Categoria: Motorismo, Motorsport e Meccatronica

Al bar tutti ne sanno tutto… Nelle corse il discorso cambia…

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Valvole rotanti Bishop – Problematiche tecniche

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa
Titolo o argomento: Valvole rotanti per ottimizzare i rendimenti dei motori 4 tempi
Prosegue dall’articolo: Valvole rotanti Bishop per motori V10 di F1

Come abbiamo preannunciato nel precedente articolo, le valvole rotanti presentano numerosi vantaggi ma, inevitabilmente, anche alcuni svantaggi. Il problema delle dilatazioni termiche di ogni valvola rotativa nel suo alloggio pone infatti dei limiti meccanici ben precisi. In passato si utilizzavano dei manicotti leggermente precaricati contro la superficie di ogni valvola per impedire il trafilaggio dell’olio lubrificante e dei gas. Tali manicotti però hanno manifestato importanti problemi in quanto non permettevano una distribuzione uniforme del velo d’olio tra la superficie della valvola ed il manicotto stesso. Questo fenomeno, combinato con la scarsa capacità di tali manicotti di ospitare distorsioni locali delle valvole rotative, ha portato ad elevati attriti e conseguenti (ed ovvi) grippaggi.

Valvole rotative per motori F1

Nel sistema BRV (Bishop Rotary Valve) il piccolo gioco radiale tra  il diametro esterno della valvola e la sua sede è progettato per garantire che qualsiasi distorsione termica o meccanica indotta sulla valvola non porti mai a contatti e quindi a grippaggi indesiderati.  Allo stesso tempo però il gioco radiale deve essere il più contenuto possibile per non compromettere la funzione di tenuta dei gas. Questo approccio è stato un successo immediato ed ha consentito un rapido sviluppo privo di problemi di attrito, lubrificazione e grippaggio. La disposizione degli elementi di tenuta per i gas è mostrata nella figura sotto. Essa si compone di due anelli di tenuta assiale e due guarnizioni circonferenziali adiacenti alla finestra; tali organi sono alloggiati nella testa della sede della valvola rotativa e precaricati contro la periferia della valvola stessa.

dettagli sede valvola rotativa bishop

Questi sigilli funzionano in modo simile alle fasce elastiche. A differenza dei tradizionali segmenti del pistone, tali organi di tenuta sono sottoposti ad una velocità costante di scorrimento e senza inversione di direzione per tutto il ciclo. Questa disposizione consente l’uso di finestre molto lunghe, un requisito essenziale per l’aspirazione di grandi portate di aria in motori ad elevate prestazioni. La lunghezza della finestra determina il tasso di apertura e chiusura della valvola e la zona di flusso completamente aperta.

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Valvole rotanti Bishop per motori V10 di F1

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa

Titolo o argomento: Valvole rotanti per ottimizzare i rendimenti dei motori 4 tempi

Il sistema Bishop Rotary Valve (BRV) è composto da una serie assiale di valvole rotanti singole per ogni cilindro le quali sono in grado di provvedere sia all’ammissione che all’espulsione dei gas. Il loro asse è perpendicolare a quello dell’albero motore. Sono realizzate in acciaio e montate su cuscinetti in grado di permetter loro di raggiungere agevolmente elevati regimi di rotazione. Appositi elementi di tenuta impediscono al liquido refrigerante ed all’olio lubrificante di entrare nella parte interna della valvola e quindi in ogni cilindro del motore. Ogni valvola è azionata da un ingranaggio. Si ha pertanto una “cascata orizzontale di ingranaggi” che possiamo accomunare alla logica della cascata di ingranaggi attualmente utilizzata nei motori di F1.

