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Le novità del motore BMW
16 Gennaio 2008 / FotoMentre il motore BMW V8 di base è omologato dalla fine del 2006 e può venire ulteriormente sviluppato solo nella periferia, altri componenti della catena cinematica, sviluppata completamente a Monaco di Baviera sotto la regia di Markus Duesmann, sono oggetto di profonde modifiche.
Dal 2008 i cambi dovranno venir utilizzati per quattro weekend di gara consecutivi. Solo gli ingranaggi e gli innesti frontali delle singole marce possono venir adattati una volta per GP alle caratteristiche del tracciato. Ciò è necessario per esempio quando alla gara a Monaco (velocità max. 290 km/h) segue immediatamente il GP a Montréal (velocità max. 330 km/h). Fatta eccezione per alcuni elementi secondari, però, il cambio deve rimanere invariato per circa 2.500 chilometri.
Ma la percorrenza non è l'unico "must": gli ingranaggi devono avere un peso minimo di 600 grammi per marcia, la larghezza minima prescritta è di 12 millimetri, la distanza assiale tra gli alberi principali e quelli secondari non deve essere inferiore a 85 millimetri. Ciò presuppone una configurazione completamente diversa del cambio e l'adozione di diversi nuovi componenti, dal momento che quelli del 2007 non sono piú a norma di Regolamento.
In un cambio tradizionale l'accoppiamento dinamico nel passaggio di marcia viene interrotto per circa 50 millisecondi, in questa fase la vettura non ha spinta, ma è in rilascio. A fronte delle elevate velocità della Formula 1 ciò significa una notevole resistenza aerodinamica che comporta una decelerazione di circa 1 g, equivalente, su una autovettura normale, ad una ‹inchiodata›. Le interruzioni di trasmissione del moto quando si sale di marcia (nel GP di Monaco circa duemila) comportano complessivamente una notevole penalizzazione sui tempi equivalente a diverse centinaia di metri.
Come già sulla F1.07, il nuovo cambio rapido denominato SSG della BMW Sauber F1.08 consente di annullare completamente le interruzioni di trasmissione del moto grazie alla sofisticata interazione dei componenti elettronici e meccanici. Uno dei "must" principali è consistito nell'adattare queste complesse modifiche volute dal Regolamento all'unità elettronica standard prescritta per il 2008 per tutte le squadre.
Oltre allo Sviluppo, a Monaco ha sede anche la produzione dell'SSG. Gli ingranaggi vengono realizzati in parte nello stabilimento BMW di Dingolfing: a causa delle estreme sollecitazioni sono realizzati in acciaio altamente resistenziale, la scatola del cambio è in titanio. È evidente che la migliorata variazione di coppia e di regime del motore è compito esclusivo del cambio, come è estremamente importante un suo corretto dimensionamento strutturale al fine di ottimizzare la complessiva rigidezza torsionale della vettura.
Sulla seconda importante novità del 2008 gli ingegneri hanno una possibilità di intervento molto piú limitata: la nuova centralina elettronica monotipo (Standard Electronic Control Unit/SECU) verrà fornita con relative istruzioni d'uso a tutte le squadre come una sorta di "scatola nera". In sostanza con l'introduzione della SECU viene abolito il controllo di trazione, che in curva e in accelerazione regolava con precisione l'erogazione di potenza al fine di ridurre al minimo il pattinamento e assicurare una trazione ottimale.
Il BMW Race Car Controller (RCC), adottato nel 2007 per la gestione del motore, del cambio e di altri componenti della vettura, coniugava grande funzionalità, flessibilità e variabilità con un ingombro e un peso minimi. Nel caso della SECU, fornita da Mclaren Electronic Systems, invece, sia l'hardware elettronico che i programmi sono predefiniti. Questo cambiamento non ha richiesto soltanto una rielaborazione delle specifiche della vettura, ma anche profonde modifiche dell'infrastruttura e della periferia - cominciando dal settore test con tutti i banchi prova per il motore, il cambio e vari gruppi, per arrivare ai sensori di rilevamento e di elaborazione per la telemetria e l'analisi e ai computer a Monaco di Baviera, a Hinwil e sui campi di gara.
Molte risorse a livello economico e di know-how hanno dovuto essere investitee nei sistemi-vettura, p.e. nel volante con tutte le sue funzioni di controllo e di gestione, nell'adattamento del telaio, del cambio e del motore ai nuovi sensori e in una logica e in una filosofia profondamente diverse della SECU. Dal luglio 2007 in casa BMW a Monaco con la SECU si lavora sul banco prova motori e cambi; dall'autunno 2007 essa viene provata su un "muletto".
