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Cerchioni in carbonio: leggerezza a tutto tondo

Il team Dynamis PRC, reparto corse del Politecnico di Milano che corre in Formula Student, non si accontenta e progetta in casa anche i cerchioni del suo prototipo. Obiettivo? Minimo peso e massima performance.

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Dopo essersi affidati a cerchi in magnesio da 13”, di produzione esterna, per diverse stagioni, i ragazzi  dell’ateneo meneghino hanno deciso di sviluppare da loro un set utilizzando la fibra di carbonio. Così, nella stagione 2019, il team ha corso nella categoria “combustion” con una vettura dotata di cerchioni in carbonio full carbon interamente progettati da loro. Per la stagione 2020 il passaggio alle competizioni tra vetture completamente elettriche ha portato ad una ulteriore riprogettazione del gruppo ruota. 

Nuovi gruppi ruota 

Il cerchione con canale in carbonio e razze in alluminio anodizzato. (gommato e con mozzo e dado)

In questa categoria full electric, le vetture da Formula Student sono spinte solitamente da quattro motori  elettrici: uno per ruota, montati, quantomeno parzialmente, all’interno del cerchione del veicolo da corsa.  Questo è proprio il motivo per cui, in gergo, si parla di gruppo motoruota. Essendo che i motori vengono  comprati da fornitori, la parte su cui i giovani studenti si possono concentrare nella progettazione, per ottenere la massima performance, sono proprio i cerchioni. 

Cerchioni in carbonio: ottimizzazione motoruota 

Per una migliore concentrazione delle masse e per rispettare le geometrie ottimali del veicolo ai fini delle  prestazioni in pista, un obiettivo da perseguire per i ragazzi del Dynamis PRC era quello di posizionare quanto più all’interno del cerchio il propulsore elettrico. Questo si scontrava con le geometrie ottenibili per realizzare i cerchioni full carbon usati nella stagione 2019.

Dunque gli ingegneri del team, o aspiranti tali (sì perché molti dei ragazzi del team non sono ancora neanche laureati triennali), hanno trovato una soluzione intermedia: progettando un canale, molto leggero, laminato in carbonio, da unire a delle razze in alluminio anodizzato. Il  cerchione ha dunque una struttura ibrida tra questi due materiali.

Il canale in carbonio 

Uno dei nemici principali di ogni vettura da corsa è l’inerzia dei vari componenti in movimento che porta ad una diminuzione delle prestazioni. Nei cerchioni delle vetture questa è concentrata in maggior parte nel canale in quanto alla proporzionalità diretta del raggio nella formula del momento d’inerzia stesso.

L’altra componente ovvia che lo genera è la massa. Andando quindi ad agire sulla massa del canale del cerchio si ottiene una riduzione netta di  questo momento. Per questo motivo il team ha sviluppato un canale in fibra di carbonio: minimizzando le masse rispetto anche all’utilizzo di leghe leggere

La stesura delle pelli di carbonio sullo stampo in alluminio

Cerchioni in carbonio: produzione del canale

I ragazzi del politecnico si occupano della realizzazione del canale fino al passaggio della cottura in autoclave, dove si affidano a sponsor. Dunque hanno anche progettato uno stampo in alluminio su cui vanno stese con perizia le pelli di carbonio. Per far questo hanno tenuto conto delle dilatazioni termiche che subisce lo stampo una volta in cottura in autoclave e hanno usato tolleranze strettissime nella realizzazione dello stampo stesso. 

Questo ha permesso di raggiungere valori di eccentricità del cerchione dell’ordine dei centesimi di millimetro. Una volta stese le pelli sullo stampo, i ragazzi del politecnico mettono il tutto sottovuoto in un sacco apposito e  mandano in cottura dallo sponsor. Una volta pronto, ritirano il canale e lo estraggono dallo stampo disassemblabile che viene poi preparato per un altro utilizzo. Questo è dovuto al fatto che realizzando lo stampo in alluminio, questo è perfettamente riutilizzabile.

Lo stampo completamente laminato, preparato nel sacco sottovuoto, pronto per essere portato in cottura in autoclave stampo

Le razze in alluminio anodizzate

Per le razze del cerchio della loro vettura da corsa hanno dunque scelto l’alluminio, che una volta portato alla  geometria prestabilita viene anodizzato. Questa geometria è stata ottenuta grazie ad una indagine topologica degli sforzi che il cerchione avrebbe dovuto sostenere. In questo modo i progettisti del team hanno individuato le zone dove si sarebbero concentrati gli sforzi e hanno creato una struttura che servisse solamente a supportare questi. Riducendo allo stretto indispensabile il materiale usato, dunque minimizzando ancora una volta la massa. Le razze sono realizzate con una fresa a 5 assi da un loro sponsor.

Cerchioni in carbonio: il montaggio dei due componenti

Il montaggio dei due componenti è una fase delicata e deve avvenire con estrema precisione. Per questo la  squadra si affida ad uno sponsor: quest’ultimo crea una base perfettamente piana su cui fissa in posizione le razze, afferra il canale e lo spinge facendovi inserire all’interno le razze stesse e creando un perfetto  accoppiamento conico tra i due componenti.

A questo punto può ruotare l’intero assieme, mantenendo il contatto ottenuto precedentemente tra le parti, e in una singola operazione per ogni razza, forare canale e razza stessa, inserire boccola, vite e guarnizioni. Così facendo è sicuro che l’accoppiamento tra i due componenti sia perfetto.

Il confronto con il predecessore full carbon

Prototipo della stagione 2019, denominato DP11, mentre compete nella tappa italiana “FSATA” (in cui vincerà nella sua categoria), equipaggiata con il modello di cerchioni “Full carbon” a tre razze.

Come già detto, il team Dynamis PRC in una precedente stagione aveva realizzato un modello di cerchione interamente in carbonio. Nonostante quest’ultimo modello invece abbia dovuto essere realizzato con la parte delle razze in alluminio, i ragazzi, grazie alla loro continua evoluzione, sono riusciti a far sì questo pesi addirittura meno del suo predecessore full carbon. Infatti in totale il cerchione per il prototipo del 2021 arriva a pesare intorno a soli due chilogrammi.

A cura di Lorenzo Roberto Pracchi

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