Il diametro esterno della valvola rotativa è pari a circa il 70% del diametro del cilindro del motore. Gli ingombri pertanto non sono tali da dover obbligare gli ingegneri a riprogettare l’intero motore. Le valvole ruotano ad una velocità pari alla metà di quella dell’albero motore. Importante fattore è l’annullamento delle inerzie che hanno afflitto tutti i progettisti sin da quando è stato inventato il motore a 4 tempi con le valvole a fungo azionate dal complesso sistema di alberi a camme, bicchierini, molle, ecc…

Ciò che in passato ha frenato gran parte dei tecnici impegnati nello sviluppo di valvole rotanti era il problema della tenuta dei fluidi (mantenere olio lubrificante e liquido refrigerante lontanto da miscela aria/benzina e gas combusti) ed il problema della distorsione del corpo valvola in seguito alle notevoli sollecitazioni termiche. Quest’ultimo problema ancora oggi inevitabilmente si verifica ma potrebbe temporaneamente passare in secondo piano laddove l’impiego di tali valvole è destinato ai motori più esasperati del mondo… quelli di F1.

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Valvole rotative per motori F1

Con sistemi di valvole rotanti le prestazioni di un motore di F1 possono aumentare del 30% ma il problema dell’affidabilità in seguito alle forti sollecitazioni termiche che colpiscono ogni singola valvola si fa sentire…
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Bielle ad H – Vantaggi e svantaggi tecnici progettuali

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Vantaggi e svantaggi tecnici e progettuali della biella ad H
Rispondendo a: Andrea

La forma del fusto delle bielle è quasi sempre a doppio T ma l’anima della T può essere disposta nel piano del moto (in tal caso abbiamo una biella con sezione ad I – figura sotto, parte superiore) oppure nel piano perpendicolare a quello del moto (biella con sezione ad H – figura sotto, parte inferiore).

sezione bielle ad H e ad I

Clicca per ingrandire

Rispondiamo al lettore “Andrea G.” che ci ha posto una domanda circa il significato del termine “ad H stretta”. La nomenclatura ad H stretta probabilmente appartiene ad una forma gergale in quanto non ne abbiamo trovato traccia sulle nostre numerose fonti. Possiamo però ipotizzare che la sezione che viene evidenziata in figura sopra sia ulteriormente contenuta formando così una H più stretta del consueto. Particolari necessità meccaniche possono portare a realizzare componenti che resistano a specifiche sollecitazioni o che rispondano a particolari problemi di ingombro.

Alle bielle ad H viene riconosciuta una maggior resistenza nei casi in cui venga sensibilmente aumentata la pressione di scoppio o esistano particolari problemi di detonazione in quanto, proprio grazie alla loro sezione, hanno una maggior resistenza a flessione nel momento della combustione. Le bielle con sezione ad H sono particolarmente indicate per i motori da competizione per una moltitudine di motivi:

  • Sono ottenute per fresatura o microfusione (lavorazioni piuttosto costose sconsigliate per i motori di serie ma che offrono superfici rifinite e permettono di raggiungere tolleranze più precise). Approfondimento lavorazioni
  • Sono realizzate in acciaio o leghe di titanio. Approfondimento materiali
  • Anche se la loro sezione non si presta a resistere al meglio alla sollecitazione del “colpo di frusta” il problema viene minimazzato grazie alla loro lunghezza ridotta rispetto a quella delle bielle montate sui motori stradali.
  • Si prestano all’utilizzo di viti mordenti per fissare il cappello di biella alla testa in quanto, le bielle con sezione ad H, non hanno sul cappello di biella una nervatura centrale che rende scomodo l’alloggiamento della vite di fissaggio.
  • Vantano raccordi del piede con la testa decisamente migliori di quelli ottenibili sulle bielle con sezione ad I.
  • Non sono soggette a problemi di costi essendo destinate ad un mercato dove i costi spesso passano in secondo piano.

bielle_ad_h.jpg

Viste di una biella con sezione a doppio T con l’anima della T disposta
sul piano perpendicolare a quello del moto. Sezioni di questo tipo vengono chiamate ad H.
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Rapporto tra diametro valvola, alzata valvola e fattori correlati

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa | Le domande dei lettori

Titolo o argomento: Rapporto tra diametro e alzata valvola
Rispondendo a: Alfista340
Rapporto tra alzata e diametro valvola

L’alzata della valvola è direttamente legata al diametro della valvola stessa. Generalmente in fase di progettazione si adottano alzate che corrispondono al 35% del diametro della valvola in questione, nel caso di motori a 2 valvole per cilindro, oppure che corrispondo al 30% del diametro della suddetta valvola nel caso di motori 4 valvole per cilindro. Questo vale sia per l’aspirazione che per lo scarico. Si tratta di un dato che generalmente non viene ricavato da una precisa formula ma che è stato ricavato in laboratorio per vie sperimentali adoperando un particolare strumento che si chiama flussometro (dal nome è già possibile immaginare di cosa si tratti).

