Carsten Frederiksen / Andrea Marino (responsabile della dinamica del telaio e del veicolo) and Elvira Rufolo (responsabile delle pubbliche relazioni)

martedì 7 febbraio 2023 · 0 min read

by E-Team Squadra, University of Pisa

Test delle sospensioni su un Veicolo da corsa per Formula SAE

L' E-Team Squadra Corse dell'Università di Pisa ha voluto ridisegnare l'anteriore della loro vettura di Formula SAE, Galileo. L'obiettivo era quello di ridurre il peso dell'auto senza perdere forza e rigidità. Per fare ciò, il team doveva conoscere i carichi effettivi che agiscono sulla struttura. In collaborazione con la società di servizi di ingegneria Deltatech e Dewesoft, il team ha misurato i carichi sul sistema di sospensione attraverso test svolti direttamente in pista.

La Formula SAE sfida gli studenti a ideare, progettare, costruire e gareggiare con piccole auto da corsa in stile formula che hanno, per ogni Squadra, un tempo di realizzazione di 8-12 mesi. Le auto vengono giudicate in una serie di eventi statici e dinamici, tra cui ispezione tecnica, cost report, presentazione, prove di design e di endurance.

Galileo, la vettura dell’E-Team Squadra Corse dell’Università di Pisa, è un veicolo a combustione con un motore Honda CBR600RR, che presenta una notevole innovazione: un telaio ibrido dal design unico. Il telaio ibrido è stato sviluppato combinando la monoscocca nella parte anteriore e un telaio a traliccio in acciaio tubolare nella parte posteriore. La parola monoscocca è un termine francese per "guscio singolo" e definisce un telaio in cui i carichi sono supportati dal rivestimento, un po' come il guscio di un uovo.

Figura 1. L' E-Team Squadra Corse con la sua auto da corsa Galileo.

Quest'anno l'obiettivo del team era ridisegnare la parte anteriore dell'auto: telaio, sospensioni e gruppo ruote, con l'obiettivo di ridurre il peso senza perdere rigidità. Per far ciò avevano bisogno di misurare e conoscere i carichi effettivi che agiscono sull'auto. Tali misure hanno consentito al team non solo di convalidare il lavoro svolto sulle sospensioni della scorsa stagione, ma anche  di avere una solida base di partenza da cui iniziare la progettazione delle sospensioni nei futuri modelli di auto.

I dati raccolti vengono utilizzati sia per realizzare la vettura del 2022 sia per calibrare i modelli di calcolo dei carichi, permettendo di ridurre il peso pur mantenendo gli adeguati coefficienti di sicurezza, così da evitare rotture o avarie che potrebbero minare il buon esito delle competizioni.

Il processo di misura - e l’aiuto di Dewesoft - oltre a impattare le performance del veicolo, rappresentano un ottimo biglietto da visita per la prova statica del Design Event, dove verrà discusso con i giudici il processo progettuale che sta dietro alla vettura.

Infine, ultimo ma non meno importante, ricordando come lo spirito della Formula Student sia quello di permettere ai futuri ingegneri e laureati di fare esperienza di problematiche e situazioni reali che troveranno poi nel proprio percorso lavorativo, la collaborazione con Dewesoft ha rappresentato una opportunità preziosa di fare esperienza con gli strumenti di misura professionali forniti alla Squadra.

Setup di misura e sensori utilizzati

Il setup per effettuare queste misure ha previsto varie fasi, quali l’allestimento della vettura per ospitare i sistemi di acquisizione Dewesoft, l’incollaggio degli estensimetri, il cablaggio di tutte le parti necessarie.

E’ stato scelto di incollare gli estensimetri su tutti i braccetti del lato sinistro della vettura sfruttando la forte simmetria che la caratterizza e sono stati predisposti cinque potenziometri lineari, quattro per acquisire i valori di compressione delle molle delle sospensioni e uno per acquisire l’escursione della cremagliera, da collegare poi all’angolo delle ruote.

Tramite il sistema DAQ SIRIUSe-HD-16xSTGS e la CPU rugged Krypton CPU, fornite da Dewesoft, sono stati acquisiti e registrati 16 canali, ovvero undici braccetti e cinque potenziometri lineari. 

Figura 2. SIRIUSe-HD-16xSTGS
Figura 3. Krypton CPU.

Un ulteriore prezioso strumento messo a disposizione da Dewesoft, la IMU Navion2i, dispositivo di ultima generazione, ci ha permesso di avere, oltre ai valori di accelerazione e velocità, anche gli angoli di imbardata, beccheggio e rollio e il tragitto percorso.

Figura 4. Navion2i IMU.

Alcuni membri della squadra hanno poi incollato, in ambiente controllato, gli estensimetri Micro Measurement da 350 Ohm, forniti gentilmente da Deltatech.

Figura 5. Il collegamento al sistema di acquisizione dati degli estensimetri posizionati su Galileo.

La scelta del tipo di configurazione adottata è derivata da semplici considerazioni di equilibrio dei singoli braccetti. Per i braccetti che formano un triangolo a cui fa capo l’elemento push-rod (all’anteriore) o pull-rod (al posteriore), che per natura è pensato per andare in flessione durante il funzionamento, è stata adottata la configurazione a ponte intero in modo da reiettare una grande parte della deformazione causata dalla flessione.

Figura 6. Visualizzazione delle sospensioni di Galileo.

Per gli altri braccetti invece, essendo montati tra snodi sferici, è stato sufficiente predisporre un mezzo ponte per reiettare solo la temperatura.

