DAS Mercedes: come cambiano le prestazioni degli pneumatici

Come tutti avrete ormai visto, il DAS presentato dalla Mercedes consente di variare la convergenza delle gomme, semplicemente spingendo o tirando il volante. Con questo meccanismo si punta ad ottimizzare la gestione complessiva degli pneumatici, avendo maggior influenza sulla gestione termica e dunque sull’aderenza nei momenti più critici. Finora abbiamo potuto semplicemente ipotizzare cosa succedesse alle gomme, ma uno studio universitario, pubblicato da MegaRide, in collaborazione con VI-grade, dà una risposta più tecnica e con modelli completamente nuovi per analizzare come variano le prestazioni con il DAS.

Prima di analizzare nel dettaglio lo studio, ci terrei a spendere un paio di parole sugli autori della ricerca. Megaride è una startup particolarmente giovane, che analizza e propone soluzioni innovative per tirare fuori il massimo grip e le massime prestazioni possibili da uno pneumatico. Si tratta di una realtà partenopea, essendo stata fondata da Flavio Farroni, Aleksandr Sakhnevych e Francesco Timpone, professori di Ingegneria Industriale alla Federico II di Napoli. VI-Grade, invece, opera nell’ambiente dei software per la simulazione in ambito automotive. Parliamo dunque di simulazione di dinamica del veicolo. Gli autori dello studio sono gli ingegneri Giuseppe Tranquillo, Antonio Sorrentino e Vince Van.

Abbiamo già spiegato il meccanismo del DAS e il perché risulti regolare per quest’anno. Lo studio, però, analizza una simulazione di gara completa effettuata sul circuito di Shanghai per comprendere e quantificare gli effetti del DAS della Mercedes. In particolare, hanno analizzato il comportamento termico degli pneumatici. Come riferimento hanno simulato una monoposto da Formula 1 del 2019 modellata in un ambiente chiamato VI-CarRealTime. L’effetto del DAS è stato simulato utilizzando Simulink. In sintesi, dunque lo studio è composto da quattro perni principali: modello per la realizzazione virtuale di una monoposto di F1, modello per la simulazione della fisica degli pneumatici, DAS realizzato virtualmente con Simulink e, infine, analisi dei risultati.

DAS Mercedes: cos’è VI-CarRealTime?

VI-CarRealTime è un software di simulazione dei veicoli in tempo reale per gli ingegneri che desiderano valutare rapidamente la maneggevolezza e le prestazioni di guida di un veicolo. VI-CarRealTime utilizza un modello di veicolo concettuale a 14 gradi di libertà. Lo studio garantisce che la precisione dei risultati è molto elevata. L’aumento dell’efficienza consente anche di trasferire i dati tra gli ingegneri in maniera più facile e veloce in tutte le fasi di sviluppo.

Grazie a VI-CarRealTime è possibile portare la guida di un veicolo al limite, senza necessitare di risorse particolarmente ingombranti. Grazie a VI-Driver MaxPerformance, inoltre, è possibile stabilire la velocità massima di un’auto su una determinata traiettoria in maniera completamente automatica. La velocità massima viene calcolata dal software valutando la distanza del percorso, i limiti della velocità di imbardata, la massima velocità longitudinale ed infine la possibilità di bloccare le ruote. È possibile simulare l’effetto del DRS, dunque dell’ala posteriore mobile usata in Formula 1 per facilitare i sorpassi e la funzione dell’ERS.

Lo studio sul DAS

Innanzitutto, sono state ricreate le prestazioni di una vettura di Formula 1. Sono stati considerati come parametri di riferimento alcuni valori. Tra i fattori valutati, ci sono anche la velocità massima, l’influenza aerodinamica sull’accelerazione, sull’aderenza e sulla frenata. Da queste considerazioni, hanno estrapolato dei valori concreti: accelerazione 0-100 km/h in 2.83 secondi, 0-200 km/h in 4.66 secondi, e lo spazio di frenata. Hanno considerato che da 100 a 0 km/h ci vogliono 17 metri di pista e da 200 a 0 km/h ce ne vogliono 64 metri.

I dati della simulazione sono talmente efficienti, da aver ottenuto dei riscontri cronometrici molto simili a quelli della pole position dello scorso anno. Hanno considerato 20 kg di carburante e mappatura motore sulla massima potenza. La differenza tra i tempi reali e quelli ottenuti con la simulazione era di circa mezzo secondo. Una sfida particolarmente ardua è stata simulare il comportamento degli pneumatici.

In particolare, ci sono diversi fattori nella realtà da considerare: temperatura degli strati interni dello pneumatico, pressione interna, rugosità dell’asfalto e condizioni di lavoro del pneumatico. Il comportamento cambia, logicamente, anche in base alla mescola. Per questo motivo, è stato sviluppato un modello chiamato RideSuite grazie al quale è possibile considerare fenomeni di usura, temperatura e attrito all’interno della dinamica degli pneumatici in diverse condizioni di lavoro.

