Mondo motori
Tecnica evoluzione
Elettronica
L'elettronica in Formula 1
L’elettronica è molto più giovane dell'automobile: è nata nel 1948 con l'invenzione dei transistor da parte dei tecnici dei laboratori Bell. Se 10 anni dopo fanno la loro comparsa i primi circuiti integrati, solo nel 1964 in Usa e poi in Europa si cominciano ad applicare i sistemi d'accensione con transistor al posto delle classiche "puntine platinate". Nel 1967 appare la prima iniezione elettronica.
Nelle monoposto di formula uno si è partiti con cautela, per via dei problemi di affidabilità, in un ambiente dove le alte temperature e le vibrazioni sono la condizione normale. Dopo una fortissima accelerata nel campo sportivo, alla fine degli anni '80, si può dire che le applicazioni procedano oggi insieme sia nelle produzioni di serie che nelle corse.
Curiosamente i calcolatori utilizzati in F1 hanno una velocità di elaborazione inferiore agli ultimi Personal Computer. In proposito è interessante il parere dei tecnici Ferrari che si occupano del settore: "In pratica abbiamo tutta la capacità di calcolo che ci serve, ma il progresso sarà nel senso di miniaturizzare ancora più i singoli elementi per collocarli nei punti in cui debbono agire riducendo ingombri e cablaggi". La Magneti Marelli costruisce il sistema elettronico delle moderne monoposto utilizzando una unità di calcolo centrale di produzione industriale, ma non quella che va per la maggiore sui PC. Questa unità comanda a sua volta altre 5 centraline attraverso un software che contiene appositi "algoritmi", ossia le formule matematiche che risolvono i diversi problemi analizzando i dati forniti dai sensori.
Il numero dei sensori (255) e dei canali ad essi associati è impressionante: oltre a quelli noti come il numero dei giri/motore e delle ruote, le temperature di olio e acqua, la posizione dell'acceleratore (legato al sistema di guida "drive by wire", cioè senza cavo) si controllano le temperature del cambio e dei gas di scarico (per evitare che un eccesso di calore danneggi gli alettoni), quelli dei freni nonché la loro usura, oltre a numerosi parametri della sospensione.
Ciascun sensore analizza il valore della funzione assegnata decine di volte al secondo e questi dati sono immagazzinati in una memoria rapida con capacità di 1 megabyte, ovvero di un milione di dati, che serve per un giro del circuito: ad ogni passaggio davanti ai box un raffinato impianto di teletrasmissione trasmette i dati relativi al giro che sono immagazzinati in una memoria statica RAM per la successiva rilettura a gara conclusa. In essa c'è tutta la storia della corsa di quella particolare vettura e del suo pilota, come nella scatola nera di un aereo.
Nel frattempo il sistema dei calcolatori decide, sulla base agli ordini del pilota (acceleratore e cambio marce) come gestire iniezione, accensione e lunghezza dei condotti di aspirazione. Così il motore risponde senza reazioni eccessive ovvero, come si dice in gergo, in modo che "non sia sgarbato". Poi c'è il comando della frizione e del cambio, ma anche la ripartizione della frenata, la servoassistenza dello sterzo, la taratura del differenziale, ecc.
Tutti i comandi, ad eccezione di acceleratore e freno, sono sul volante. Oppure sotto al volante, come le leve di cambio e frizione. Sei piccole manette servono la pilota per regolare diverse funzioni, programmabili di volta in volta a seconda del circuito o dei gusti del pilota stesso. La programmazione si può fare rapidamente collegando un calcolatore portatile alla vettura e inserendo i dati necessari. Sempre sul volante ci sono anche i pulsanti per mettere il cambio in folle, inserire la retromarcia, azionare la radio e selezionare fra una ventina di informazioni quelle da mostrare sull'indicatore. Ora si utilizza anche un sistema a diodi luminosi che, accendendosi nel casco, forniscono al pilota le informazioni vitali senza fargli perdere di vista la strada nemmeno per una frazione di secondo. A questo punto sembrerà strano ma è un dato di fatto: una monoposto da corsa risulta meno equipaggiata di sistemi elettronici rispetto ad una berlina di serie. Dal 1993 in poi sono stati proibiti i sistemi Abs, Asr, e Msr (che impediscono alle ruote di slittare in frenata o in accelerazione) e le regolazioni automatiche delle sospensioni. Una decisione presa per limitare i costi (comunque siamo nell'ordine di grandezza di centinaia di volte il prezzo di un personal computer), ma soprattutto per lasciare al pilota il controllo totale delle prestazioni altrimenti, aggiungono ancora i tecnici di Maranello, “potremmo arrivare a programmare la gara noi dai box”. Si potrebbe ritenere infatti che gli aiuti elettronici livellino la capacità, la bravura e la sensibilità del pilota, anche se però un buon pilota riuscirà a calibrare meglio l’elettronica rispetto a un mediocre pilota che ha meno sensibilità. Ma ritorniamo un po’ indietro per capire meglio l’evoluzione dell’elettronica nel mondo della formula uno nell’ultimo decennio:
1989 Ferrari introduce per la prima volta il cambio semiautomatico sulla 639
1990 Ferrari introduce per la prima volta al gran premio del Portogallo sulla 641 un antispin comandato da una levetta sul cruscotto