Successivamente sono stati cablati i singoli braccetti in modo da poterli connettere al sistema di acquisizione sistema di acquisizione dati SIRIUS e, grazie a un sistema IOLITE monocanale fornito al Team qualche giorno prima delle prove, si è potuto verificare che ogni incollaggio fosse eseguito nel modo corretto.

Sfruttando ancora il sistema IOLITE e i macchinari delle officine universitarie, misurando il segnale di tensione di uscita sui singoli braccetti, sottoposti a carichi noti per caratterizzare l’andamento di ogni singolo ponte o mezzo-ponte, è stato possibile rendere gli stessi delle celle di carico a tutti gli effetti.

Dopo queste operazioni i braccetti sono stati montati nuovamente sulla vettura già equipaggiata con i cablaggi supplementari e i sistemi di acquisizione dati Dewesoft.

Le acquisizioni con Dewesoft

Tra l’01/03/22 e il 03/03/22 sono state effettuate le acquisizioni necessarie grazie al supporto del team Dewesoft Italia.

Dopo una prima fase di allestimento del setup e di familiarizzazione con la strumentazione Dewesoft attraverso una serie di test statici svolti all’interno dell’officina della squadra, il Team con Galileo si è spostato all’esterno per alcune prove che hanno permesso di valutare la corretta lettura del segnale GPS e di tutti i canali del SIRIUS. Inoltre è stato valutato anche il carico statico della vettura con e senza pilota.

Il 3 Marzo Galileo ha effettuato i test dinamici presso il kartodromo di Siena dove sono state effettuate le seguenti prove:

  • Accelerazione

  • Skid-Pad

  • Frenata

  • Slalom

  • Giri al limite di aderenza

Figura 7. Particolare di una delle due antenne GPS della IMU Navion2i posizionate su Galileo per la vehicle pose estimation.

Il post-processing dei dati

I dati acquisiti sono stati così filtrati sul software Dewesoft, utilizzando varie tipologie di filtraggio e scegliendo quella più opportuna per ogni singola situazione.

  • LPF (low pass filter) con diversa banda passante, oppure

  • filtri a media mobile. 

Nelle immagini seguenti sono riportati degli screenshot in cui vengono visualizzati i valori acquisiti dall’IMU (figura 8), da alcuni braccetti (figura 9), e dal braccetto anteriore del triangolo inferiore della sospensione posteriore (figura 10). Tutti questi screenshot fanno riferimento allo stesso intervallo di tempo.

Figura 8. Potenziometro lineare per escursione cremagliera (segnale verde); Dati relativi ad accelerazioni e velocità ottenuti con la IMU.
Figura 9. Forze lette dagli estensimetri su alcuni braccetti delle sospensioni e le forze specifiche calcolate.
Figura 10. Segnale di forza letto su braccetto della sospensione posteriore.
Figura 11. Fase di post-processing dei dati.

I valori di forze lette sui singoli braccetti sono stati comparati con quelli attesi dai modelli che hanno permesso di dimensionare la vettura nel corso degli anni.

Questi modelli prendono in input la lettura del potenziometro installato in parallelo all’ammortizzatore e l’accelerazione acquisita dall’IMU, calcolando sia le forze a terra sia quelle su ogni singolo braccetto.

I valori ottenuti calcolati sono stati poi sovrapposti a quelli stimati in modo da validare i nostri modelli, com’è possibile vedere nella figura 12.

Figura 12. Validazione del modello - valori calcolati sovrapposti a quelli stimati.
Figura 13. Una ricostruzione del giro basata sulla telemetria e sul grafico dell'accelerazione.

Conclusioni

Per realizzare tutte le misure e confrontarle con i risultati attesi è stato necessario un grande impegno da parte degli addetti ai lavori. Tutto è stato fatto con estrema precisione, dall’incollaggio degli estensimetri al cablaggio, dalla calibrazione dei braccetti all’acquisizione in pista. 

 Per assicurare la buona riuscita di tutto, sono stati svolti numerosi test intermedi valutando, ad esempio, l’effettiva reiezione della temperatura, la mitigazione dell’effetto indotto dalla flessione e la linearità di lettura tra carico applicato e tensione di uscita. 

Come'è possibile vedere nella figura 12 in cui sono sovrapposti i carichi letti con quelli stimati, la campagna di acquisizione ha dato risultati più che soddisfacenti e rappresenta un ottimo punto di partenza per lo sviluppo delle vetture dell’ E-Team Squadra Corse.

Gran parte del merito va a Dewesoft che si è resa completamente disponibile  sia in fase di allestimento della vettura sia durante i test, dedicando molto tempo per supportarci al meglio in questa esperienza.

Menzione particolare va al sistema di acquisizione SIRIUSi-HD-16xSTGS che ha permesso di avere letture corrette di deformazioni sulle sospensioni che sono caratterizzate da un'elevata rigidezza e quindi poco propense alla lettura.

Crediti

Hanno lavorato a questo studio:

  • Luca Boccacci and Chiara Barontini - Technical Directors

  • Andrea Marino, Serena Donati, Leonardo Battistini, Matteo Nori, Lorenzo Tirabassi, and Andrea Barnaba - Chassis & Vehicle Dynamics Division

  • Samuele Vannoni and Michele Martino - Electronics Division

Hanno curato questa collaborazione la Public Relations Division:

  • Federico Manconi

  • Elvira Rufolo

  • Giorgia Schiaffino

  • Arianna Badi