Riassunto analitico
Questa tesi si basa sul lavoro di tirocinio svolto presso il Gruppo Meccanica Autotelaio di Ferrari GES. L’argomento è l’analisi del precarico dei cuscinetti del gruppo ruota della monoposto di Formula 1. Il regolamento 2014 di F1, per il contenimento dei costi, impone, nella realizzazione dei portamozzi, di utilizzare una lega di alluminio con coefficiente di dilatazione termica superiore del 30% rispetto a quello della lega usata fino alla stagione 2013. Pertanto, al fine di adeguarsi a questo cambiamento, si è dovuto riprogettare il portamozzo, e ripristinando l’adeguato precarico dei cuscinetti ruota. Le moderne Formula 1 non utilizzano un singolo cuscinetto ruota a doppia corona di sfere come nelle recenti esecuzioni stradali, bensì utilizzano una coppia di cuscinetti obliqui, montati in configurazione ad “O” separati da un distanziale. Tale configurazione permette di creare reazione ai momenti flettenti creati dalle spinte di deriva e reazioni a terra, forze che si scaricano sullo pneumatico nella zona di contatto a terra. Affinché i cuscinetti abbiano la vita desiderata, essi devono essere precaricati assialmente, attraverso una ghiera filettata, avvitata al mozzo. L’entità del precarico è tarata attraverso la lunghezza assiale del distanziale. Date le differenze rilevanti tra i coefficienti di espansione termica dei materiali impiegati per le diverse componenti dell’assieme, e il fatto che l’assieme, in esercizio, regimi a temperature sensibilmente più alte rispetto a quella in fase di montaggio, gli effetti termici risultano il cuore del problema. Nella prima fase del lavoro di tesi si è analizzato il problema e si è lavorato ad un modello analitico che descrivesse il fenomeno, sulla base di studi già fatti dalla Ferrari. È stato inoltre investigato il piantaggio radiale dei cuscinetti nei portamozzi, per l’influenza che quest’ultimo ha nel precarico. Nella fase successiva si effettuata la raccolta dei dati necessari all’applicazione del modello alle monoposto delle ultime 3 stagioni, al fine di capire la situazione attuale e degli anni recenti. Il rapporto tra coppia di serraggio della ghiera e conseguente tiro assiale è stato determinato attraverso delle prove sperimentali. Uno dei primi esemplari testati in pista è stato afflitto da fenomeni di pitting del cuscinetto, questo ha fatto rivolgere l’attenzione verso la pressione di contatto tra corpi volventi e piste. Sono stati quindi svolti dei calcoli di stima delle pressioni di contatto sfruttando i risultati della teoria di Hertz. Il successivo passo è stata la validazione del modello per mezzo di rilevamenti sperimentali della coppia di trascinamento della ruota, indice del precarico assiale dell’assieme cuscinetti. Inoltre sono state ricercate e messe a punto procedure sperimentali per la misura del precarico assiale del cuscinetto ruota. Le informazioni così ottenute, insieme ai feedbacks ricevuti dal fornitore SKF, sono stati sfruttati per mettere a punto i nuovi portamozzi per la stagione corrente.
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Abstract
This thesis is based on the work done during an internship in the Ferrari Formula 1 team, within the Vehicle Mechanical design group.
The new F1 regulations for the 2014 season dictate many cost saving based rules. For example upright materials are to be chosen respecting a list of aluminum alloys allowed. The new material chosen for uprights having a thermal expansion coefficient 30% greater than the old alloy used in the 2013 season.
For wheel assemblies, road cars employ double race bearings, whereas modern F1 cars use two single row ball bearings mounted in “O” configuration and a spacer that allows to apply the correct preload . This configuration maximizes the lever-arm of the bearing, reacting to the bending moment applied through the axle.
The correct axial preload of the assembly ensures the optimum bearing life. Axial preload is imposed by tightening a nut on the hub, that axially clamps the pair of bearings divided by the spacer to the upright. The entity of preload is tuned by changing the axial length of the spacer.
The thermal expansion has a large effect on the preload of the bearings due to the different thermal expansion coefficients of the materials used for the various components within the assembly.
The high operating temperatures with respect to the initial assembly conditions can create further problems.
At the early phase of the thesis an analytical model was able to predict the bearing preload within the expected working temperature employing data from previous Ferrari studies. Data was then collected to apply the model to the race cars of the last three seasons allowing us to investigate the recent trends in terms of wheel bearing preload. The ratio between the initial tightening torque and axial clamping of the axle was then investigated through experimentation. A prototype mounting the new upright configuration was produced, but this experiment failed due to bearing pitting. This result draw attention to the possible interaction between the varying contact pressures between the balls and races. Calculations were then carried out applying Hertz theory. Validation of the analytical model was then done by experimentally measuring the drag torque of the axle, this being an index of bearing preload. Further experimental procedures were then developed to investigate the wheel bearing axial preload indexes. Thanks to the information acquired and feedback from SKF the new wheel bearing assembly was fine tuned in time for the first race.
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