1991 Ferrari, dopo aver inventato due anni prima il cambio semiautomatico a gestione elettronica, aggiunge la scalata automatica
1992 Mclaren perfeziona la scalata automatica facendola diventare programmata con una serie di pulsanti sul cruscotto
1992 Williams introduce in gara le sospensioni attive; le Williams diventeranno inbattibili fino a quando le sospensioni attive non saranno abolite dalla Fia
1993 Mclaren fa debuttare la telemetria bi-direzionale: dai box si può intervenire sulla monoposto in movimento modificando le mappature delle centraline
1993 (Ottobre) Max Mosley interviene e blocca ogni sorta di driver’s aids
1994 (Marzo) Entra in vigore il divieto di utilizzo degli aiuti elettronici ed in special modo dell’antispin
1998 (Marzo) Viene introdotto il limitatore di velocità nella corsia box, subito viene utilizzato da alcune squadre come antispin; tanti sportellini del serbatoio che nei tornanti si aprono avevano insospettito anche la Fia: dopo alcuni gran premi viene adottato l’accorgimento di collegare la luce posteriore al limitatore al fine di capire chi azionasse il dispositivo fuori dalla corsia box
1998 (Luglio) Mclaren utilizza mappature con diagrammi tridimensionali di gestione del motore, con lo scopo di creare un effetto antispin,
1999 (Marzo) Abolizione dei diagrammi tridimensionali
2000 (Aprile) Entrano in vigore nuove limitazioni sull’elettronica ed in particolare sono colpiti ed eliminati molti sensori presenti sulla monoposto. In particolar modo le riduzioni riguardano: possibilità di utilizzare un solo sensore della rotazione del motore (più di un sensore posti in leggero ritardo di qualche grado e correlati fra di loro, simulando delle loro diagnostiche potevano programmare dei tagli negli anticipi dei motori e ridurre la potenza del motore in precise fasi di funzionamento), mappature e tempo d’iniezione in base alla sola velocità di rotazione del motore e della posizione dell’acceleratore con una variazione di ± 5% dei dati della mappatura esistente, vietato l’uso del limitare automatico di velocità nella corsia box (consentito l’azionamento manuale in corsia box da parte del pilota), abolizione della sonda lambda (si rendeva meno efficiente la carburazione nelle prime fasi di accelerazione), controllo del minimo (anche detto “antistallo” ed utilizzato per non far spegnere la monoposto) solo attraverso il controllo della posizione delle farfalle (serviva nelle partenze in modo che i piloti non toccassero il pedale del gas ma staccavano solo la frizione), nessuna strategia di gestione del motore a farfalle chiuse (motore in fase di rilascio) che permetterebbe di bilanciare la frenata, un solo software per le centraline per Gran premio
2000 (Agosto) In Belgio la Ferrari chiede e ottiene un’interpretazione delle regole che rende di fatto illegale il differenziale studiato per il 2001 da Mclaren
2000 (Agosto) Ferrari sfrutta il tempo morto nel il cambio di marcia per riprodurre un sistema antispin legale
2001 (Marzo) La Fia impone un tempo massimo fra una cambiata e l’altra pari a 150 millisecondi al fine di eliminare i sistema antispin
2001 (Aprile) Rientrano in formula uno dalla porta principale alcuni “ driver’s aids”: Antispin (o traction control), Launch control (ovvero il sistema per la partenza automatica), cambio totalmente automatico con un numero minimo di marce pari a 4 e massimo 7, ciò al fine di evitare l’introduzione del CVT (studiato dalla Williams nel 1993)
Rimangono proibiti quindi i seguenti driver’s aids: sospensioni attive, ABS, telemetria bidirezionale, ripartitore di frenata automatico, servosterzo con mappature multiple. Degli aiuti elettronici utilizzabili ora il più importante ed il più discusso in questi anni è stato l’antispin. Questo sistema non è altro che un dispositivo capace di togliere potenza al motore in modo da evitare un eccesso di cavalli impossibili da scaricare a terra e che farebbero pattinare quindi le ruote motrici. Questo sistema offre grandi vantaggi nelle curve lente in cui serve trazione e progressione di accelerazione. L’attuazione del sistema è relativamente semplice: sulle ruote si rilevano le differenze di velocità fra anteriore e posteriore (motrice); se questa differenza supera un certo limite, significa che le ruote motrici stanno slittando e il sistema interviene eliminando questo pattinamento. Negli anni passati si sono sperimentati diversi sistemi (più o meno legali ) con lo scopo di riprodurre un antispin. Di seguito alcuni esempi:
1.Taglio dell’accensione: è il sistema più utilizzato e più semplice e forse il meno costoso da utilizzare, consiste nell’intervenire direttamente sull’accensione di alcuni cilindri (togliere per alcuni millisecondi la corrente alle candele nei cilindri) allo scopo di non far salire il regime del motore ed avere meno potenza: più il sistema era sofisticato più si aveva anche uno spegnimento progressivo dei cilindri ed uno studio più approfondito del sistema al fine di evitare che una parte del motore sia più calda dell’altra;
2.Taglio dell’alimentazione: si toglie per alcuni millisecondi l’alimentazione di benzina ad alcuni iniettori;
