Testing e Validazione del Modello di un Disco Freno su una vettura di Formula SAE

Per realizzare Nura, la loro prima vettura Formula SAE completamente elettrica, il team UniNa Corse Racing dell’Università degli Studi di Napoli ha analizzato in dettaglio il comportamento termico del sistema disco freno. Grazie all’impiego di sensori avanzati e strumenti di acquisizione dati Dewesoft, il team ha confrontato i modelli di simulazione con i dati reali raccolti in pista. Questo processo ha consentito di ottimizzare il design del sistema frenante, migliorandone prestazioni, affidabilità e sicurezza durante le competizioni.

Nella stagione 2025/2026, la squadra corse UniNa Corse dell'Università Federico II di Napoli ha affrontato con audacia la sfida di progettare, costruire e gareggiare con un'auto da corsa completamente elettrica, spingendo i confini dell'innovazione e dell'eccellenza ingegneristica.

Per affrontare questa sfida, il team ha deciso di effettuare molteplici test in pista al fine di validare il modello termico dei dischi dei freni in modo poter effettuare una progettazione più consapevole e corretta per la nuova auto elettrica “Nura”.

Formula Student ed UniNa corse

La Formula SAE è una competizione universitaria internazionale di progettazione ingegneristica, inizialmente proposta dalla Society of Automotive Engineers (SAE). La competizione prevede la progettazione e la produzione di un'auto da corsa. Una giuria la valuta poi in base alle sue qualità progettuali e all'efficienza ingegneristica.

Il team UniNa Corse partecipa a questa competizione dal 2015 con un veicolo a combustione interna. Dal 2021, il team ha implementato anche capacità di guida autonoma sui propri veicoli, l'ultimo dei quali è chiamato "Gaiola". Durante l'attuale stagione 2024, il team sta progettando il suo primo veicolo elettrico, che sarà utilizzato per competere nella stagione 2025.

Per la nuova auto elettrica, rivoluzioneremo completamente il design dei dischi freno. Per effettuare questo cambiamento in sicurezza e ridurre i rischi strutturali e di affidabilità, è stato essenziale comprendere il processo di scambio termico.

Ecco una panoramica generale delle due vetture in Tabella 1:

La Sfida

Il disco-freno è uno dei componenti fondamentali da progettare in una vettura di Formula Student, in quanto influisce direttamente sulle prestazioni complessive del veicolo. Una corretta progettazione permette di conoscere i limiti e le capacità della vettura, consentendo di individuare le aree di miglioramento.

Il disco del freno è un componente molto complesso, non solo dal punto di vista dinamico, ma anche strutturale e termomeccanico. Una volta definite le sue dimensioni per garantire un funzionamento corretto e una frenata efficace, il disco deve essere in grado di sopportare i carichi a cui è sottoposto minimizzando le deformazioni, poiché queste avrebbero un impatto negativo sulle prestazioni.

Oltre alla resistenza meccanica, il disco del freno deve sopportare improvvise fluttuazioni di temperatura e forti sollecitazioni termiche. A causa dell'intenso attrito, il disco si riscalda notevolmente e, a temperature elevate, le sue proprietà fisiche si modificano, incidendo in ultima analisi sulle prestazioni complessive. 

Per gestire questi effetti, vengono condotte analisi termofluidodinamiche dettagliate per monitorare l'andamento delle temperature e, soprattutto, perfezionare la geometria del disco freno per una dissipazione ottimale del calore.

In collaborazione con DEWESoft e Radio6ense il team ha condotto una campagna di misurazione per rilevare le temperature dei dischi freno del veicolo in varie condizioni dinamiche.

Tutte le analisi sono state effettuate sulla vettura precedente, “Gaiola”. Dal momento che la modifica riguarda esclusivamente la geometria. La validazione del modello rimane invariata, garantendo la coerenza dei risultati. Questo ci ha permesso di sfruttare un'auto esistente per migliorare la progettazione del modello successivo.

