Un'immersione profonda nel sistema MGU-K della Formula 1 e nel modo in cui utilizza i polimeri.

L'MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic) è un componente chiave dell'unità di potenza ibrida utilizzata nelle moderne auto di Formula 1. Come parte del sistema di recupero dell'energia (ERS), l'MGU-K cattura l'energia cinetica durante la frenata e la immagazzina nella batteria dell'auto, per poi utilizzarla per fornire ulteriore potenza al motore. Questo sistema consente alle auto di F1 di recuperare l'energia che altrimenti andrebbe persa e di utilizzarla per migliorare le prestazioni e l'efficienza, allineandosi alla spinta della Formula 1 verso la sostenibilità e l'efficienza energetica. I polimeri svolgono un ruolo cruciale nella costruzione e nella funzionalità del sistema MGU-K, in particolare in aree quali l'isolamento elettrico, la gestione termica e l'integrità strutturale. Facciamo un'immersione profonda nel funzionamento del sistema MGU-K e nell'impiego dei polimeri.

Panoramica del sistema MGU-K

L'MGU-K funziona sia come generatore che come motore. Quando l'auto decelera, l'MGU-K agisce come un generatore, convertendo l'energia cinetica dell'auto in energia elettrica. Questa energia viene immagazzinata nell'Energy Store (ES), una batteria ad alte prestazioni. Durante l'accelerazione o la guida ad alta velocità, l'MGU-K passa alla modalità motore, utilizzando l'energia immagazzinata per fornire potenza supplementare al motore, migliorando le prestazioni e riducendo il consumo di carburante.

L'MGU-K è collegato all'albero a gomiti del motore e può raccogliere fino a 120 kW (161 CV) di potenza durante la frenata. Si tratta di un componente ad alta velocità e ad alta sollecitazione che opera in ambienti termici e meccanici estremi, rendendo l'uso di materiali avanzati, tra cui i polimeri, essenziale per la sua efficienza e affidabilità.

Come vengono utilizzati i polimeri nel sistema MGU-K

1. Isolamento elettrico

L'MGU-K, essendo un sistema azionato elettricamente, fa molto affidamento sui polimeri ad alte prestazioni per l'isolamento elettrico. Il sistema comprende uno statore e un rotore, il cui movimento genera elettricità. Per evitare cortocircuiti e garantire un trasferimento efficiente dell'energia, vengono utilizzati materiali isolanti come il PTFE (politetrafluoroetilene) e la poliimmide (PI) per isolare gli avvolgimenti elettrici all'interno delle unità motore e generatore.

• IlPTFE viene utilizzato per l'isolamento dei fili e il rivestimento degli avvolgimenti del motore e del generatore grazie alle sue eccellenti proprietà di isolamento elettrico e alla capacità di resistere alle alte temperature. Offre inoltre una resistenza agli agenti chimici e ai carburanti, che è fondamentale nell'ambiente difficile di un vano motore di Formula 1.
• Anche ifilm di poliimmide, come il Kapton, sono utilizzati come isolanti intorno ai componenti elettrici critici. Queste pellicole sono in grado di resistere a temperature estreme (fino a 400°C) e offrono un'eccellente rigidità dielettrica, assicurando che le correnti elettriche fluiscano in modo sicuro attraverso il sistema senza causare danni.

2. Gestione termica

Una delle maggiori sfide del sistema MGU-K è la gestione termica. La costante commutazione tra le modalità motore e generatore, unita all'elevata produzione di energia, genera un notevole calore. Per garantire che l'MGU-K funzioni in modo efficiente e affidabile in queste condizioni, in varie parti del sistema vengono utilizzati polimeri con un'eccellente resistenza al calore.

• Il PEEK (polietere etere chetone) è spesso utilizzato per i componenti che devono resistere alle alte temperature e alle sollecitazioni meccaniche, come gli alloggiamenti, i connettori e i supporti interni dell'MGU-K. La stabilità termica del PEEK garantisce che possa sopportare il calore generato durante il recupero dell'energia e il dispiegamento senza deformarsi o perdere forza. Inoltre, l'eccellente resistenza del PEEK all'usura e all'esposizione chimica lo rende ideale per questi ambienti ad alta sollecitazione.

• Per gestire la dissipazione del calore, all'interno e intorno all'MGU-K vengono utilizzati anchestrati di isolamento termico realizzati con schiume polimeriche o polimeri a base di silicone. Questi materiali contribuiscono a proteggere i componenti elettronici sensibili e a impedire che il calore si irradi ad altri sistemi critici dell'auto, come il pacco batterie e l'elettronica di potenza.