La complessa fase di simulazione del comportamento dello pneumatico

Il modello tiene conto della generazione di calore all’interno della struttura dello pneumatico dovuta al contatto con l’asfalto e delle deformazioni durante il rotolamento delle gomme. Tiene conto anche di tutti gli scambi di calore con l’ambiente esterno, ma anche con l’ “area interna” al cerchio, sia per conduzione che per convezione. La modifica della pressione di gonfiaggio influisce anche sulla forza degli pneumatici e sulle caratteristiche dello stesso. Ciò accade perché i cambiamenti nella pressione di gonfiaggio alterano le dimensioni, la forma e la distribuzione della pressione di contatto nell’impronta dello pneumatico. In generale, aumentando la pressione di gonfiaggio, la dimensione dell’impronta si ridurrà, aumenterà la pressione di contatto vicino al centro dell’impronta e consentirà una minore distorsione degli pneumatici.

Quello che è stato analizzato è che la temperatura media degli pneumatici tende a diminuire, con una prima fase di riscaldamento e successiva costanza termica. Il motivo della riduzione sarebbe da attribuire all’usura. Quest’ultima, infatti, riduce lo spessore del battistrada, perciò c’è un volume minore per la generazione di calore. Nell’immagine sotto, è possibile vedere come varia la temperatura degli pneumatici FR (front right, anteriore destra) FL (front left, anteriore sinistra), RR (rear right, posteriore destra), RL (rear left, posteriore sinistra) in un giro. Dunque, ogni “disegno” del circuito corrisponde alle temperature di uno dei quattro pneumatici.

La modellazione del DAS Mercedes tramite Simulink

L’ipotesi alla base della simulazione è che il DAS Mercedes va a variare solo ed esclusivamente la convergenza, senza intaccare la campanatura. È stato supposto dagli autori della ricerca di andare a modificare la convergenza, e dunque agire sul “secondo asse” del volante, in punti specifici del circuito di Shanghai. Tali punti sono principalmente i tre rettilinei del tracciato, come mostrato nell’immagine sotto.

Per vedere l’effetto del DAS, sono stati simulati dei giri senza tale effetto e dei giri con il DAS attivabile. Come mostrato nell’immagine sotto, quando il DAS viene attivato, l’angolo di convergenza delle ruote anteriori diminuisce notevolmente. La resistenza all’avanzamento diminuisce del 20% nei lunghi rettilinei. La velocità massima aumenta di circa 2 km/h.

Facendo un rapido calcolo, dunque, ci sono tre rettilinei in cui con il DAS si ha un vantaggio di 2 km/h in più rispetto agli avversari. Un’altra analisi ha visto due test di 6 giri sul circuito di Shanghai. Il primo test è caratterizzato dall’aver simulato 6 giri del circuito senza DAS. Il secondo test, prevede 4 giri senza DAS e 2 giri col DAS azionabile. È stato verificato che con il DAS azionabile gli pneumatici hanno una distribuzione delle temperature più omogenea. Questo aiuta, azionandolo in maniera “sensata”, a ridurre i fenomeni aggravanti del riscaldamento irregolare dello pneumatico. Dunque, aiuta a ridurre il fenomeno del graining, ma riduce anche lo shock termico. Dunque in condizioni di gara potrebbe rappresentare un importante vantaggio.

Le conclusioni dello studio sul DAS Mercedes

I risultati hanno mostrato che il DAS Mercedes influenza leggermente la velocità massima del veicolo a causa della resistenza aerodinamica e della riduzione dell’attrito dei pneumatici in rettilineo. Risultati significativi sono stati ottenuti analizzando il comportamento termico dei pneumatici in un periodo di sei giri in cui gli ultimi due giri sono stati simulati con e senza il DAS. In particolare, a causa del minore attrito, legato alla diminuzione dell’angolo di convergenza, la simulazione segna un abbassamento delle temperature. Tali risultati possono essere interpretati come un vantaggio nel caso in cui l’evoluzione dinamica dello pneumatico porti a una condizione di surriscaldamento.

Nel grafico sopra sono stati evidenziati gli effetti della temperatura sulla rigidità dell’assale anteriore del veicolo. In generale, la rigidità è minore all’aumentare delle temperature. Il comportamento di sovrasterzo/sottosterzo del veicolo può essere gestito, grazie alla disponibilità del DAS, da un ulteriore “elemento di sintonizzazione” che può dare al pilota la possibilità di agire sul modo in cui lo pneumatico va a contatto con l’asfalto. In questo modo si va a modificare anche l’aderenza della vettura stessa. Lo studio completo nel dettaglio può essere consultato qui.