo progetto viene infatti affiancato con armonia dalla possibilità di consultare esperienze pregresse relative al caso di studio considerato.

UNDERSTANDING CHASSIS INPUTS FROM THE REAR SUSPENSION OF A SNOWMOBILE

Today’s snowmobile industry faces great challenges in the field of noise & vibration. The area of main concern is the pass-by noise restriction defined by the Society of Automotive Engineers (SAE) test standard J192, with a maximum sound pressure level of 78 dB(A) being required by many states and national parks. To continue meet or beat this requirement without effecting machine performance, a deeper understanding of the sound transfer paths is required. This thesis examines the transfer paths created by the tunnel, rear suspension, drive shaft, and rubber composite track, with the primary source being suspension input through the ground. Using a combination of field experiments and analytical modeling, perspective was gained on which suspension and drive elements create the primary transfer paths. With further understanding of these paths, industry can tailor and fine-tune the approaches taken in to control overall noise output.

Optimisation of passive and semi-active heavy vehicle suspensions

An investigation into the potential for reducing road damage by optimising the design of heavy vehicle suspensions is described. In the first part of the paper two simple mathematical models are used to study the optimisation of conventional passive suspensions. Simple modifications are made to the steel spring suspension of a tandem axle trailer and it is found experimentally that RMS dynamic tyre forces can be reduced by 15% and theoretical road damage by 5.2%. A mathematical model of an air-sprung articulated vehicle is validated, and its suspension is optimised according to the simple models. This vehicle generates about 9% less damage than the leaf-sprung vehicle in the unmodified state and it is predicted that, for the operating conditions examined, the road damage caused by this vehicle can be reduced by a further 5.4%. Finally, it is shown experimentally that computer-controlled semi-active dampers have the potential to reduce road damage by a further 5-6%, compared to an air suspension with optimum passive damping. © Copyright 1994 Society of Automotive Engineers, Inc.

Considerations in light truck suspension design

The present work aims at to approach considerations of trucks suspension design. The proposal of the work consists of discussing the aspects related to the acting of the suspension and of factors that interact with the system through representative models of the dynamic behaviour of the vehicle ride when operating in total load and/or empty conditions. The importance of this work is to revise some procedures of suspension study in the sense of adapting them to the Brazilian reality, tends in view the importance of the design characterisation and adaptation to the typical roads of Brazil. Copyright © 2000 Society of Automotive Engineers, Inc.