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La Materia dei sogni – Il Carbonio e i Compositi nei Telai di F1 e non solo.

Nel campo dello sviluppo tecnologico, e nello specifico quello applicato all’automotive e alla Formula 1, il ruolo della ricerca di nuovi materiali ha avuto un impulso senza eguali nel corso degli ultimi decenni.

Le teorie fisico-matematiche alla base delle applicazioni tecnologie si sono da sempre scontrate con quello che sono i limiti fisici dei materiali a disposizione per la costruzione e il buon funzionamento.

Un esempio su tutti è quello dei  materiali usati nelle turbomacchine nei vari campi (aerospaziale, energetico, autotrasporto), che hanno consentito di aumentare l’efficienza dei sistemi di produzione di energia e al contempo mantenere standard di sicurezza elevati per il sistema.

Nel seguente articolo facciamo una panoramica più che sui materiali e le loro caratteristiche, su quello che sono i loro usi nell’automotive e nello specifico nelle competizioni e Formula 1.

Nel settore delle corse automobilistiche, l’area in cui lo sviluppo dei materiali ha dato  margini di miglioramenti elevati è senz’altro quello dei telai; l’obiettivo principale di un telaio di un’autovettura è quello di collegare rigidamente tra loro i gruppi sospensivi anteriore e posteriore, e di prevedere attacchi ausiliari per tutti i restanti sistemi e sottosistemi di cui la vettura è equipaggiata.

I parametri caratterizzanti il telaio sono sostanzialmente la massa e la rigidezza. La massa del chassis deve essere più bassa possibile in quanto  costituisce un contributo importante nel computo totale della massa, e da ciò di conseguenza scaturisce l’importanza di utilizzare materiali quanto più possibili leggeri e resistenti.

È bene ricordare che per rigidezza del telaio si può indicare sia la rigidezza flessionale che la rigidezza torsionale, anche se di fatto solo la rigidezza torsionale va ad influire sul trasferimento di carico; e pertanto, quando si parla di rigidezza di un telaio, ci si riferisce alla sua capacità di sopportare carichi di tipo torsionale.

Questa è la caratteristica più importante, infatti la deformazione torsionale del telaio genera rotazioni intorno all’asse longitudinale del veicolo (asse di rollio), che si aggiungono a quelle proprie delle sospensioni, interferendo con queste nell’assetto del veicolo. Un valore elevato di rigidezza migliora la dinamica del veicolo, poiché consente ai componenti delle sospensioni un maggior controllo sulla cinematica generale, e quindi il telaio deve essere poco deformabile in modo che la rigidezza al rollio dipenda quasi esclusivamente dalle sospensioni.

Quest’ultima tuttavia, non si può prevedere a priori e il valore ideale è funzione di tantissime variabili costruttive (l’ordine di grandezza è di oltre 20000 Nm/deg per le Formula 1).

Le procedure per il calcolo della rigidezza torsionale possono essere molteplici e possono variare da team a team. In generale, si può dire che il telaio viene sottoposto ad una sollecitazione flesso-torsionale ottenuta ad esempio applicando una coppia verticale ai centri ruota (o ai portamozzi) anteriori, e vincolando gli altri due posteriori.

Il materiale più famoso utilizzato negli ultimi decenni è la fibra di carbonio che, applicato alla scienza del telaio delle autovetture, ha consentito di poter elevare la prestazione ma soprattutto la sicurezza delle vetture a standard elevatissimi; pensiamo ad esempio agli incidenti occorsi a Robert Kubica e Romain Grosjean, per citarne alcuni.

Da quando Mercedes-Benz introdusse e poi sviluppò i telai con travi tubolari (1937), il telaio era composto da travi parallele da asse ad asse e la costruzione era conosciuta come un doppio tubo; questa tipologia costruttiva è rimasta pressocchè immutata fino agli anni ’50, quando si iniziarono a costruire i primi telai Space Frame.

                       Fig: Telaio Auto Union fine anni ‘30.

Max Wagner, uno dei progettisti e fautori dei successi delle stelle d’argento, con la W25 gettò le basi di quello che era un uso parsimonioso e accurato della combinazione acciaio – alluminio nella produzione e assemblaggio dei profilati telaio.

Particolare nota storica è quella che racconta come i tecnici della Mercedes esaminarono a fondo una delle auto più vincenti e innovative di tutti i tempi, ovvero L’AlfaRomeo P3 progettata dal genio italiano Vittorio Jano.

