Sviluppo ed ottimizzazione dello sterzo di un veicolo da competizione

Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato all’interno del progetto ‘Formula Student’ dell’Università di Parma e tratta del layout ottimizzato del sistema sterzante di una vettura da corsa.
Lo studio che si presenta vuole analizzare nel dettaglio il comportamento sterzante di una vettura da competizione attraverso un’attenta ricerca di quelli che sono gli aspetti caratteristici dinamici e soprattutto cinematici della vettura in curva, nonché del sistema sterzante nelle vetture da competizione e stradali, piuttosto che la valutazione degli ingombri e delle interazioni con i sistemi adiacenti. Attraverso tali studi si è arrivato a definire ed ottimizzare il layout finale del sistema sterzante. E’ stato così sviluppato un programma di calcolo con l’ausilio del software MATLAB che, trattando opportunamente le variabili e i parametri costruttivi in gioco, fornisce i risultati utili allo scopo dello studio.
A tal proposito si sono concentrati i maggiori sforzi per riuscire ad ottenere la migliore guidabilità possibile in relazione ai vincoli imposti dagli ingombri interni (telaio, posizionamento arti inferiori del pilota) ed esterni (sistema sospensivo, portamozzo, cerchio, sistema frenante).
Si è partiti dalla valutazione dei sistemi meccanici di trasferimento del moto (è stato scelto un sistema pignone-cremagliera) e dalla considerazione che la guidabilità di una vettura è determinata soprattutto dal suo comportamento in curva: sovrasterzante, sottosterzante o neutro. Quest’ultima, non conoscendo inizialmente i valori dinamici della vettura nel dettaglio, è la condizione da noi ricercata e ottenuta attraverso un accurato studio delle cinematiche che governano la sterzata e successivamente di un corretto dimensionamento e posizionamento degli elementi coinvolti.
Per raggiungere tale obiettivo si è creata una procedura di calcolo con il software MATLAB che permette di ottenere valori ottimizzati di 4 diverse variabili indipendenti opportunamente selezionate:

-coordinata di posizionamento longitudinale della scatola guida sulla vettura;
-lunghezza della linea immaginaria che collega l’asse di sterzo con il punto di attacco del tirante al gruppo ruota;
-angolo tra la stessa linea immaginaria e la sezione del portamozzo sul piano longitudinale della vettura;
-escursione della cremagliera misurata dalla configurazione a ruote dritte fino a quella di massima sterzata.

Il programma interfaccia le 4 variabili indipendenti e i vincoli di progetto. Questi ultimi tengono conto di tutti i principi cinematici alla base della sterzata che, in relazione ai parametri caratteristici della vettura inseriti dall’utente, permettono un corretto e ottimale comportamento in curva. Avviata la procedura di calcolo, eseguita attraverso l’utilizzo di algoritmi d’ottimizzazione di carattere ‘genetico’, si è raggiunta la ricercata configurazione ottimale dell’impianto sterzo.

Si sono raggiunti i seguenti risultati:
-Assenza di impuntamento e collisioni nelle varie configurazioni possibili del cinematismo sterzante;
-Angoli di sterzo compatibili con gli ingombri del sistema sospensivo e del gruppo ruota;
-Raggi di curva consoni alla manovrabilità di cui vettura e pilota necessitano durante l’utilizzo in pista.

L’ottimizzazione è eseguita in funzione dell’ottenimento del minimo valore d’errore tra la condizione di sterzata reale e quella ideale. I risultati sono molto soddisfacenti: l’errore nella parte finale della sterzata è pari ad un grado e per i gradi di rotazione-volante che il pilota ha individuati come i più frequentemente utilizzati, è pari solamente a 0°31’.

Constatato il raggiungimento degli obiettivi prefissati, si sono raccolti i dati in output del programma; essi indicano i valori ottimizzati delle variabili indipendenti e permettono la corretta progettazione dell’impianto al fine di ottenere la configurazione ottimale (Figura 6) rispetto alle condizioni scelte per un’interpretazione ottimale delle manifestazioni F.Sae.
Il presente studio è stato utilizzato per la progettazione e la realizzazione dell’impianto sterzante sulla vettura PR02 con la quale il Team PR43100 ha preso parte nel Settembre 2008 all’appuntamento italiano della competizione F.Sae sulla pista di Fiorano e sarà utilizzato per lo sviluppo dell’impianto sterzante della vettura PR03 che gareggerà nel 2009.