Brevi cenni sulla relazione tra alzata valvola e rendimento volumetrico

Aumentando l’alzata della valvola effettivamente si aumenta leggermente il rendimento volumetrico ma, oltre un certo limite (che si verifica per l’appunto al flussometro) non si hanno più vantaggi e, anzi, si ha lo scompenso di dover realizzare appositi intagli sul cielo dei pistoni (questo sia per le maggiori alzate raggiunte sia per il maggiore incrocio* al punto morto superiore) per evitare collisioni pistone-valvole. Questi intagli generano due tipi di svantaggi: peggiorano la combustione (strettamente legata al rendimento termico) e peggiorano la pulizia della camera di combustione.

Relazione tra alzata valvole e molle valvole

Da un punto di vista “organico” aumentare l’alzata delle valvole genera uno stress non indifferente nelle molle delle valvole stesse con la conseguenza che si devono usare molle con un carico maggiore. Questo ci “regala” maggiori perdite meccaniche oltre ad una lunga serie di inconvenienti legati alla struttura delle molle delle valvole che è inutile citare. Nel bilancio quindi si può verificare una perdita meccanica tale da non giustificare la scelta di una maggiore alzata e quindi il relativo miglioramento del rendimento volumetrico.

Brevi cenni sulla relazione tra alzata valvole e fasatura

Riguardo al legame tra l’alzata delle valvole e la fasatura è necessario sottolineare che, in caso si desideri arrivare a fasature particolarmente lunghe e spinte, bisogna allungare le rampe di alzata** onde evitare accelerazioni eccessive non sopportate dalle molle delle valvole. Per permettere al motore di “respirare” correttamente però si è obbligati ad aumentare ulteriormente l’alzata delle valvole ed il diametro dei condotti. Inutile dire che ciò porta un enorme svantaggio ai bassi regimi di rotazione in cui il motore non riesce ad “esprimersi”.

V-tech

Il sistema V-tech di Honda è una soluzione eccellente ai problemi sopra citati in quanto, seppur con un sistema molto complesso, genera una differenza sia di fasatura sia di alzata valvole tra i bassi, medi ed alti regimi adeguando così la respirazione del motore ad ogni situazione e permettendo di raggiungere la tanto agognata potenza specifica di oltre 120 cavalli litro su un motore aspirato…

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Calcolo diametro valvola asp. su motori 2 valvole per cilindro
Calcolo diametro valvola asp. su motori 4 valvole per cilindro
Calcolo diametro valvole di scarico

Note

*L’incrocio è quell’intervallo in cui le valvole di aspirazione e scarico sono contemporaneamente aperte.

**Allungare la rampa di alzata significa far alzare completamente la valvola lungo una durata in gradi di rotazione dell’albero motore maggiore. In soldoni evitare di alzare la valvola tutto d’un botto con un’accelerazione logorante per gli organi meccanici interessati.

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Un’auto da corsa dietetica ed ecologica

Rubrica: Materiali e motori

Titolo o argomento: Materiali “dietetici” per auto da corsa

Una macchina da corsa fatta con carote, cioccolato e patate? Sì, è possibile. Gli elementi naturali  più insospettabili vengono legati a materiali riciclati come carbonio o bottiglie di plastica ed il risultato è una vettura di formula alquanto insolita nel DNA ma perfettamente competitiva con le “normali” sorelle di formula 3. World First (questo è il suo nome) raggiunge i 100 km/h in poco più di 2,5 secondi e tocca velocità di punta superiori ai 215 km/h. Se dalla spazzatura riusciamo a tirar fuori componenti per auto di formula, credete ci sarebbero più città sommerse dai rifiuti? Del resto lo avevamo ipotizzato 2 anni fa: Se qualcuno riesce a trasformare i rifiuti in oro… si apriranno nuove frontiere dell’industria e del commercio. Di seguito alcuni dei materiali impiegati per la realizzazione di questa insolita vettura.

