
Il Manuale dell’Ingegnere sulla Pressione di Gonfiaggio
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LPϟ9Engineering® al 68° Rally Coppa Valtellina con Biella-Serventi
LP9Engineering è lieta di annunciare la collaborazione con John Biella e Marco Serventi per la gestione tecnica della pressione degli pneumatici della loro Peugeot 106 Rallye, preparata da Alien Cars, in occasione del 68° Rally Coppa Valtellina. Grazie all’esperienza maturata nel campo dell’ingegneria applicata al motorsport, avrò il compito di analizzare e ottimizzare le scelte legate alla pressione di gonfiaggio, con l’obiettivo di massimizzare grip, costanza e performance lungo tutte le prove speciali.
Il Manuale dell’Ingegnere sulla Pressione di Gonfiaggio
Crediti a Shirshak Pattnaik e Ludovico Di Lorenzo
Nel mondo ad alte prestazioni del motorsport, la pressione degli pneumatici è un parametro cruciale per determinare le prestazioni di una vettura da corsa, influenzando direttamente handling, grip e durata dello pneumatico in pista. Una pressione di gonfiaggio ottimale garantisce il miglior possibile "contact patch", offrendo massima trazione e stabilità, mentre pressioni scorrette possono portare a un eccessivo surriscaldamento, maggiore resistenza al rotolamento o perdita di aderenza. Inoltre, la pressione degli pneumatici è una variabile dinamica, influenzata dalla temperatura dell’asfalto, dallo stile di guida e dalle condizioni della pista, richiedendo monitoraggio e regolazione continui durante l’intero arco della competizione. Questo articolo approfondisce la scienza dietro la pressione degli pneumatici da corsa, i metodi per una misurazione e regolazione precisa, e le best practices da adottare in diverse condizioni di gara. Un contenuto ricco di spunti utili per ingegneri e piloti alla ricerca della massima performance.
Come generano grip gli pneumatici?
Quando una vettura da corsa affronta una curva, entrano in gioco due forze principali: la forza centripeta e la forza centrifuga. Comprendere queste forze è essenziale per capire come un’auto mantiene la traiettoria desiderata e come piloti e ingegneri possano ottimizzare le prestazioni in curva.
("Per i drag racer, queste forze sono distrazioni irrilevanti—visto che le curve sono un problema che non dovranno mai affrontare.")
Forza Centripeta:
La forza centripeta mantiene l’auto sulla traiettoria curva, agendo verso il centro della curva e impedendo alla vettura di proseguire dritta per effetto dell’inerzia. In ambito racing, questa forza è generata dall’attrito tra pneumatico e asfalto, ed è quella che fornisce la forza laterale, detta anche cornering force, necessaria per mantenere la traiettoria voluta.
Forza Centrifuga:
La forza centrifuga è una forza apparente che si percepisce come una spinta verso l’esterno della curva. È dovuta all’inerzia del veicolo, ovvero la sua tendenza a proseguire in linea retta. In pratica, mentre la vettura curva, l’inerzia fa percepire una forza che la spinge fuori dalla curva. In realtà, non esiste una forza che agisca effettivamente verso l’esterno: si tratta della resistenza del corpo al cambiamento di direzione. Questa forza apparente è uguale e contraria alla forza centripeta, che è invece reale e mantiene la vettura in traiettoria.
Forza laterale complessiva e comportamento in curva
Per ottenere una curva perfetta, ogni pneumatico deve bilanciare la forza laterale e quella centrifuga per garantire una forza ottimale al CG. Se ad esempio l’asse posteriore genera meno forza laterale rispetto alla forza centrifuga, si può avere una condizione di sovrasterzo; lo stesso vale per l’asse anteriore nel caso opposto (sottosterzo).
Ma come genera forza laterale ogni pneumatico?
La risposta sta nell’angolo di deriva (slip angle).
Questo è definito come l’angolo tra la direzione in cui è orientato il pneumatico e la direzione reale di movimento dello pneumatico. Quando uno pneumatico lavora a un certo slip angle, sia il battistrada che la carcassa si deformano nella zona del contact patch. In sostanza, il battistrada si allinea alla direzione del moto, mentre la carcassa si deforma per compensare.
La relazione tra slip angle e forza laterale
La relazione lineare iniziale è espressa dalla seguente equazione:
Fy = Cα · α
dove:
- Fy è la forza laterale,
- Cα è la rigidezza in curva (cornering stiffness) del pneumatico,
- α è l’angolo di deriva.
Una maggiore rigidezza in curva permette di ottenere più forza laterale senza aumentare eccessivamente lo slip angle.
Tuttavia, poiché il comportamento dello pneumatico non è lineare, la forza laterale non aumenta indefinitamente con l’aumentare dello slip angle.
Evoluzione del tracciato:
"Evoluzione del tracciato" descrive come lo stato e le caratteristiche prestazionali di un circuito cambiano durante un weekend di gara. Questo fenomeno può influenzare notevolmente sia le prestazioni delle vetture che le strategie utilizzate da piloti e team. L’evoluzione del tracciato avviene per diversi motivi, come il cambiamento della temperatura dell’asfalto, la maggiore quantità di gomma depositata sulla pista, le condizioni meteorologiche, ecc. In questo articolo verrà trattata l'influenza della temperatura della pista sulla pressione degli pneumatici.
Andremo un po' più nel dettaglio tecnico nella modellazione termica dello pneumatico, ma questo ti darà un’idea del perché ci preoccupiamo così tanto della temperatura della pista. ("Siamo ingegneri, dobbiamo avere a che fare con equazioni e numeri!!")
