Officina: il volano "dimenticato"

In genere il volano non attira molto le attenzioni degli appassionati di tecnica. Del resto, anche nei libri motoristici non è che se ne parli tanto.

Spesso ci si limita a dire che è un grosso disco metallico fissato a una estremità dell’albero a gomiti (soluzione tipica dei motori automobilistici, non di quelli per moto!) che serve a rendere più uniforme la velocità di rotazione dell’albero a gomiti. Se ne parla quando si tratta l’irregolarità nella erogazione della coppia.

Massa volanica

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Gli accenni alla massa volanica dell’albero in sé e a come essa può influire sul “comportamento” della moto sono abbastanza rari. Qualche anno fa un costruttore ha aumentato il peso dell’albero a gomiti della nuova versione della sua 1000 supersportiva. Questo potrebbe sembrare illogico, dato che mano a mano che si sviluppa un motore alla ricerca di prestazioni più elevate (anche per correre nelle gare Superbike) si tende a ridurre la massa delle parti mobili e non ad aumentarla. Quando si tratta dell’albero però, occorre vedere non soltanto quanto materiale viene aggiunto (o rimosso, eventualmente) ma anche dove viene messo (o tolto).

Nel caso specifico non si trattava di irrobustire il componente, ma di variarne la massa volanica.

Vediamo qui di approfondire questo argomento che effettivamente presenta alcuni lati magari non proprio oscuri, ma forse di non immediata comprensione. Cominciamo con alcuni concetti base e col fare un parallelo tra il movimento lineare (ovvero di traslazione rettilinea) e quello rotatorio attorno a un asse fisso. Quando nel primo caso si ragiona in termini di forza, nel secondo lo si fa in termini di coppia.

Analogamente, nel moto rettilineo l’inerzia di un corpo viene misurata dalla sua massa, mentre nel moto di rotazione ad essa corrisponde il momento d’inerzia. In entrambi i casi quella che viene indicata è la resistenza alle variazioni di velocità. Il momento d’inerzia è direttamente proporzionale alla massa del corpo e al quadrato del suo raggio (che per semplicità in questa sede supponiamo sempre di forma cilindrica o discoidale).

L’energia cinetica di un corpo che si muove rettilineamente è pari a metà del prodotto della massa per il quadrato della velocità mentre quella di un corpo rotante è pari a metà del prodotto del momento di inerzia per il quadrato della velocità di rotazione. Durante il ciclo di funzionamento, che come noto nei motori a quattro tempi si svolge in due giri dell’albero (ovvero in 720°), la coppia varia di continuo ed è positiva soltanto durante la fase di espansione. Quando si svolgono le altre tre fasi la coppia è negativa. In altre parole in tali fasi occorre fornire energia all’albero a gomiti per evitare che la sua velocità di rotazione diminuisca eccessivamente.

Questa energia è fornita dalle masse volaniche, nelle quali viene “incamerata” durante la fase di espansione.

Il ruolo del volano

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Come già detto lo schema costruttivo tipicamente adottato in campo auto prevede un grosso disco di ghisa o di acciaio, fissato a una estremità dell’albero a gomiti, che viene detto volano. Nei motori motociclistici di schema convenzionale esso si riduce al rotore del generatore di corrente o può anche mancare.

Il fatto che la coppia sia erogata in maniera pulsante e che in tre fasi del ciclo di funzionamento venga non fornita ma assorbita dall’albero determina continue variazioni nella velocità di rotazione di quest’ultimo. Le masse volaniche si oppongono a questi cambiamenti grazie alla loro inerzia rotazionale, ovvero al loro momento d’inerzia. In pratica esse riducono quindi le fluttuazioni di velocità: l’albero rallenta quando cede energia e accelera quando, durante l’espansione, la assorbe.

Il grado di irregolarità del motore è un rapporto nel quale al numeratore c’è la differenza tra la velocità di rotazione massima e quella minima e al denominatore vi è il valore medio della velocità stessa. Diminuisce all’aumentare del numero dei cilindri; in tal caso infatti aumenta il numero degli impulsi “utili” (coppia erogata da ciascun cilindro) che l’albero riceve nei 720° in cui si svolge un ciclo completo e si riduce la differenza tra la fluttuazione massima di velocità e il valore medio.

Passando da un monocilindrico a un bicilindrico il grado di irregolarità scende a meno della metà; in un quadricilindrico risulta inferiore a un terzo. È quindi chiaro che nei monocilindrici si devono impiegare masse volaniche molto più elevate di quelle che si utilizzano nei policilindrici. Oltre al volano (se presente) contano quindi i perni di biella, i bracci di manovella, i contrappesi dell’albero e parte delle bielle.

Insomma tutti gli organi rotanti, che il motore deve comunque accelerare quando sale di giri.

Officina: lunghezza di biella, un valore relativo

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