3° ARTICOLO – L’ALBERO MOTORE – 1a PARTE

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Il meccanismo o sistema meccanico sul quale tutti i motori anche da competizione, sono progettati è quello che comprende tre organi principali : l’albero motore, la biella e il pistone comprensivo dello spinotto. Unitamente ai precedenti, sono da considerarsi come accessori, ma non di minore importanza, le viti di biella, le bronzine della testa della biella, la bronzina di piede di biella, gli anelli di ritegno dello spinotto e ed il/i segmento/i di compressione e raschiaolio del pistone. Questo sistema meccanico è decisamente complesso sia per quello che riguarda la progettazione dei singoli componenti sia per il loro calcolo strutturale. Bisogna infatti tenere in conto sia della caratteristiche di funzionamento dovute alle forze in gioco che si scambiano i componenti, sia delle condizioni al contorno. Un esempio sono la lubrificazione e il movimento degli stessi organi all’interno del vano basamento generando sicuramente effetti difficili da simulare e prevedere, come per esempio le perdite per attrito. Questo sistema mi piace definirlo il cuore del motore. In particolare di più mi piace definire l’albero motore, oggetto di questo approfondimento, la spina dorsale del motore. Sono rari i motori, come il tipo Wankel (o motore rotativo) che non dispongono di un organo così importante e complesso. Da quando esiste il motore a combustione interna di tipo alternativo, vari tentativi sono stati condotti al fine di migliorare il suo funzionamento, ma a parte alcune varianti rimaste in applicazioni di nicchia, il suo concetto e principio è rimasto inalterato. Nei motori da competizione molte applicazioni estreme non hanno trovato successo ed è per questo che gli sforzi dei progettisti si sono indirizzati a migliorare soprattutto le fasi di progettazione, di scelta del materiale e infine, specialmente negli ultimi anni, la riduzione delle perdite per attrito anche dal punto di vista aerodinamico. Per queste ragioni il meccanismo di funzionamento dell’albero motore, insieme al pistone ed alla biella come elemento di collegamento, rimane ad oggi uno dei più affascinanti ed interessanti da analizzare specialmente nei motori moderni da competizione che raggiungono velocità medie del pistone anche superiori a 27 m/sec.
In un motore così detto alternativo, l’albero motore è mosso dal moto verticale del pistone tramite la biella. L’albero motore è quindi l’elemento finale del meccanismo all’interno del motore. A seguito di quest’ultimo sarà presente una catena cinematica comprensiva di frizione, cambio e trasmissione finale, presenti sia su un autoveicolo oppure un motoveicolo. Nella maggior parte dei motori da competizione, la corsa dell’albero motore e quella del pistone sono progettate per essere identiche senza considerare i giochi presenti nel cinematismo e le numerose deformazioni dei singoli organi in oggetto. In alcune soluzioni da competizione più estreme, qualora l’asse dell’albero motore non interseca l’asse del cilindro all’interno del quale si muove in moto alternativo il pistone, la corsa del dell’albero motore è differente dalla corsa del pistone. Questa soluzione, negli ultimi anni è diventata comune anche in alcuni motori di produzione con obiettivi anche comuni alla medesima soluzione impiegata sui motori da competizione, come la riduzione degli attriti e quindi l’aumento del rendimento globale del motore.