I Sistemi Frenanti

Evidenziamo ora le principali differenze tra i due sistemi frenanti:

Le analisi condotte, tuttavia, non sono del tutto in linea con la realtà, poiché attualmente non disponiamo di un mezzo di confronto per la convalida. È qui che diventa essenziale una campagna di test dedicata, che ci permetta di raccogliere i dati necessari per confrontare le nostre analisi con i risultati del mondo reale. Garantendo un modello e una configurazione di analisi ben calibrati, possiamo ottimizzare il processo di progettazione per ottenere la massima efficienza.

A tal fine, abbiamo seguito il seguente schema di lavoro:

La sfida consiste nel garantire che i sensori utilizzati siano precisi, affidabili ed in grado di fornire dati accurati per l'analisi. Inoltre, un sistema di acquisizione performante è essenziale per monitorare efficacemente tutti i parametri dell'auto, consentendo una riproduzione fedele delle simulazioni.

Con Dewesoft, è stata scelta la configurazione migliore per l'applicazione considerata.

Sensori e Strumenti di Misura

Il setup utilizzato è composto dalle seguenti componenti:

Il sistema di acquisizione dei dati sulla temperatura dei dischi dei freni è fornito da Dewesoft tramite il kit SixSense. L'architettura consiste in un'unità di lettura principale RAIN UHF RFID collegata a 2 antenne di interrogazione, situate rispettivamente nella parte anteriore e posteriore dell'auto. Queste antenne fungono da alimentatori, tramite emissione elettromagnetica, per i sensori di temperatura situati sulla superficie dei dischi freno e nelle aree circostanti, come il portamozzo e la pinza freno:

Si tratta infatti di termocoppie passive senza fili per l'alimentazione e la trasmissione dei dati, una soluzione ottimale in quanto risparmia la progettazione del cablaggio dei sensori garantendo un'elevata facilità di installazione, manutenzione e alte prestazioni in termini di precisione.

Al pacchetto Radio6ense è stato aggiunto un sensore a infrarossi per dischi freno IR1000 di Aviorace. Il sensore rileva la temperatura superficiale del disco del freno ed è stato posizionato in modo da includere nel fascio di luce l'intera superficie a contatto con la pastiglia.

Infine, Dewesoft ha fornito il modulo di misura inerziale Navion-i2 per l'acquisizione di accelerazione e posizione e un computer di bordo.

I restanti sensori sono gestiti dalla dashboard già installata sulla vettura. Le loro uscite viaggiano lungo una linea CAN preesistente, che trasmette i dati al computer di bordo, dove vengono elaborati per la successiva analisi.

Il modello della vettura

L'analisi è stata condotta sulle ruote anteriori, in particolare sull’'anteriore sinistro, in quanto sottoposte alle maggiori sollecitazioni termiche a causa della notevole forza frenante che le pastiglie esercitano su di esse. Per questo motivo, è stato sviluppato un modello semplificato di quarto di vettura per concentrarsi sulla termofluidodinamica del rotore del freno. 

La pre-elaborazione è stata eseguita con ANSA, compresa la definizione di un volume di controllo appropriato per il fluido circostante per evitare condizioni non fisiche ai confini e la corretta evoluzione del flusso. Gli strati limite sono stati impostati di conseguenza con le proprietà del flusso e il modello di turbolenza, il k-omega SST, selezionato per garantire una valutazione dettagliata dei flussi e dei gradienti in prossimità delle pareti.

Dopo aver generato una mesh di alta qualità, le simulazioni CFD sono state condotte in Ansys Fluent. Sulla base dei dati ottenuti da test precedenti, sono stati definiti scenari di frenata plausibili. In particolare, dalla decelerazione corrispondente alla manovra di frenata analizzata, è stata calcolata l'energia cinetica dissipata come calore 𝑄 dal disco del freno per studiare l'aumento di temperatura risultante, espresso dal seguente sistema, assumendo un approccio a parametri concentrati.