Fu  il pilota Rudolf Caracciola (stella di Mercedes) ad aver acquistato in proprio la vettura  che aveva poi pesantemente danneggiato a Montecarlo. La Mercedes acquisì il relitto e lo ricostruì perfettamente, utilizzando poi la P3 per una lunga serie di prove.

                 Fig: Disegno con Tubolari Saldati dell’AlfaRomeo P3.

Il processo di passaggio dai telai a tubolari non fu così semplice, e ci sono voluti tanti anni e tanti geni come Frank Costin  per  evidenziare  le criticità di questa soluzione rispetto allo space frame, a struttura chiusa, dove i componenti non lavorano a flessione ma a compressione-trazione, quindi sono più efficienti.

                                          Fig: Esempio di telaio Tubolare Lotus.

Lo step successivo allo Space Frame fu quello dell’introduzione dei telai monoscocca, e il grande impulso fu dato dagli ingegneri inglesi che avevano un grande esperienza nel campo dell’aviazione e dei materiali in essa utilizzati, che di fatto aprì la strada ad una nuova era delle vetture da corsa.

                                               Fig: Telaio Lotus 25, 1965.

Tuttavia, prima degli anni ‘80 i materiali utilizzati per la costruzione di telaio ed altri componenti non erano del tutto diversi da quelli usati nelle produzioni di autovetture commerciali o di altri manufatti simili, ma la serie di incidenti con esito fatale, parallelamente allo sviluppo scientifico, hanno dato un incipit ad un netto cambiamento.

In tal senso, e a partire dal 1980, vi fu l’avvento del telaio monoscocca in fibra di carbonio con cui Mclaren presentò la McLaren MP4/1 ideata dal grande progettista John Barnard.

Il telaio in fibra di carbonio si è ormai diffuso in tutte le categorie e risulta difficile immaginare un mondo delle corse in cui non siano applicati i materiali compositi.

Non basterebbero poche righe per spiegare l’enorme mole teorica e pratica alla base dell’uso della fibra di carbonio e dei materiali compositi impiegati per la progettazione dei  telai delle F1.

Prima dell’avvento dei telai monoscocca in carbonio, si utilizzavano svariate tecniche costruttive da parte dei cosiddetti “garagisti”, che saldavano i tralicci e formavano delle strutture con piastre d’alluminio a nido d’ape.

I materiali compositi sono ottenuti attraverso la combinazione di due o più materiali, diversi tra di loro, e possiedono proprietà superiori rispetto a quelle dei singoli componenti che li costituiscono, tuttavia questi sono distinguibili sia a livello chimico che strutturale.

Naturalmente esistono molti tipi di materiali compositi, e almeno nei materiali bi-componenti, che sono quelli di nostro interesse, questi sono prevalentemente formati da una matrice e da un materiale di rinforzo che si può presentare in diverse forme.

Fig: Classificazione dei materiali compositi.

I materiali compositi hanno quattro grandi vantaggi rispetto ai materiali da costruzione tradizionali: sono leggeri, molto rigidi, possono essere facilmente modellati in diverse forme e sono estremamente resistenti. Oggi, i materiali compositi in fibra di carbonio sono utilizzati nella costruzione di gran parte del telaio di una vettura di Formula1, inclusa la monoscocca (carrozzeria e telaio monoblocco), sospensioni, ali e copertura del motore, così come altri componenti come la scatola del cambio.

Con le più evolute tecniche di indagine e simulazione FEM, negli anni si sono raccolte una quantità ingente di informazioni tecnologiche e di risultati prestazionali dei suddetti componenti.


Fig: Strutture in carbonio.

l futuro tecnologico dei  materiali usati in F1 potrebbe essere un nuovo volano verso l’obiettivo di un equilibrio tra sviluppo e rispetto ambientale, in un momento storico in cui questo è prioritario; un esempio per tutti è l’utilizzo del carbonio, che non è solo prerogativa delle auto da competizione ma anche dei veicolo ibridi. Infatti è sfruttato anche nello sviluppo di contenitori di gas in pressione, grazie alla sua proprietà di contenere i gas stessi, o nelle Fuel Cell, pile a combustibile, ossia dispositivi elettrochimici che permettono di ottenere elettricità direttamente da certe sostanze, tipicamente da idrogeno ed ossigeno, senza che avvenga alcun processo di combustione termica; e questo dimostra l’importanza di uno sviluppo incessante in questo ambito.

Fig: Schema di alcune innovazioni in ambito materiali veicoli.

Ing. Daniele Musco

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