Spiega Mario Theissen: "Dal 2001 BMW ha portato avanti completamente in proprio lo sviluppo dell'elettronica per la F1. In questo contesto ha svolto un ruolo molto importante il Centro di ricerca e innovazione FIZ di BMW. Tutta l'Azienda e le vetture di serie hanno beneficiato di questi sviluppi, sia nel campo della gestione delle funzioni sia per il controllo. Per questa ragione ci dispiace che sia stata introdotta la SECU. Tuttavia il 2009 porterà una nuova sfida per i nostri specialisti di F1, peraltro già definita nel Regolamento: svilupperemo dei sistemi per lo sfruttamento dell'energia cinetica. Al momento per quanto riguarda i sistemi di recupero dell'energia ci avvaliamo dei sistemi sviluppati per le vetture di serie. Ma per l'avvio della stagione 2009 sviluppe-remo 'a velocità da Formula 1' tecnologie che porteranno dei vantaggi per la grande serie. Ciò vale per esempio per i generatori, i motori elettrici e i media di accumulazione. Sono sviluppi importanti per realizzare veicoli piú efficienti a livello economico ed ecologico".
Negli scorsi anni la FIA ha regolamentato in maniera drastica lo sviluppo dei motori in base a considerazione relative alla sicurezza (in particolare velocità di punta inferiori) e all'abbattimento dei costi. Un punto importante è stata la quadruplicazione della percorrenza a partire dal 2002. Nel 2003 per la prima volta la gara dovette essere disputata con il motore utilizzato per il Qualifying. Nel 2004 ebbe validità la regola che preve-deva un motore per il weekend. Dal 2005 i propulsori dovevano ‹tenere› per due weekend di gara. Per favorire le attività di prova il venerdì, dal 2007 nelle prime due sessioni di prove libere è di nuovo permesso utilizzare motori ‹esonerati› da questa regola.
Il concept dell'attuale motore BMW V8 risale al novembre 2004, quando venne deciso il passaggio dai motori V10 ai motori V8. Già con l'introduzione dei motori V8 per la stagione 2006 erano stati regolamentati importanti parametri di progettazione. Oltre alla cilindrata di 2.400 ccm, le prescrizioni prevedevano un angolo di bancata di 90 gradi e un peso minimo di 95 chili (compresi condotto di aspirazione con filtro aria, condotti di alimentazione e sistema di iniezione, bobina, sensori e cablaggio, alternatore, pompe del liquido di raffreddamento e dell'olio), senza carburante e liquidi, collettore di scarico, paratie di protezione termica, serbatoi dell'olio, batterie, scambiatori di calore e pompa idraulica.
Anche la posizione del baricentro del motore è obbligatoria: ad un'altezza di almeno 165 millimetri, misurata dal bordo inferiore della coppa dell'olio. Sull'asse longitudinale e trasversale, il baricentro del V8 deve coincidere con il centro geometrico del motore con uno scostamento max. di ± 50 millimetri. L'alesaggio dei cilindri è limitato ad un massimo di 98 millimetri; la distanza tra i cilindri è fissata in 106,5 millimetri (± 0,2 mm). L'asse centrale dell'albero motore deve essere posizionato almeno 58 millimetri sopra la linea di riferimento. Sempre dal 2006 sono vietati anche i sistemi di aspirazione a geometria variabile destinati ad ottimizzare l'andamento della curva di coppia.
L'alimentazione dell'impianto elettrico e dell'elettronica del motore è limitata ad un massimo di 17 Volt. Il funzionamento della pompa di alimentazione del carburante è meccanico. Per l'azionamento del sistema della valvola a farfalla può essere utilizzato un solo attuatore. Fatta eccezione per le pompe elettriche ausiliarie nel serbatoio della benzina, tutti i gruppi secondari devono essere azionati meccanicamente o direttamente dal motore. Inoltre è stata stilata una lista di materiali esotici di cui è vietato l'utilizzo; i materiali sono limitati alle convenzionali leghe di titanio e di alluminio previste dal Regolamento.
Altre restrizioni entrarono in vigore nel 2007. Dall'inizio della stagione vige la limitazione del regime a 19.000 giri/min. Alla fine del 2006 tutti i team hanno dovuto consegnare propulsori-campione che in una prima fase avrebbero dovuto rimanere sostanzialmente invariati fino alla fine del 2010. Lo spazio per nuovi sviluppi era concesso solo per settori non propriamente motoristici, come il raffreddamento, l'impianto di aspirazione o i gruppi secondari. Nell'inverno 2005 venne decisa l'introduzione della SECU.
Prima di essere giudicata pronta per l'utilizzo in gara, una specifica per il BMW V8 P86/8 deve superare i test di durata sui banchi di prova dinamica. A Monaco è operativa l'ultima generazione di impianti di prova per motori e cambi. L'esame piú severo per determinare l'idoneità alla gara prevede 1.500 chilometri secondo un profilo artificiale che simula le condizioni di impiego piú impegnative e le sollecitazioni piú pesanti degli attuali circuiti in calendario. I motori destinati ai GP vengono sottoposti ad un check funzionale meno impegantivo sui banchi di prova; la procedura si conclude con un controllo di qualità che prevede anche l'analisi spettrometrica di campioni di olio al fine di verificare l'eventuale presenza di residui metallici. Quindi il motore può "entrare in servizio".
