La "magia" degli alberi a gomiti da corsa | Tecnica

Assieme alle bielle, l’albero a gomiti svolge la fondamentale funzione di trasformare il moto rettilineo dei pistoni in movimento di rotazione, al tempo stesso convertendo in coppia motrice la forza dovuta alla pressione dei gas.

Motori da corsa e di serie: similitudini e differenze | Tecnica

Notevoli sollecitazioni 

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Questo avviene durante la fase di espansione perché nelle altre tre fasi del ciclo (passive) l’albero fa il contrario, facendo muovere i pistoni grazie alla sua rotazione. Si tratta di un organo meccanico molto sollecitato nei motori di serie e ancor più in quelli da competizione, nei quali le forze in gioco sono maggiori e tutto è esasperato.

Le forze in oggetto sono quella dovuta alla pressione che i gas esercitano sui pistoni e quella di inerzia (che cresce con il quadrato del regime); entrambe cambiano continuamente di valore durante la rotazione dell’albero e vanno ad aggiungersi a quella centrifuga.

Tali forze causano deformazioni elastiche a livello di perni e di bracci di manovella, che come ovvio si cerca di ridurre al minimo, per quanto possibile (non esistono infatti corpi perfettamente rigidi). Le flessioni dell’albero, per quanto lievi, determinano disallineamenti dei perni che, se di una certa entità, possono causare un peggioramento del rendimento meccanico e addirittura determinare sensibili problemi a livello di lubrificazione.

Nei casi più seri, possono mettere in seria crisi le stesse bronzine. Un perno leggermente inclinato rispetto all’asse della bronzina consente all’olio di uscire più agevolmente da un lato (dove lo spazio di passaggio diventa maggiore) mentre causa un forte picco di pressione dall’altro. Al limite l’inclinazione può essere tale da causare un contatto localizzato.

Tutto questo ha luogo in condizioni estremamente dinamiche (velocità elevatissima, intense e continue variazioni del carico e della sua direzione). Il problema del disallineamento può essere particolarmente sentito negli alberi di notevole lunghezza, cioè quelli dei motori con più cilindri in linea.

Quando l’architettura è a V, a pari frazionamento gli alberi sono più corti ma i perni di manovella, su ciascuno dei quali lavorano affiancate due bielle, sono più lunghi. La campata, insomma, è più larga ed è più difficile evitare che possa subire flessioni. A questo punto giova ricordare che il gioco diametrale tra i perni e le bronzine, nei moderni motori motociclistici, è dello stesso ordine di grandezza dello spessore di un capello umano.

Quest’ultimo è compreso tra 50 e 100 micron, ovvero tra 0,05 e 0,10 millimetri, mentre il gioco di montaggio delle bronzine di un quadricilindrico per moto è di circa 0,025–0,040 mm e quello delle bronzine di banco a caldo è leggermente superiore.

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Resistenza meccanica 

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Dunque, gli alberi a gomiti devono avere una grande resistenza meccanica per sopportare le sollecitazioni alle quali sono sottoposti e devono al tempo stesso avere un’elevata rigidezza per non deformarsi in misura significativa sotto l’azione delle forze in gioco. Non si tratta della stessa cosa. La resistenza ci dice quale sforzo può essere sopportato da un pezzo prima di rompersi mentre la rigidezza indica in quale misura esso si oppone alla deformazione elastica sotto l’azione di un dato carico.

Più elevata è la rigidezza (che dipende dal modulo elastico del materiale e dal dimensionamento del pezzo), minore sarà la deformazione che esso subisce. Per ridurre al minimo le perdite per attrito conviene che i perni abbiano un diametro ridotto.

Al di sotto di un determinato valore, però, non ci si può spingere perché la rigidezza dell’albero diventa insufficiente. D’altro canto al crescere del diametro dei perni, peggiorano le condizioni di lavoro delle bronzine (la velocità tangenziale è più elevata e quindi è maggiore la produzione di calore). Nel calcolare il dimensionamento di questi componenti occorre anche tenere presente il loro momento d’inerzia.

La rigidezza dell’albero viene notevolmente influenzata dal ricoprimento tra i perni di banco e di biella. Quest’ultimo, che anche da noi viene spesso chiamato overlap, dipende dal diametro dei perni adiacenti e dalla corsa (al diminuire della quale aumenta). Le forze di natura impulsiva generano sollecitazioni flessionali e torsionali (particolarmente importanti negli alberi lunghi) ed è di essenziale importanza che le vibrazioni che esse generano abbiano una frequenza lontana da quella propria dell’albero. Pure in quest’ottica un’elevata rigidità è vantaggiosa.

Nessuna misura viene comunicata dalle Case anche per quanto riguarda gli alberi a gomiti dei loro motori da competizione. Quelli dei quadricilindrici in linea non dovrebbero essere diversi da quelli dei modelli di serie di prestazioni più elevate. I perni di biella dovrebbero perciò avere indicativamente un diametro dell’ordine di 0,40–0,47 volte l’alesaggio del motore; per quelli di banco tale valore passa a 0,44–0,49.

Lubrificazione 

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In merito al disegno degli alberi, tra i punti di maggiore interesse vi sono i raggi di raccordo, che devono essere calcolati con la massima cura, e le canalizzazioni di passaggio olio. Nei motori da competizione, per quanto se ne sa, l’ingresso del lubrificante avviene assialmente e non tramite forature radiali praticate nei perni di banco. Questo, per ridurre la pressione di mandata (e quindi l’assorbimento di potenza da parte della pompa) dato che per entrare l’olio non deve andare contro la forza centrifuga, assai importante visti i regimi in questione.

La posizione dei fori di uscita dell’olio sui perni di manovella è critica: la foratura deve essere radiale e deve sfociare nella zona in cui durante il funzionamento grava il carico minore. I margini dei fori devono essere leggermente svasati.

Di norma  gli alberi a gomiti dei motori da corsa vengono ricavati dal pieno mediante lavorazioni meccaniche. In questo modo non soltanto si elimina la necessità di realizzare stampi da forgiatura (costosi e non giustificati nel caso di numero di produzione estremamente ridotti) ma si rende possibile l’effettuazione di qualunque modifica in tempi brevissimi.

Per quanto riguarda i materiali impiegati, si tratta di acciai da nitrurazione con notevoli percentuali di cromo e molibdeno, più un significativo tenore di vanadio, forniti da produttori specializzati.

Fondamentali sono un preciso controllo della composizione e l’elevata purezza (per ottenere la quale si fa ricorso a sofisticati sistemi di fusione sotto vuoto).