Officina: la rigidezza non è mai perfetta

In questa rubrica abbiamo ricordato più volte che non esistono corpi perfettamente rigidi. Questo significa che inevitabilmente gli organi meccanici, durante il funzionamento, si deformano. Le forze che agiscono su di essi causano cioè piccole variazioni geometriche e/o dimensionali. Quando il pistone arriva al punto morto superiore al termine della corsa di scarico la forza d’inerzia raggiunge il suo massimo, che nei motori molto veloci può assumere valori impressionanti. In tali condizioni inevitabilmente la biella si allunga (la sollecitazione a trazione è massima), l’occhio della testa si ovalizza e addirittura essa tende a staccarsi dal cappello.

I due semigusci che costituiscono la bronzina sono leggermente rastremati in corrispondenza della zona di unione proprio per evitare ogni rischio che si possano formare scalini non tanto dopo il serraggio delle viti del cappello (da piccoli errori di allineamento di quest’ultimo) quanto soprattutto durante il funzionamento. È per questa ragione che nei motori veloci, se la biella è dotata di un cappello amovibile (cosa indispensabile quando l’albero è in un sol pezzo), non si impiegano cuscinetti a rullini. Tale soluzione, che richiede lavorazioni estremamente accurate e dimensionamenti calcolati con grande cura, è accettabile soltanto se i regimi di rotazione sono decisamente ridotti (come nel caso dei bicilindrici boxer Zundapp di una volta e dei vecchi monocilindrici Guzzi con volano esterno). Per i cuscinetti di banco la situazione è diversa rispetto a quelli di biella.

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Distorsioni elastiche

Al termine della corsa di scarico, sotto l’azione della forza d’inerzia che tira vigorosamente il pistone e la biella verso l’alto, l’albero a gomiti si “inarca” tra i due supporti, con i bracci di manovella che flettono (e pure i supporti si deformano elasticamente). Il leggero disallineamento dei perni dell’albero fa cambiare anche la distribuzione delle pressioni nel velo d’olio che separa i perni stessi dalle bronzine. Nei policilindrici se l’albero è monolitico per poter impiegare cuscinetti a rotolamento occorre che il loro anello esterno sia diviso in due parti. Questa soluzione costruttiva è stata peraltro impiegata soltanto raramente, in casi nei quali non c’erano comunque particolari esigenze di durata (motori da competizione).

I cuscinetti a sfere non risentono negativamente dei leggeri disallineamenti dei perni di banco causati dalle flessioni dell’albero, ma quelli a rulli cilindrici sono assai meno tolleranti sotto questo aspetto. In effetti, in quelli impiegati nei motori moderni i corpi volventi non hanno una sezione perfettamente rettangolare ma sono leggermente arrotondati in corrispondenza delle estremità o addirittura si avvicinano ad avere un profilo a botte, proprio per poter lavorare senza problemi e a lungo anche in presenza di lievi errori di allineamento. Sotto i carichi determinati dalle forze d’inerzia e dalla pressione dei gas che agiscono sul pistone lo spinotto tende a flettersi, oltre che a ovalizzarsi, e le portate del pistone ne subiscono le conseguenze. Per evitare che il picco di pressione in corrispondenza dei margini dei fori di queste ultime possa raggiungere valori troppo elevati, in genere nei motori di alte prestazioni essi vengono leggermente svasati.

L’importante è che queste distorsioni elastiche, che non possono essere evitate, siano ridotte al minimo. Idealmente dovrebbero essere addirittura trascurabili. In effetti questo non accade sempre e allora diventa essenziale conoscere come e in quale misura avviene la deformazione in modo da poterne tener conto in fase di progetto. Qui l’avvento del computer e di programmi sempre più evoluti si è rivelato essenziale. Grazie a questi ultimi si possono conoscere e visualizzare le distribuzioni sia delle temperature che delle tensioni all’interno dei diversi componenti durante il funzionamento, nelle varie condizioni di utilizzo. Inoltre è possibile sapere come e in quale misura ogni organo meccanico si deformerà sotto l’azione delle forze che lo sollecitano. E di conseguenza si può sapere anche come cambieranno le deformazioni in seguito all’impiego di un materiale differente o a variazioni della geometria o del dimensionamento dei vari organi meccanici. Il computer è uno straordinario strumento a disposizione dei progettisti anche per questo, e non soltanto per l’effettuazione dei calcoli. Dunque oltre alla realtà statica occorre pure tener conto di quella dinamica.

L'importanza del montaggio

E non si deve trascurare il fatto che anche il semplice montaggio dei componenti può causare deformazioni di entità non sempre trascurabile. I cuscinetti a rotolamento impiegati per il banco di diversi motori di norma sono del tipo con gioco maggiorato (C3 e talvolta perfino C4) per tener conto del fatto che in seguito alla installazione negli alloggiamenti il diametro dei loro anelli esterni, “serrati” radialmente per via della interferenza, subisce una lievissima riduzione. Dopo il montaggio quindi si verifica una piccolissima, ma non trascurabile diminuzione del gioco diametrale. Nelle applicazioni più severe, dove anche i micron contano (come ogni grammo risparmiato), perfino la disposizione, il numero e le dimensioni delle nervature delle pareti attorno agli alloggiamenti dei cuscinetti di banco possono avere la loro importanza; se esse non sono disposte razionalmente possono infatti causare lievissimi allontanamenti dalla perfetta circolarità della pista di rotolamento dei corpi volventi. Le canne dei cilindri subiscono una leggera distorsione in seguito al serraggio delle viti della testa.

A contare qui non è soltanto il “tiro” delle viti stesse ma anche la loro disposizione e quella dei fori filettati nei quali vanno ad inserirsi, oltre naturalmente alla struttura del cilindro. Le distorsioni indotte dal serraggio delle viti non sono le stesse per un cilindro open deck e uno closed deck. In ogni caso i progettisti fanno di tutto per ridurle al minimo.

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