Quindi la funzione principale dell’albero motore sembra essere quella di convertire principalmente il moto alternativo del pistone in moto rotatorio indipendentemente dal numero di pistoni presenti nel motore. Esistono però altre funzioni come quella di trasferire, tramite canalizzazioni interne alla stessa struttura, l’olio alle utenze come le bronzine di biella ed in alcuni casi a quelle di banco. Ci sono comunque esempio nelle competizioni, dove anche la biella ha una funzione ulteriore a quella già indicata. E’ quella, per esempio, di trasferire ed indirizzare tramite la sua geometria interna ed il suo movimento alternativo, una cerca portata di olio per lubrificare il contatto tra la bronzina di piede (di biella) e lo spinotto, oltre che indirizzare questa portata per raffreddare in parte una zona del pistone. L’albero come la biella diventano due elementi attivi che grazie alla rotazione della propria geometria, spesso molto complessa, imprimono all’olio la giusta accelerazione per uscire e riempire i meati presenti negli accoppiamenti da lubrificare anche più complessi. L’obiettivo della case costruttrici di motori e di veicoli da competizione è quello sicuramente di raggiungere il massimo delle prestazioni che non sempre sono la potenza massima, ma anche affidabilità, il ridotto consumo di carburante e massimizzare efficienza globale del motore. E’ in questo ultimo caso che l’albero motore partecipa in modo fondamentale alla riduzione per esempio delle perdite per attrito permettendo un incremento importante delle prestazioni del motore. Sicuramente la corretta progettazione anche da un punto di vista strutturale, oltre che di efficienza, può rendere un progetto fin dall’inizio profittevole, prestazionale e soprattutto con un buon margine di sviluppo nei periodi successivi al progetto iniziale. Un albero motore pensato e progettato correttamente fin dall’inizio permette al progettista di avere un margine sullo sviluppo del motore anche negli anni successivi, in modo importante, senza scendere a compromessi con la affidabilità, che è l’elemento primario per la vittoria in qualsiasi categoria da competizione. Una debolezza nella progettazione iniziale dell’albero motore e degli organi a lui correlati può rivelarsi molto dannosa e limitante per lo sviluppo futuro del motore e del veicolo in oggetto. L’albero motore è uno degli elementi che partecipa di più alle perdite per attrito del motore. Considerando infatti che le perdite meccaniche in un motore a combustione interna sono stimabili attorno al 10% circa, l’11% di questa perdita totale è da imputare al movimento dell’albero motore, il 14% al sistema pistone e biella ed al 9% al gruppo segmenti del pistone. Infine il 65% delle perdite meccaniche è da imputare allo scambio con i gas ed al comando degli accessori detti ausiliari, come le pompa/e olio, pompa/e H2O ed eventuali contralberi di bilanciatura ed organi in rotazione della distribuzione.

Vedi figura 1

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In particolare se osserviamo un albero motore, ci possiamo accorgere che il primo punto di perdita meccanica è dovuto ai componenti adiacenti ad esso che interagiscono in modo diretto tramite un velo sottile di olio, chiamato film di olio lubrificante. Questi componenti sono chiamate semi bronzine di banco e di biella. Nei motori da competizione si utilizzano principalmente bronzine di banco del tipo piano che supportano, grazie alle condizioni idrodinamiche di lubrificazione che si generano dal funzionamento e dal tipo di lubrificazione forzata, l’albero motore durante la rotazione. Lo stesso avviene per le bielle, rispetto all’albero motore, tramite le bronzine di biella. Ci sono stati casi di alberi motore da competizione (anche in Formula 1) che erano montati su cuscinetti a rotolamento tipo a rulli. Sono stati casi sporadici di motori multi cilindri provati come attività di sviluppo o test al banco prova. In recensioni tecniche più specializzate si riporta che i vantaggi di questo tipo di cuscinetti portò ad un vantaggio in termini di potenza netta all’albero pari a 20 Cv su un totale di 750 Cv. Era sicuramente un vantaggio molto importante, ma la complicazione costruttiva, che comprendeva cuscinetti divisi in due semi metà per permettere il montaggio su alberi motore monolitici, ha rallentato fino a eliminare questa soluzione dai motori da competizione più complessi. Inoltre simili vantaggi in prestazione, furono misurati in modo consistente e ripetitivo in motori da competizione, riducendo la quantità di olio alle bronzine di banco utilizzando in aggiunta degli olii motore molto fluidi e speciali rivestimenti sugli organi meccanici. La semplicità del montaggio di una semi bronzina rispetto ad un cuscinetto a rulli (in due parti) ha prevalso anche da un punto di vista economica anche nel settore delle competizioni più estreme.
Le perdite tra albero motore e bronzina sono dovute alla azione di forze di taglio che si creano nel meato di olio. La ricerca di maggiore prestazione, in questo caso potenza ad alti regimi, comporta sicuramente maggiori perdite per attrito tra albero motore e bronzina. La velocità maggiore dell’albero motore genera una maggiore velocità tangenziale nell’accoppiamento perno e bronzina creando maggiore friction.
