Modellazione multibody e analisi dinamica di motori monocilindrici

INTRODUZIONE 
La seguente tesi è stata redatta in seguito all'attività di tirocinio svolta presso l'ufficio calcolo 
e simulazione di HPE, situata a Modena, azienda che fornisce consulenze ingegneristiche nel 
settore motorsport, automotive, automazione e in quello della difesa. 
Questa attività si colloca proprio nella prima macrocategoria, andando a studiare il 
comportamento dinamico di un motore monocilindrico da test, utilizzato da HPE, in 
collaborazione con Ferrari GeS, per lo sviluppo della power unit della monoposto che partecipa 
al campionato di Formula Uno. 
Il motore mono è uno strumento di sviluppo molto importante che utilizzano tutte le case 
costruttrici di propulsori da competizione e non solo, proprio in questo periodo infatti Ferrari 
è in procinto di applicare tale tecnologia anche alla divisione GT, la quale si occupa delle auto 
da turismo. Poiché è uno strumento largamente usato ma che è perlopiù sconosciuto ai non 
addetti ai lavori, si è scelto di riservare, in questa trattazione, buona parte del capitolo 
introduttivo ad un approfondimento che spieghi i principali vantaggi che questo porta, in un 
settore come quello dei motori da competizione, pieno di soluzioni non canoniche e 
componenti innovative da testare. 
All'interno dell'azienda HPE è presente una sezione dedicata ai test del motore 
monocilindrico, in sale prova appositamente progettate, che fornisce dati sperimentali su 
combustione, andamento delle pressioni, carichi termici e altro, da affiancare poi alle analisi 
fluidodinamiche (CFD ID e CFD 3D) svolte all'interno dell'ufficio calcolo mediante l'utilizzo di 
software specifici. 
Obiettivo principale di questa tesi è quello di creare un modello che possa simulare il 
comportamento dinamico del mono e possa fornire risultati importanti per lo sviluppo, sia in 
fase preliminare, per verificare la fattibilità di determinate soluzioni prima di passare alla fase 
di testing, che in parallelo alla sperimentazione, in modo da avere un doppio check della bontà 
dei risultati ottenuti. 
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Introduzione 
In particolare è la prima casistica quella più importante, un modello completo del motore 
permette infatti di fornire risultati su nuove configurazioni variando solo alcuni dei parametri 
all'interno del software, con tempi di attesa praticamente nulli se confrontati a quelli necessari 
per la prototipazione di nuovi componenti, l'installazione, il testing, l'acquisizione e il post-
processing dei dati ottenuti. 
L'ambiente multibody[l] scelto per questa attività è il pacchetto GT-Suite, tale scelta ricade 
nell'esigenza dichiarata di avere un modello affidabile, veloce, ma anche completo. Una delle 
principali peculiarità di questo software è infatti quella di contenere al suo interno il 
programma GT-Power, che rappresenta lo standard per le simulazioni fluidodinamiche 
monodimensionali. Potendo interfacciarsi con tale modulo è chiaro quindi che si possa 
simulare, in un solo ambiente, il funzionamento del motore in tutto e per tutto. 
Obiettivo collaterale dell'attività è quello di andare a valutare, mediante software, casistiche 
non contemplate dai test; essendo infatti quest'ultimi finalizzati ad andare a caratterizzare il 
motore nel range di funzionamento per cui è stato concepito, è chiaro che non verranno 
analizzati regimi sotto i 5000 giri al minuto o oltre i 15000, limite regolamentare imposto dalla 
FIA'. Attraverso il modello è invece possibile andare a vedere il comportamento di questo 
oltre tali soglie e valutare la possibilità di utilizzarlo per altre applicazioni, sia commerciali che 
rimanendo all'interno dei motori da competizione. 
AI fine di possedere una visione completa del problema in esame, in primis si è cercato di 
reperire quante più informazioni possibili riguardo i motori da competizione, in particolare le 
soluzioni adottate nel campionato di Formula Uno, e i motori da test. Essendo argomenti che 
non vengono affrontati a livello accademico e piuttosto sensibili per le aziende che se ne 
occupano, la letteratura a riguardo è davvero scarsa, se non inesistente. 
Informazioni a proposito dei motori da Formula Uno sono state quindi ricavate dalla 
consultazione di siti web di appassionati del settore e dai dati forniti pubblicamente dalla FIA 
1 Fédération Internationale de l'Automobile, regola il campionato di Formula Uno attraverso un organo preposto, 
denominato WMSC, World Motor Sport Counei/. 
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Introduzione I 
[2]; per quanto riguarda i motori mono si è invece sfruttato il know-how aziendale, maturato 
in questi anni di collaborazione con Ferrari GeS. 
La conoscenza delle caratteristiche e delle peculiarità di questi motori ha permesso di mettere 
bene a fuoco quali fossero gli obiettivi del modello, su quali grandezze sarebbe dovuta 
ricadere la maggior attenzione e quali, invece, potessero essere semplificate. 
Da questo studio preliminare sono infatti emersi quali sono i problemi principali di tali motori, 
quali sono le grandezze che vengono rilevate a banco prova e quali sono i parametri che più 
ne influenzano il comportamento dinamico, per citare alcuni esempi: 
i dati sperimentali riguardanti albero a gomiti e alberi a camme sono quelli di SCAM e 
SMOT, ovvero segnali che registrano la velocità torsionale degli stessi, per questo si è 
deciso di effettuare di questi un'analisi torsionale trascurando il contributo 
flessionale, ipotesi semplificativa avvalorata dalla lunghezza davvero esigua degli 
alberi; 
alcuni dei fenomeni più importanti da osservare sono il rimbalzo valvola e il lancio 
valvola [3], si è perciò modellata finemente la geometria del sistema camma­
bilanciere-valvola, tenendo conto dei giochi e analizzando la variazione della 
flessibilità del bilanciere a dito al variare dell'angolo di pressione. 
