Optimizing Impianto Frenante: sveliamo i segreti del Brake-by-Wire delle Monoposto

Con l’avvento della propulsione ibrida in Formula1 nel 2014, è ritornato un caro vecchio amico dei progettisti di monoposto: il sistema Brake-by-Wire, è così che si frena adesso in Formula 1. Sul sito potrete trovare numerosi approfondimenti in tema frenata F1. Oggi tuttavia concentriamo l’attenzione su questa tecnologia, andando a definire quelle che sono le peculiarità, vantaggi e svantaggi.

Il sistema è abbinato al gruppo motogeneratore posteriore (Motore a combustione interna + sistemi di recupero dell’energia), in particolare al MGU-K (Motor Generator Unit-Kinetic).

MGH–K:

Questo sistema è abbinato al gruppo endotermico e può funzionare sfruttato dal motore o come generatore.
Durante la fase di accelerazione, per aggiungere circa 165 CV in più al gruppo termico, sfrutta l’energia cinetica accumulata in fase di frenata dalle ruote posteriori. Quest’energia cinetica si converte in energia elettrica nel MGU-K, il quale fornisce questo surplus di energia (meccanica) direttamente all’assale posteriore. Si può arrivare, mediante questo surplus, sino a 75.000 giri/1′ e 200 Nm di coppia massima trasmissibile.

Durante la fase di decelerazione, invece, esso viene utilizzato come generatore di coppia frenante/resistente. Il generatore sfrutta la variazione di energia cinetica dell’albero motore, per imprimere un’energia elettrica resistente (una sorta di freno motore). Si riesce a gestire una buona percentuale della frenata sull’assale posteriore in funzione della richiesta del pilota. L’energia cinetica che non riesce ad essere convertita, viene automaticamente dissipata in energia termica tramite i freni carboceramici, i quali dissipano meglio, per la struttura molecolare del composito, il calore.

E’ una sorta di evoluzione del KERS (Kinetic Energy Recovery System) utilizzato in fase di sorpasso per aumentare la potenza della monoposto in caso di malfunzionamenti.

Maggiori dettagli tecnici legati al regolamento F1 e alla tecnologia MGH-U e MGH-K potrete trovarli in questo articolo di casa Vehicle CuE: Clicca qui.

Brake–by–Wire:

Per gestire questa complessa fase di frenata sul posteriore, garantita da pompe freni + motogeneratore di frenata, abbiamo bisogno di un sistema elettronico di gestione frenata: ecco dove spunta il B-b-W.

Inizialmente questo sistema fu bandito dalla FIA, poiché lavorava in simbiosi con l’ABS, un vero e proprio aiuto a livello elettronico per il pilota. Andando a bandire tutti i controlli di guida supplementare e ABS, passò il secondo piano anche il sistema B-b-W. Con la propulsione ibrida e con la gestione MGU-K, è di nuovo sensata la sua presenza.

Funzionamento:

Essenzialmente viene rimosso il collegamento idraulico diretto tra pedale del freno e ruote; il sistema si frammenta in componenti elettriche/elettroniche e idrauliche. Nel momento in cui si aziona il pedale del freno, viene inviato un segnale di ingresso alla centralina elettronica, la quale elabora il segnale e manda un impulso alle due pompe idrauliche anteriori. Quest’ultima con un moltiplicatore di pressione, aumenta la pressione nel circuito idraulico dell’impianto frenante anteriore e imprime una forza di spinta per i pistoncini mobili della pinza freno.

Il sistema svincola anteriore e posteriore; e a sua volta parzializza l’effetto frenante in funzione dello spostamento del carico in curva e in zona frenata (in base alla pressione sul pedale). Il segnale elaborato dalla centralina manda in pressione la pompa posteriore, la cui pressione, a valle della stessa, viene ridotta da un’unità di riduzione mediante valvola per poi frenare in modo tradizionale. Contemporaneamente un ERS-K, che contiene le unità MGU-K e MGU-H precedentemente citate, converte l’energia di pressione (ridotta) nel circuito, in un energia elettrica, o meglio dire, un vero e proprio segnale da analizzare da parte del MGU-K, il quale regola la quantità di energia da sottrarre nel funzionamento da motogeneratore di coppia frenante/resistente.

La pressione nel circuito idraulico posteriore è ovviamente ridotta per via della presenza dell’azione frenante motogenerata. Il bilanciamento del sistema Brake By Wire avviene proprio in corrispondenza del riduttore di pressione posteriore.

La centralina come lavora?

La centralina comunica con l’intero impianto frenante e ha la funzione di gestire la pressione in circuito e azionare il generatore elettrico per gestire elettronicamente (in modo più efficiente) la coppia frenante. In ogni istante, sotto complesse stringhe di codice, vi sono degli interrogativi a cui farà riferimento la centralina:

• La batteria necessita di carica o è già carica?
• La tensione elettrica indotta dal motogeneratore rientra nei limiti d’esercizio delle batterie? (Da qui il limite sul funzionamento di un accumulatore di energia, che per l’appunto funziona e recupera solo quando l’unità di accumulo/ batteria risulta scarica e non in ogni istante). Bisogna evitare i sovraccarichi.
• C’è bloccaggio delle ruote (per i veicoli stradali)? Non a caso per questa serie di veicoli, l’ESP e l’ABS coincidono con la centralina stessa.

Vantaggi:

Apparentemente sembra che non sia chissà che grande novità questa tecnologia, tuttavia se ben tarata (la centralina) è in grado di aumentare il comfort di guida e l’efficienza di frenata: e non di poco!

Problemi in frenata si sono visti di continuo nel mondo delle competizioni di Formula1. Sicuramente i più esperti ricorderanno alcuni episodi interessati da analizzare in merito (magari provate a commentare con alcuni di questi).
La vera e propria difficoltà consiste nel riuscire a creare un modello matematico che simuli e regoli il funzionamento dell’intero sistema. Più questo risulterà affine alla realtà, più l’adozione di questa tecnologia risulterà proficua.

La Mercedes è stata padrona in questo, sono riusciti ad unire ricarica batteria e bilanciamento (motogeneratore-pompa idraulica) in frenata con risultati prestazionali davvero lodevoli.

Condizione di aderenza?

La somma della coppia frenante tradizionale e resistente elettrica deve stare al di sotto della coppia definita dalla curva limite di aderenza che definisce la condizione necessaria e sufficiente affinché vi sia aderenza del veicolo. Se la componente di coppia frenante è proporzionale alla pressione esercitata, il suo andamento matematico sarà una retta. Non si può dire lo stesso della coppia del motogeneratore, in quanto dipendendo da un segnale complesso in uscita dalla centralina non ha un andamento regolarizzato.

Inoltre il segnale dipende dalla ricarica della batteria, dal carico aerodinamico del veicolo. Ad esempio, con una bassa velocità si definisce un basso carico aerodinamico deportante e quindi la stabilità in curva diminuisce. Questa diminuzione è causata da un abbassamento istante per istante dell’aderenza del veicolo in curva e quindi la curva di frenata limite si abbassa. Ovviamente, con meno aderenza, una frenata potente creerebbe bloccaggio e annullerebbe l’effetto frenante…pattinerebbe.

Questo è ciò che c’è da sapere a riguardo.