Telaio: in fibre vegetali e di patate
Volante: in resina derivata dalle carote
Ala anteriore: nucleo in fecola di patate, calotta in fibra di lino.
Sedile: calotta in fibre di lino, schiuma di fagioli di soia e olio di tessuto poliestere riciclato
Elementi aerodinamici delle sospensioni:  tessuto composito di fibre naturali
Pneumatici: eliminazione dei composti aromatici policiclici
Radiatore: rivestimento mediante catalizzatore che trasforma l’ozono in ossigeno
Guscio degli specchietti: fecola di patate e fibra di lino
Cambio: trattamento per la riduzione degli attriti
Copertura motore: fibra di carbonio riciclata
Ammortizzatori: fibra di carbonio riciclata
Fiancate della carrozzeria: fibra di vetro con resina di bottiglie riciclate
Carburante: mix di oli vegetali ed estratti di cacao derivanti dagli scarti della lavorazione del cioccolato.

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Trasformare i rifiuti in prodotti può voler dire creare posti di lavoro e pulire le città…
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I vantaggi di acquistare un’auto ventennale

Da piccolo ne eri innamorato, avresti fatto follie per quella macchina. Il problema dell’età però era il minore dato che la tua auto preferita costava cifre esorbitanti all’acquisto e cifre altrettanto spaventose di mantenimento: bollo, assicurazione, per non parlare del passaggio di proprietà.

Ora quell’auto ha perso molto valore, ma non per te… Hai mai pensato ai vantaggi che avresti se acquistassi ora la tua auto preferita ventennale?

  1. Pagheresti il passaggio di proprietà circa metà prezzo.
  2. Pagheresti poco più di 27 Euro di bollo.
  3. Avresti una tariffa assicurativa ridicola…
  4. E non dimenticare che puoi circolare in centro anche con un Euro 0 (solo per manifestazioni storiche).

Attento però, uno svantaggio c’è. Informati sempre prima di ogni eventuale acquisto circa la reperibilità dei ricambi ed il prezzo degli stessi. Diverse case fanno pagare i ricambi dei mezzi ultraventennali, cifre esose.

Calcolo del bollo: http://www.quattroruote.it/bollo/index.cfm)
Calcolo del passaggio di proprietà: http://www.angolopratiche.com/ipt.php
Calcolo assicurazione: chiedi all’ASI (http://www.asifed.it) o fai una ricerca presso le compagnie assicurative

porsche_968_vantaggi_bollo_assicurazione_auto_epoca.jpg

Un’auto come quella in figura mantiene il suo fascino nonostante
l’età e costa meno di una moderna utilitaria. Solo per appassionati d’hoc.
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La proposta dell’Ing. Rolf Reitz per i motori ibridi benzina-diesel

Ing. Rolf Reitz – Università del Wisconsin a Madison

L’ingegner Rolf Reitz dell’Università del Wisconsin a Madison propone come soluzione ibrida un motore nel quale il sistema di alimentazione provvede a dosare opportune miscele di benzina e gasolio al fine di ridurre le pesanti emissioni inquinanti (che derivano dalla combustione del gasolio).

In condizioni di uso gravoso del motore infatti si può arrivare a miscele di combustibile composte per l’85% da benzina e per il 15% da gasolio. La minima percentuale di gasolio sarebbe infatti utile ad innescare l’accensione del restante 85% di benzina (essendo la benzina molto più difficile del gasolio da accendere). Pertanto il 15% di gasolio avrebbe la funzione di tante micro scintille in camera di scoppio atte ad innescare in modo piuttosto uniforme la benzina.