Esistono molti riferimenti di calcoli nella letteratura su questo argomento. Ma sicuramente in prima approssimazione possiamo dire che l’elemento principale che contribuisce alle perdite meccaniche è il diametro del perno dell’albero motore. Lo sforzo che i progettisti fanno è infatti quello di ridurre al minimo il diametro dei perni di banco dei motori da competizione specialmente nei casi di alte velocità di rotazione del motore. Ridurre il diametro del perno o dei perni di banco rende però l’albero motore meno rigido e questo effetto può sicuramente peggiorare il tipo di condizioni idrodinamiche che si determinano nel meato agevolando eventuali contatti tra il bordo dell’albero ed il bordo della bronzina con contatti che possono anche in modo severo, generare usura su entrambe le parti. A seguito di questo contatto le friction aumentano peggiorando il rendimento del sistema oltre alla affidabilità del motore nel suo complesso. Se le risorse di simulazione numerica non possono aiutarci in queste attività predittiva della condizioni di funzionamento, è meglio progettare con un grado di sicurezza maggiore a favore della rigidezza dell’albero motore e delle bronzine. Una soluzione a questo punto può essere quella di ridurre il gioco tra le bronzine di banco e biella al fine comunque di avere meno olio nell’accoppiamento, ma sufficiente a garantire il meato in condizioni idrodinamiche anche a bassi RPM motore.
Un altro tipo di friction che gli alberi motore generano durante la loro rotazione è quella che viene chiamata “windage”. E’ definita come la perdita che sia ha quando un elemento ruota all’interno di un volume in cui è presente una miscela di differenti elementi sia liquidi che gassosi. Nel caso di un motore, l’elemento fisico è l’albero motore, il volume è il basamento e la miscela è un mix di olio ed aria oppure gas presenti come blow-by dai cilindri. Le perdite di attrito possono essere ridotte in vari modi : cercando di aspirare il gas dall’interno del motore con una serie di pompe di recupero che ruotano in modo proporzionale al regime del motore determinando una depressione ed estraendo la miscela di olio ed gas, oppure migliorando la forma della maschette dell’albero motore chiamate anche contrappesi. In questo secondo caso i software di calcolo più evoluti come, il CFD, possono indirizzare, dopo un primo tentativo di calcolo, i progettisti verso forme a coltello e molto affilate delle maschette stesse. Sono chiamate anche forma “knife-edge” in gergo anglosassone. In questo modo la miscela viene “tagliata” durante la rotazione. Il maggior guadagno, in riduzione di attrito si ha nei transitori quando l’accelerazione dell’albero motore è maggiore di quella della miscela. In tutte le condizioni di moto stazionario a regime costante, quando l’albero si muove alla stessa velocità e direzione della miscela all’interno del basamento il guadagno è nullo o molto basso. Un altro effetto di perdite è quella che si genera quando l’albero motore ruota con una parete fissa molto vicina ad esso. Si crea una situazione di intercapedine di olio che determina friction tangenziali. Esistono soluzione tipo coltelli separatori, detti anche “oil scrapers knife” che possono eliminare questa situazione di stallo dell’olio in questa intercapedine, a favore anche della riduzione del volume nocivo nel basamento e quindi degli ingombri generali del motore.Un importante ciclo di lavoro post finitura sugli alberi motore ha permesso di ridurre moltissimo le rugosità di tutte le superfici geometriche esterne dello stesso. Questo ciclo è chiamato tribofinitura superficiale e permette di migliorare le condizioni di funzionamento nell’accoppiamento con le bronzine di banco e biella. Inoltre di conseguenza il meato dell’olio risulta essere più omogeneo e costante lungo tutto la lunghezza della bronzina. E’ per questo motivo che i perni di banco e manovella appaiono così lucidi a specchio specialmente per applicazione motoristiche da competizione.
La seconda parte dell’articolo esaminerà e completerà l’argomento sull’albero motore con gli argomenti : l’inerzia, il progetto per l’affidabilità, la produzione, i materiali, i trattamenti termici e le vibrazioni. Si completerà con un sommario ed utili riferimenti bibbliografici

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