3.Diagrammi tridimensionali: ad una certa pressione sull’acceleratore di norma corrisponde una determinata apertura di farfalla e uno specifico regime di giri, però se in questa relazione si fanno entrare in gioco atri parametri come la coppia motrice, si crea un diagramma che mette in relazione numero di giri, apertura farfalla e potenza e quindi si ha la possibilità di avere una mappatura ideale che permette un controllo di trazione ed una erogazione della potenza dolce e progressiva specie all’uscita delle curve lente;
4.Differenziale: entrano in gioco parameri di funzionamento come la coppia istantanea misurata e/o derivata dall’albero di entrata, la differenza di velocità fra le ruote motrici, la differenza con la copia di uscita, quindi si controllano diversi parametri per poter gestire un buon antispin;
5.Limitatore di velocità della pitlane: è un banale limitatore della velocità che funziona tagliando il regime di rotazione del motore finché si scende alla velocità imposta in corsia box. Molti piloti premevano il pulsante del limitatore nelle curve più lente per ottenere un effetto antipattinamento, alcuni team avevano provveduto ad introdurre nel software delle loro centraline una funziona che azionava automaticamente il limitatore ogni qualvolta la vettura scendeva sotto una certa velocità;
6.Freni: una soluzione adottata dal team Minardi e Ferrari consisteva nel frenare la ruota che slittava fino a quando la velocità di rotazione della ruota non scendeva ai valori in cui si annullava lo slittamento.
Di queste soluzioni alla luce dei nuovi regolamenti non sono percorribili quella legata al differenziale e quella legata ai freni.
Traction control: How it works
Facing huge difficulties in controlling and detecting any kind of software that produces some kind of traction control, the FIA finally authorised the electronic systems again, after they had forbidden it in 1993. The GP of Spain 2001 was the first race that introduced the second era with traction control in formula one. Traction control actually eliminates as much as possible wheel spin. Therefore, it provides much more rear wheel grip in and coming out of the corners. It makes driving a lot easier and safer. As before, the driver had to know how far he can push the throttle so that it wouldn't cause a slip, whilst he is now allowed to push it all to the bottom whithout any risk of losing traction and thus losing control of the rear wheels causing oversteer. Though it is said that drivers are extremely good in detecting wheelspin. "Drivers are good but their right foot is very slow" pinpoints Malcolm Oastler, Technical Director at British American Racing. Traction control is an electronic device that speeds up the process of reducing engine power. "When the computer detects wheel spin, it will alter all engine functions" says Chevrier. "It will lower engine power by reducing the amount of fuel that is fed to the engine, by modifying the opening angle of the butterflies, by altering the ignition and by other means." In a fraction of a second, the rear wheels stop spinning, providing better traction to the tyres.
According to Renault engineers, an F1 tyre works best under a very slight wheel spin. If there's too much wheel spin, the tyres lose traction and acceleration is greatly reduced. Traction control plays a crucial role in assuring constant acceleration when coming out of the corners. "Wheel speed sensors are attached to the four wheels of the car" says Chevrier. "At any moment, the computer knows the exact speed of the car from the front wheels sensors. By comparing the speed of the front wheels to that of the rear wheels, the computer is able to detect the slightest wheel spin. Wheel spin occurs when the speed of the rear wheels exceeds by a certain value that of the front wheels. We do track testing and set the traction control to come into action when the wheel speed difference reaches 103%. Then, we change that value to 102%, and then to 101%. We then compare those changes to the differences in lap times and see what is most efficient."
It's also considered very important that the driver does push the throttle more then if the car would not posses traction control. By pushing it harder, he makes the computer work. And it doesn't need any explanation that computers are a lot faster then men. Also because the omputer can act on numerous parameters at once, he is actually in "knowledge advantage" of the driver. E.g. the driver cannot detect the exact power generated by the engine, as the computer can on fractions of hp's. The driver can even alter the ragulations with a button in the cockpit for rainy or dry conditions.
Do traction control systems that we will see in action during this weekend's Grand Prix of Spain have anything in common with the systems we found in ordinary passenger cars? "They basically work the same way" says Chevrier. "However, the response of the two systems are very different. A typical passenger car weighs between 1,200 and 1,500 kilos and is powered by a motor that can produce between 100 to 250 horsepower. In comparison, an F1 car weighs just 600 kilos and is powered by an 800 horsepower engine. The response of the traction control system of the F1 car needs to be much quicker."