Gli effetti di sinergia tra la F.1 e lo sviluppo per la produzione di serie sono stati per BMW la "conditio sine qua non" del rientro nella "classe regina" dell'automobilismo sportivo nel 2000. Lo Sviluppo della catena cinematica e dell'elettronica per l'impegno nella Formula 1 viene coerentemente integrato nel sito di Monaco: in questo contesto un ruolo chiave è affidato al FIZ, il Centro di Ricerca e Sviluppo dell'Azienda. La fabbrica per la F.1 sorge a meno di un chilometro da questa "think tank" ed è strettamente collegata ad essa. "Il FIZ rappresenta il futuro di BMW", spiega ancora Theissen, "nelle sue strutture d'avanguardia per la Ricerca e lo Sviluppo lavorano i migliori ingegneri. Il FIZ dispone di grandissime risorse che ci consentono di ottenere riscontri immediati. Per contro, l'impegno in F.1, con le sue richieste estreme e pressanti a livello tecnico e i frenetici ritmi dello Sviluppo, rappresenta un campo di sperimentazione straordinario per i nostri tecnici".
Il know-how acquisito in questo modo rimane 'in Azienda' e trova sbocco nello Sviluppo destinato alla produzione di serie. I dati sviluppati per la Formula 1 relativi alla lavorazione di diversi materiali e componenti, per esempio testate e carter viene utilizzato sia nel settore dell'autovettura che nel settore moto di casa BMW.
La competitività e l'affidabilità del blocco motore, della testata e del cambio dipendono in misura determinante dalla qualità dei componenti realizzati in fonderia. Tecnologie produttive d'avanguardia con sistemi di gestione dei processi ad altissima precisione consentono di realizzare componenti leggeri e altamente resistenziali. Al fine di garantire questi "atout" anche per le vetture di serie, BMW ha realizzato una fonderia a Landshut, alla quale dal 2001 è affiancata la fonderia per la F.1. I due reparti lavorano in sintonia, a garanzia di un'interazione costante. Il procedimento di colata in forma di terra, utilizzato per realizzare il V8 destinato alla Formula 1, così come le coppe dell'olio per i modelli della Serie M, il sistema di aspirazione del motore diesel a otto cilindri e i prototipi di future generazioni di propulsori. Praticamente in contemporanea con l'apertura della fonderia per la F.1, nel quadro dello stesso concept, un reparto di produzione di componenti per la F.1 è stato abbinato a quello dei componenti di serie. Lì il Team produce per esempio gli alberi di distribuzione e gli alberi motore destinati all'impiego in Formula 1.
I modernissimi laboratori del FIZ consentono di portare avanti la ricerca sui materiali ad altissimo livello e in stretta cooperazione con gli specialisti della Formula 1. Grande importanza ha in questo contesto lo sviluppo di rivestimenti speciali, ma in questo centro high-tech viene portato avanti anche il lavoro ‹da detective› dell'analisi di inconvenienti. La ricerca si avvale spesso dei riscontri ottenuti sulla base di tecniche e tenologie adottate in ambito aeronautico e aerospaziale. Diverse soluzioni d'avanguardia, che per ragioni di costo non possono ancora venir implementate nella produzione di automobili di serie, vengono già utilizzate nel progetto F.1. La possibilità di adottare le nuove tecnologie aiuta gli ingegneri a portare avanti lo Sviluppo per farle poi confluire nella produzione di serie.
Nuova idea, fase di concept, design, progettazione, produzione dei tool, realizzazione di nuovi componenti, sperimentazione: è questo il costoso e impegnativo iter dell'innovazione. I brevissimi tempi di reazione e i ritmi pressanti che allo Sviluppo e alla ricerca di nuove soluzioni vengono impressi dalla Formula 1, dove il numero delle modifiche costruttive durante una stagione era finora pari a quello dell'intera gamma dei motori di serie BMW, costringono a una forte accelerazione dei processi di lavoro. Anche per questo la squadra BMW F1 può contare sul supporto del FIZ, nella fattispecie del reparto Rapid Prototyping/Tooling Technology. Appena il progetto dei componenti richiesti dal sistema CAD è ultimato, speciali macchine, a loro volta gestite da computer, con una tecnica laser o una tecnica di stampaggio tridimensionale realizzano modellini in resina, polvere sintetica, acrilico, cera o metallo. Ciò consente di simulare in tempi molto contenuti le diverse varianti di montaggio e assemblaggio, nonché le varie interazioni, al fine di poter effettuare già a monte del processo di produzione eventuali interventi di modifica.
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