Officina: lunga vita allo spinotto

Un organo meccanico che apparentemente non ha subìto una sensibile evoluzione, rimanendo pressoché uguale nonostante il passare del tempo e lo sviluppo della tecnica motoristica, è lo spinotto. Già, in fondo cilindrico era e cilindrico è rimasto. Qualcosa però è cambiato e non soltanto a livello di materiali, con l’adozione degli acciai da nitrurazione per le realizzazioni più spinte, ma anche a livello di dimensionamento. Prima di parlarne è però opportuno accennare brevemente alle condizioni di lavoro di questo componente. Con il passare degli anni le prestazioni dei motori sono aumentate e con esse le sollecitazioni che gli spinotti devono sopportare. Questi organi meccanici sono sottoposti a carichi molti elevati che cambiano continuamente direzione e verso, in presenza di una lubrificazione che in diversi casi non è certo impeccabile.

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Sollecitazioni

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Le sollecitazioni che agiscono sugli spinotti tendono a farli flettere e a “schiacciarli”, ovalizzandone la sezione. I carichi derivano da forze che hanno due differenti origini. A quelle dovute alla pressione che i gas esercitano sul cielo del pistone durante la fase utile del ciclo (combustione-espansione) si aggiungono quelle d’inerzia che alternativamente “tirano” il pistone verso la testa, raggiungendo il massimo valore al termine della corsa di scarico, e lo spingono verso il basamento (con il picco alla fine delle corse di espansione e di aspirazione). Il problema per lo spinotto è che le superfici di contatto con il pistone e con la biella sono decisamente ridotte, il che si traduce in pressioni specifiche molto elevate.

Nei motori di alte potenze specifiche come quelli delle moderne sportive la situazione risulta assai gravosa a causa degli altissimi regimi di rotazione e delle pressioni di combustione molto elevate. Le alte temperature (anche ben superiori a 200 °C, a livello delle portate) in effetti possono essere un problema per il pistone perché le caratteristiche meccaniche di molte leghe di alluminio scadono a caldo, e talvolta in misura assai considerevole. È per questo motivo che n alcuni motori da competizione si impiegano bussole in bronzo, inserite con interferenza nelle portate per lo spinotto. In quanto alla lubrificazione, la velocità di strisciamento molto bassa non è che aiuti. La quantità di olio che per sbattimento arriva alle zone critiche in qualche caso può non essere adeguata e l’impiego degli oil jets migliora la situazione. Nei motori delle moderne 1000 sportive a quattro cilindri in linea lo spinotto ha un diametro di 0,20 – 0,24 volte l’alesaggio e una lunghezza di 0,55 – 0,65 volte. Nei motori di Formula Uno dei primi anni Duemila il diametro e la lunghezza degli spinotti erano rispettivamente dell’ordine di 0,17 – 0,20 e 0,40 - 0,43 volte l’alesaggio. Si tratta di valori impensabili fino a pochi anni fa. Questa esasperazione ha avuto luogo per due ragioni: ridurre il peso del gruppo pistone-spinotto e diminuire gli attriti, cose vantaggiose sia per la potenza che per i consumi.

Segmenti

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Dei segmenti si parla decisamente poco anche se si tratta di organi vitali ai fini delle prestazioni (e dello stesso funzionamento del motore). La loro apparente semplicità nasconde però contenuti tecnologici molto avanzati. Significativo è il fatto che questi componenti vengano prodotti da aziende specializzate nel settore specifico e non dalle case auto e motociclistiche. Anche se a occhio un segmento può sembrare rettangolare non ci si deve fare ingannare; la geometria in genere è piuttosto sofisticata. La superficie di contatto può avere una bombatura dell’ordine di un centesimo di millimetro o anche meno! Le facce superiore e inferiore possono non essere parallele ma essere leggermente inclinate una rispetto all’altra. In tal caso l’angolo formate dai due piani sui quali giacciono può essere di meno di un grado! I segmenti devono potersi muovere leggermente sia in senso assiale che in senso radiale. La tenuta in ogni caso non può essere perfetta. In un motore in buone condizioni meccaniche il trafilamento gassoso (blow-by) è mediamente dell’ordine dello 0,4 – 0,8% del totale dell’aria aspirata. Durante il funzionamento del motore i segmenti danno luogo a considerevoli perdite per attrito. La cosa è inevitabile ma i tecnici hanno lavorato intensamente per migliorare la situazione e continuano a farlo.

La forza che i segmenti esercitano contro le pareti del cilindro è dovuta alla loro tensione elastica (vengono compressi quando si inseriscono i pistoni nei cilindri) e all’azione dei gas che penetrano dentro la cava e vanno ad agire in senso radiale, “spingendo fuori” i segmenti stessi. Tale azione è molto importante per il primo segmento e assai meno per il secondo. La pressione che i segmenti esercitano contro le pareti è questa forza divisa per l’area di contatto (che dipende dalla geometria e dalla estensione della superficie di lavoro del segmento). La soluzione standard per i motori di serie prevede tre segmenti, ovvero due di compressione e un raschiaolio. L’evoluzione della quale questi componenti sono stati oggetto nel corso degli anni oltre al disegno della superficie che va a contattare la canna del cilindro ha interessato la loro altezza (cioè lo spessore assiale) che è progressivamente diminuita. Negli anni Settanta l’altezza del primo segmento nelle moto italiane in genere era di circa di 1,5 mm mentre in quelle giapponesi, dalla cilindrata unitaria generalmente minore, era dell’ordine di 1,2 mm. Nel corso degli anni Ottanta tale altezza è via via scesa considerevolmente.

Oggi sono usuali, nei quadricilindrici sportivi, valori di 0,7 – 0,8 mm. Una minore altezza si traduce in una maggiore leggerezza e in un attrito inferiore (per via della riduzione della superficie di strisciamento). Proprio per migliorare il rendimento meccanico grazie a una diminuzione dell’attrito nei 4T da corsa si impiegano due segmenti soltanto, ovvero uno di compressione e il raschiaolio. Il blow-by però aumenta.

Officina: le sollecitazioni sono anche termiche