In condizioni di medio carico si può arrivare ad una miscela di combustibile benzina-gasolio del 50%. Non si può invece arrivare su un motore diesel ad utilizzare come carburante esclusivamente la benzina in quanto questa non si accende facilmente e richiede una scintilla; al contrario il gasolio si accende con la semplice compressione che si genera durante la corsa del pistone verso il punto morto superiore.

Conclusioni

Si cerca quindi di tentare di usare la struttura di un motore diesel con un’alimentazione che sfrutti il meno possibile il gasolio  con le derivanti emissioni di ossidi di azoto e particolato. Una vera sfida tecnica.

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Ibrido benzina diesel. La proposta dell’Ing. Steve Ciatti.

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Rubrica: The expert on the salmon

Titolo o argomento: Proposte per motori ibridi benzina-diesel

Negli ultimi tempi abbiamo assistito ad un costante miglioramento dei consumi di carburante delle nostre autovetture. I due problemi principali legati ai consumi di carburante ovviamente sono da un lato l’elevato prezzo del combustibile (destinato ad aumentare) e dall’altro le emissioni inquinanti derivate dalla combustione. Grazie alle norme internazionali che pongono precisi limiti alle emissioni (le norme Euro), le case automibilistiche sono alla costante ricerca di innovazioni tecnologiche che permettano di ridurre il consumo di combustibile sacrificando il meno possibile le prestazioni della vettura.

Ing. Steve Ciatti – Argonne National Laboratory

Per gli acquirenti si è presentato molte volte il dilemma della scelta tra un performante motore a benzina o un risparmioso ed elastico motore diesel. Ma cosa si ottiene quando si incrocia un motore a benzina con uno diesel? Steve Ciatti, un Ingegnere Meccanico presso l’Argonne National Laboratory, ha qualcosa da dire in proposito. Ciatti crede che il risultato  di un tale incrocio sarebbe un “motore figlio” geneticamente superiore ai suoi genitori. Prendendo le caratteristiche genetiche migliori di entrambi i motori (per il diesel una buona efficienza, per il benzina basse emissioni di ossido di azoto e particolato) si potrebbe ottenere un ibrido considerato il Santo Graal della moderna progettazione di motori a combustibile liquido.

Esistono diversi modi per unire i due motori. Un esempio ne è la recente tecnologia ad accensione per compressione di carica omogenea (HCCI). Nel caso di Steve Ciatti però si sta adottando un approccio leggermente diverso tentando di utilizzare un combustibile con più basso numero di ottani (RON 80-85) rispetto alla tradizionale benzina disponibile (RON 95). Il vantaggio consiste in una benzina più facile da innescare, rispetto alla benzina attualmente in uso, ma non ancora al livello del carburante diesel. Utilizzando un motore diesel modificato (ovviamente privo di candele) l’alimentazione viene programmata in modo tale che gli iniettori spruzzino il combustibile due o tre volte prima che si verifichi l’accensione in prossimità del punto morto superiore. Le ripetute pre-iniezioni di carburante diffondono il carburante in modo più uniforme nella camera di combustione, riducendo le emissioni di particolato e di NOx rispetto ad un motore diesel tradizionale.

Il vantaggio di un basso numero di ottani del carburante è la sua facilità di raffinazione (interessante per le compagnie petrolifere) e la sua maggiore facilità di accensione in camera di scoppio. Il costo del carburante potrebbe essere quindi più basso della benzina normale (al netto delle accise) visto che si tratta di una raffinazione più grezza del petrolio.

Tuttavia vi è un rovescio della medaglia per questo motore ibrido benzina-diesel: un minore numero di ottani infatti favorisce il fenomeno della denotazione. Su questo aspetto si potrebbe sorvolare per l’appunto utilizzando struttura ed organi di un motore diesel*, in tal caso l’affidabilità non sarebbe compromessa.

Altro problema risulta essere una combustione meno generosa con conseguente calo del picco di potenza di circa il 25%. Questo potrebbe costringere il guidatore a ripetute ed abbondanti azioni sull’acceleratore con la conseguenza di un bilancio non del tutto favorevole. La curva di coppia invece rimarrebbe essenzialmente la stessa secondo l’Ing. Steve Ciatti.