Si è ipotizzato che il disco del freno dissipi il 97% del calore totale:

• mv  = massa del veicolo;

• m = massa del disco;

• v = velocità veicolo;

• cp = calore specifico del disco. 

Una volta determinata la temperatura raggiunta dal disco, il processo di dissipazione del calore è stato analizzato mediante CFD per ottenere un andamento realistico del coefficiente di trasferimento termico convettivo a diverse velocità e condizioni di flusso. I valori ottenuti sono stati poi interpolati e utilizzati per eseguire analisi termiche transitorie in Ansys, valutando l'evoluzione termica del disco in condizioni operative realistiche, come gli eventi dinamici che il veicolo incontra nelle competizioni.

I Test

La campagna di test si è svolta sul “Circuito Internazionale Del Volturno”, un tracciato caratterizzato da lunghi rettilinei, curve a raggio costante e tratti misti. Queste caratteristiche variegate lo hanno reso un terreno di prova ideale per valutare i dischi freno in diverse condizioni.

La sessione di test si è svolta tutta in un giorno, le manovre accuratamente selezionate durante la fase di preparazione sono state scelte per riprodurre sia le condizioni utilizzate nelle simulazioni termofluidodinamiche sia gli eventi dinamici della competizione, in modo da avere un'acquisizione il più possibile completa.

Durante la sessione sono state eseguite le seguenti manovre:

• Frenata pura, da 70 a 40 e da 90 a 20 km/h, con 6s a velocità costante.

• Autocross, giri completi a prestazioni massime

• Endurance, 22 km a prestazioni massime.

Dopo aver completato la fase di raccolta dei dati, è stata esaminata la qualità delle acquisizioni. I risultati sono stati estremamente soddisfacenti e l'elevata frequenza di campionamento ottenuta con l'hardware Dewesoft ha permesso di eseguire operazioni di filtraggio dei dati senza compromettere la precisione.

Analisi Dati e Risultati

Per quanto riguarda la strumentazione Radio6ense, i dati acquisiti corrispondono a un giro di autocross, durante il quale sono stati posizionati tre sensori nelle seguenti aree: Banjo, pinza e disco freno.

È importante notare che l'andamento della temperatura varia, influenzato sia dalla quantità di energia scambiata nelle diverse zone sia dal materiale analizzato. Questi fattori contribuiscono a determinare comportamenti termici diversi tra i componenti monitorati.

Il grafico presentato è una run di autocross. Evidenzia l'evoluzione della temperatura durante la corsa e la qualità delle acquisizioni di ciascun sensore.

Durante la fase di convalida, le manovre eseguite in pista sono state confrontate con le simulazioni. Nonostante alcune discrepanze dovute alle approssimazioni del modello, la somiglianza tra le tendenze ed i valori di picco rimane apprezzabile.

In conclusione, lo stato attuale dei modelli e le loro principali carenze sono stati identificati con successo, gettando le basi per futuri miglioramenti. Questa conoscenza consentirà di apportare miglioramenti che aumenteranno l'accuratezza ed avvicineranno i modelli alle condizioni reali, contribuendo in ultima analisi ad una progettazione più efficace dei sistemi frenanti.

Conclusioni e ringraziamenti

La validazione dei nostri strumenti di calcolo è stata fondamentale per determinare i limiti e l'affidabilità del modello matematico creato, consentendo una previsione accurata dell'evoluzione della temperatura del calore che influenzerà il disco del freno.

Il merito ed i ringraziamenti vanno a tutto il team Dewesoft Italia, in particolare a Riccardo Petrei e Davide Carniani per aver dato al team l'opportunità di effettuare una campagna di test di questo tipo e per essere stati sempre disponibili nel fornire supporto tecnico durante le fasi di installazione e di test in pista.

Un ringraziamento speciale va a Radio6sense ed in particolare ad Alessio Mostaccio per averci messo a disposizione la sua strumentazione all'avanguardia per la misura della temperatura e per il suo supporto.

Infine, vorremmo ringraziare l'intero team di UniNa Corse.