Danny Nowlan ha spiegato come la temperatura si accumula sulla superficie del battistrada dello pneumatico attraverso una formula utilizzata nella modellazione termica dello pneumatico.
Pertanto, l’evoluzione della temperatura del tracciato ha un’importanza significativa nella gestione della temperatura e della pressione degli pneumatici durante un intero stint o una gara.
La Legge dei Gas Perfetti (PV = nRT) (“l’ho spiegata in precedenza nella sezione sulla previsione della pressione a freddo”) è spesso utilizzata per comprendere la relazione tra pressione (P), volume (V) e temperatura (T) dei gas. Tuttavia, nel contesto dell’impostazione della pressione degli pneumatici nel motorsport, affidarsi solo a questa legge può essere problematico a causa dell’evoluzione del tracciato e di altri fattori, come la complessa conduttività termica tra la gomma e la superficie della pista.
Sebbene la legge dei gas perfetti offra una comprensione di base del rapporto tra pressione e temperatura, non è sufficiente per prevedere con precisione la pressione degli pneumatici nell’ambiente dinamico di una gara.
Per comprendere l’evoluzione del tracciato, dobbiamo trovare una relazione tra la temperatura della pista e la pressione degli pneumatici.
Effettuando una regressione lineare per tutti e quattro gli pneumatici, possiamo rappresentare le rette di miglior adattamento (best-fit) della pressione di ogni pneumatico in funzione della temperatura della pista.
Utilizzeremo queste equazioni per prevedere la pressione degli pneumatici a diverse temperature della pista.
Nota: le curve di pressione degli pneumatici non sono completamente lineari, ma lievemente logaritmiche. Tuttavia, isolando la regione lineare, possiamo usare l’equazione del tipo
y = mx + c
.
Le equazioni risultanti sono:
- Pressione Pneumatico (FL) = 1,6943 × Temperatura Pista − 20,8074
- Pressione Pneumatico (FR) = 1,3368 × Temperatura Pista − 11,3200
- Pressione Pneumatico (RL) = 1,4062 × Temperatura Pista − 14,9203
- Pressione Pneumatico (RR) = 1,2905 × Temperatura Pista − 11,7724
Valutazione di tutti i metodi sopra menzionati:
In questa sezione, i diversi metodi di previsione della pressione a freddo degli pneumatici descritti in precedenza sono stati utilizzati per valutare le prestazioni della vettura.
Il miglior metodo è valutare il cronometro: ogni miglioramento nel tempo sul giro dà un’idea di quale sia il miglior setup tra quelli proposti.
Analizzando l’usura degli pneumatici per i vari setup, si è scoperto che il setup più veloce (quello basato sulla rigidezza in curva) ha anche mostrato il tasso di usura più elevato. Gli altri due setup hanno registrato un’usura significativamente inferiore.
Il setup che considerava l’evoluzione del tracciato è quello che ha evidenziato il minor tasso di usura.
Questo accade perché a pressioni più basse le spalle dello pneumatico flettono di più, causando maggior calore e stress meccanico nella struttura, che porta a un’accelerazione dell’usura e della degradazione.
Questo è cruciale quando si decide quale pressione impostare per una sessione di qualifica o una gara:
- I setup che ottimizzano grip e tempo sul giro con pressioni più basse dovrebbero essere preferiti in qualifica.
Poiché l’usura degli pneumatici conta poco in un singolo giro, il metodo basato sulla rigidezza in curva può essere scelto, nonostante la maggiore usura. - Tuttavia, in gara, è meglio optare per un setup che bilanci prestazioni e durata degli pneumatici.
Il metodo basato sull’evoluzione della pista, con il più basso tasso di usura, risulta la scelta migliore per mantenere tempi competitivi limitando i pit stop.
Conclusione:
La gestione dell’energia degli pneumatici è una componente essenziale nel motorsport. Essa influisce su grip, usura, costanza, sicurezza, strategia e adattamento alle condizioni. I team investono molto nello studio e nel miglioramento delle prestazioni degli pneumatici, poiché influiscono direttamente sulla velocità, la guidabilità e il risultato finale della gara.
Conclusione finale:
Per bilanciare aderenza, maneggevolezza e durata degli pneumatici ottimizzando le prestazioni, è essenziale gestire correttamente la pressione degli pneumatici.
In questo articolo sono state esaminate teorie e tecniche di gestione della pressione e sono stati mostrati gli effetti delle diverse strategie sui tempi sul giro e sull’usura.
Le pressioni più basse massimizzano velocità e aderenza in qualifica, ma in gara serve un compromesso per garantire durata e costanza.
Una gestione efficiente della pressione offre vantaggi strategici, affidabilità e prestazioni competitive.
Ulteriori approfondimenti sull’energia degli pneumatici saranno trattati in un articolo dedicato.
Spero che questo articolo ti sia piaciuto. Seguimi per i prossimi contenuti sull’ingegneria in pista.
Riferimenti:
- Soltani, A., Goodarzi, A., Shojaeefard, M. H., & Saeedi, K. – Ottimizzazione della rigidezza verticale del pneumatico basata su criteri di comfort, maneggevolezza, prestazioni e consumo
- Nam – Applicazione di nuovi sensori di forza laterale degli pneumatici per la stima dei parametri dei veicoli elettrici
- Nowlan – Deriving a Tyre Model from Nothing, ChassisSim Technologies
- Segers, J. (2008) – Analysis Techniques for Racecar Data Acquisition, SAE International
- Ralph e Ton – Race Car Handling Optimization: Magic Numbers to Better Understand a Race