Siamo pronti a scommettere che una larga fetta di automobilisti potrebbe anche decidere di sacrificare un po’ di potenza massima in cambio di una soluzione motore/carburante più risparmiosa.

Articolo scritto da:
Ing. Gestionale Davide Mazzanti.
 Leggi tutti gli articoli della rubrica “The Expert on the Salmon”  a cura dell’Ing. Davide Mazzanti

steve_ciatti_motore_ibrido.jpg

*Un motore diesel lavora essenzialmente per detonazione ed è progettato quindi con un  dimensionamento più generoso dei suoi organi (pistoni, bielle, albero motore, basamento) i quali sono chiamati a resistere a sollecitazioni ben più intense rispetto ad un motore a benzina.

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Schema delle sospensioni diviso per il rollio ed il beccheggio

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa

Titolo o argomento: Sospensioni con funzioni indipendenti per il rollio ed il beccheggio

Se fino a pochi anni fa una vettura di formula era dotata di uno schema delle sospensioni (generalmente push-rod, più raramente pull-rod) a ruote indipendenti con un ammortizzatore per ogni ruota, oggi la situazione è cambiata se non altro per le piccole vetture di formula che preparano ad un possibile domani nella F1*. Si tende infatti ad optare per uno schema assai più ingegnoso, semplificato, funzionale e facile da mettere a punto: le sospensioni con funzioni indipendenti per il rollio ed il beccheggio.

Non si tratta di una soluzione nuova (in realtà la Dallara Automobili la usava già 20 anni fa) tuttavia oggi è una soluzione più richiesta perchè maggiormente gradita dai piloti e da chi si occupa di messa a punto del setup.

Oggi l’avantreno di una vettura di formula può essere dotato ugualmente di due ammortizzatori, tuttavia uno solo (il classico ammortizzatore con sistema idraulico + molla) è incaricato di smorzare i movimenti di pompaggio e beccheggio della vettura, mentre un secondo ammortizzatore, costituito da molle a tazza contenute in un apposito astuccio (riferimento D in figura), ha il compito di attenuare il rollio del mezzo.

Come?

Tramite un sofisticato ed allo stesso tempo semplice sistema di leve.

sospensione anteriore sospensione anteriore

Come funziona?

Pompaggio e beccheggio. Quando la vettura affonda come ad esempio in seguito allo schiacciamento verso terra che si produce dopo una discesa a forte velocità (SPA Francorchamps) o durante il passaggio su una sconnessione dell’asfalto o ancora in fase di frenata, allora i puntoni (A) spingono con forze di intensità molto simili sul rinvio (B) detto “rocker”. Tale rinvio (B), in seguito all’azione dei puntoni, tende a ruotare rispetto al piano orizzontale sollevandosi quindi di pochi millimetri dal suo piano di appoggio sulla scocca ed andando così a comprimere l’ammortizzatore (C) incaricato di smorzare il fenomeno.

Rollio. Durante una fase di rollio, quando si verifica un trasferimento di carico laterale del mezzo (ovvero quando questo tende a coricarsi o da un lato o dall’altro rispetto all’asse longitudinale), i puntoni (A) non premono con uguale intensità sul rocker (B) . Il puntone che preme maggiormente tenderà questa volta a far scorrere il rinvio (B) anziché sollevarlo. Scorrendo tale rinvio (B) tenderà a comprimere l’una o l’altra molla a tazza contenuta nell’astuccio (D) a seconda del verso della spinta.

Condizione necessaria affinché il rinvio (B) possa essere sollevato rispetto al piano orizzontale (e non fatto scorrere) è che i puntoni premano con forze di intensità quasi uguali.

Quali vantaggi e quali svantaggi?

Vantaggi. Soluzione semplice, ingegnosa, leggera, facile da mettere a punto, maggiormente gradita dai piloti e dai tecnici che si occupano del setup,

Svantaggi. Maggiore ingombro, minori configurazioni possibili.

*Vedi ad esempio la Formula Renault FR 3.5