3. Riduzione del peso

Le prestazioni di una vettura di F1 dipendono in larga misura dal peso e ogni grammo conta. I polimeri vengono spesso scelti per il loro elevato rapporto resistenza/peso, consentendo agli ingegneri di ridurre il peso del sistema MGU-K senza compromettere la durata o le prestazioni. I polimeri leggeri, come i polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP), sono utilizzati nei componenti strutturali dell'MGU-K, come gli alloggiamenti e le staffe di montaggio.

• I componenti in CFRP forniscono la resistenza e la rigidità necessarie per proteggere i meccanismi interni dell'MGU-K, pur mantenendo il peso complessivo del sistema basso. Si tratta di un aspetto cruciale, poiché la riduzione del peso dell'MGU-K non solo migliora le capacità di accelerazione e di curva dell'auto, ma consente anche una maggiore efficienza energetica.

4. Durata e resistenza alle vibrazioni

Il sistema MGU-K è sottoposto a notevoli sollecitazioni meccaniche, tra cui vibrazioni, alte velocità di rotazione e forze generate in fase di frenata e accelerazione. I polimeri elastomerici, come il silicone e i fluoroelastomeri, sono utilizzati in componenti come le guarnizioni e le tenute per assorbire le vibrazioni e mantenere l'integrità strutturale dell'MGU-K.

• Leguarnizioni in silicone sono utilizzate nell'MGU-K per fornire flessibilità e garantire che i componenti critici rimangano protetti da sporco, polvere e ingresso di fluidi. Queste guarnizioni devono essere in grado di resistere a temperature e pressioni elevate, mantenendo la loro elasticità nel tempo.
• Nel sistema MGU-K sono integrati anche materialiantivibranti realizzati con polimeri elastomerici per proteggere i componenti sensibili dalle intense vibrazioni che si verificano durante le gare. In questo modo si evita l'usura prematura delle parti interne e si prolunga la durata dell'unità.

5. Sistemi di raffreddamento e fluidi

Un raffreddamento efficiente è essenziale per il funzionamento del sistema MGU-K, poiché il surriscaldamento può portare a una perdita di potenza e a un potenziale guasto del componente. Per trasportare il refrigerante da e verso l'MGU-K si utilizzano tubi flessibili e linee di fluidi a base di polimeri. Questi tubi sono spesso realizzati con materiali come il PTFE o l'EPDM (gomma etilene propilene diene monomero), che offrono flessibilità, resistenza al calore e durata chimica.

• Itubi del refrigerante in PTFE sono preferiti per la loro capacità di resistere alle alte temperature e alle sostanze chimiche presenti nei moderni fluidi di raffreddamento. Questi tubi sono essenziali per mantenere la temperatura operativa ottimale dell'MGU-K, assicurandone il funzionamento efficiente per tutta la durata della gara.

Vantaggi dell'uso dei polimeri nel sistema MGU-K

• Prestazioni elevate in condizioni estreme: L'uso di polimeri avanzati consente al sistema MGU-K di funzionare in modo efficiente in condizioni di calore, pressione ed elettricità estreme come quelle delle gare di Formula 1. Materiali come il PEEK e il PTFE forniscono la necessaria resistenza termica e chimica per sopportare il difficile ambiente del vano motore.

• Riduzione del peso: Sostituendo i materiali tradizionali con polimeri leggeri come il CFRP e il PEEK, gli ingegneri possono ridurre il peso complessivo del sistema MGU-K, migliorando le prestazioni dell'auto senza sacrificarne la durata.

• Maggiore durata e affidabilità: Polimeri come i fluoroelastomeri e il silicone aiutano a proteggere il sistema dall'usura, dalle vibrazioni e dai contaminanti ambientali, assicurando che l'MGU-K funzioni in modo affidabile per tutta la gara.

• Efficienza elettrica: Materiali isolanti ad alte prestazioni come le pellicole di poliimmide e il PTFE assicurano che le correnti elettriche scorrano in modo fluido e sicuro, riducendo il rischio di guasti elettrici e massimizzando il recupero e l'utilizzo dell'energia.

Conclusione

Il sistema MGU-K delle auto di Formula 1 rappresenta un componente critico dell'unità di potenza ibrida della vettura, in grado di catturare e distribuire l'energia per migliorare le prestazioni e l'efficienza. I polimeri svolgono un ruolo fondamentale nella costruzione e nella funzionalità di questo sistema, contribuendo all'isolamento elettrico, alla gestione termica, alla riduzione del peso e alla durata. Sfruttando le proprietà uniche di materiali come il PEEK, il PTFE e il CFRP, i team di F1 sono in grado di ottimizzare le prestazioni dell'MGU-K, garantendone il funzionamento affidabile nelle intense condizioni di gara della Formula 1. Con la continua evoluzione della tecnologia di F1, l'uso di polimeri avanzati nei sistemi di recupero dell'energia rimarrà un fattore chiave per spingere i limiti delle prestazioni e dell'efficienza.