Terminata la fase preliminare, si è proceduto alla creazione del modello all'interno 
dell'ambiente GT-Suite, il software opera seguendo una modellazione a parametri concentrati 
[4], come spiegato nei capitoli 3 e 4 di questa tesi. Tutti i parametri richiesti sono stati ricavati 
dal modello CAD del motore, da modellatore FEM, da tavole o da dati forniti su richiesta 
dall'azienda. 
Per arrivare alla creazione di un modello Full, completo cioè di banco prova, albero a gomiti, 
imbiellaggi, cascata di ingranaggi e sistema di distribuzione, si è deciso di passare prima per la 
creazione di più modelli indipendenti e successivamente all'assemblaggio degli stessi, sia per 
facilitare lo studio di influenza di alcuni parametri nella simulazione, sia per avere modelli più 
snelli da utilizzare separatamente per studi particolari o per confronti tra gli stessi. 
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Introduzione 
Fase successiva è stata quella di andare a verificare che tale tipo di modellazione fosse 
corretta, è stato quindi effettuato un confronto di frequenze e modi di vibrare [5][6] tra i 
modelli creati in GT-Suite e quelli analizzati mediante un'analisi agli elementi finiti. 
Tale comparazione ha evidenziato errori relativi inferiori al 3% sulla prima frequenza 
torsionale, confermando l'assenza di errori grossolani di approssimazione. 
Nella fase di studio dei risultati si sono processati i segnali più significativi per la 
caratterizzazione del funzionamento del motore e sono stati effettuati diversi confronti per 
vedere come alcune parti influenzino il comportamento delle altre. Ad esempio, valutazioni 
dell'FFT della torsione relativa dell'albero a camme hanno evidenziato come non siano 
presenti frequenze proprie dell'albero a gomiti [7], confermando che i due sistemi sono 
disaccoppiati e che la cascata di ingranaggi è quindi dimensionata opportunamente. 
Particolare attenzione è stata posta sull'elemento che collega il banco prova all'albero a 
gomiti, dalle simulazioni si è infatti reso evidente un problema di accoppiamento ai bassi 
regimi già noto dai rilievi sperimentali. Si ha infatti la presenza di fenomeni di risonanza a 1250 
e 2500 RPM che portano il millerighe 2 ad una torsione ben oltre il limite a rottura, 
corrispondenti rispettivamente a ordini motori
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1 e 0.5. Tale problema porta all'impossibilità 
di effettuare test a bassi regimi e alla necessità di avere una fase transitoria più veloce 
possibile, in modo da portare il motore a velocità più alte senza innescare tali fenomeni. 
Come ultima fase dell'attività si sono quindi analizzate in dettaglio tali difficoltà e si è cercato 
di proporre delle possibili soluzioni, mettendo in evidenza per ognuna aspetti positivi e 
negativi [8]. 
Infine per concludere, si è cercato di effettuare una progettazione di massima della soluzione 
ritenuta migliore, in modo da dare un senso pratico e tangibile ai risultati teorici ottenuti e 
verificarne la fattibilità costruttiva. 
2 Nome tecnico del!' elemento accoppiante, quillshaft in Inglese, descritto più approfonditamente nel capitolo S. 
3 Per le analisi in frequenza relative ad organi rotanti si fa solitamente riferimento agli ordini motori piuttosto 
che alle frequenze in Hz, tale concetto è approfondito nel capitolo 3. 
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CAPITOLO 1: 
IL MOTORE "MONO" 
Il motore monocilindrico oggetto di questa tesi è uno strumento di sviluppo utilizzato per il 
testing meccanico di parti motore e per l'ottimizzazione dei processi di combustione, 
operazioni volte al potenzia mento della power unit Ferrari montata a bordo della monoposto 
che partecipa al campionato di Formula Uno. 
Essendo argomenti poco conosciuti a livello accademico, in questo capitolo si introducono 
brevemente alcune nozioni sul tipo di motori che viene utilizzato in tale categoria e 
sull'importanza ricoperta dal mono per lo studio di soluzioni innovative e di nuovi componenti. 
1.1 Motori Formula Uno 
Dal 1950, anno del primo campionato di Formula 1, ad oggi le soluzioni adottate peri motori 
sono state le più disparate, sia dovute al progresso tecnologico avvenuto, sia agli innumerevoli 
cambiamenti regolamentari. 
Dopo il lungo periodo in cui le vetture si sono convertite forzosamente ai motori aspirati 
(1989-2013), dal 2014 sono previsti motori V6 turbo da 1600 cm
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con sistema di 
sovralimentazione costituito da turbina, compressore ed un motore elettrico, montato tra i 
due componenti oppure a monte. 
I motori turbo sono una tipologia di motore che presenta incontrovertibili vantaggi ma anche 
fattori negativi di cui tener conto. Sono in ballo pressioni, velocità periferiche, regimi di 
rotazione, temperature, sollecitazioni e stress elevatissimi e richiede, pertanto, una 
progettazione particolare, meticolosa: dal disegno e lo studio di turbina e compressore 
all'accoppiamento motore-turbocompressore, dai materiali al controllo delle temperature e 
così via. 
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