2° ARTICOLO – LA BRONZINA NEGLI ACCOPPIAMENTI DELL’IMBIELLAGGIO MOTORE

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La progettazione meccanica come la vita è sempre un interessante compromesso. Come ingegneri siamo familiari col principio del dare ed avere, ed una volta che una soluzione è  provata e si rende affidabile, fino a quando non si trova un miglioramento decisivo con una idea o tecnologia differente, tendiamo ad utilizzarla in modo ampio e chiaro. Un esempio sono i cuscinetti a strisciamento chiamati shell o plain bearings. Concettualmente è un semplice semiguscio metallico, con doppio o triplo strato metallico, utilizzato negli accoppiamenti tra perno di manovella e biella oppure tra perno di banco e basamento. Questo tipo di accoppiamento deve soddisfare ad una serie di requisiti contraddittori. Prima di tutto deve essere abbastanza resistente per sostenere i carichi alterni che si trasferiscono tra gli elementi dell’accoppiamento : biella e perno relativo oppure tra perno di banco e basamento. All’aumentare della velocità di rotazione del motore, sia dovuta alla combustione sia  dovuta a condizioni di scalata di marcia (downshift), le forze su questi componenti crescono molto e le più tradizionali bronzine bi-metalliche sono state sostituite dalle più resistenti e costose bronzine tri-metalliche alle quali è stato aggiunto il bronzo ed il piombo. Questo tipo di bronzina è largamente usata nella maggior parte delle applicazioni motoristiche sia per uso di produzione sia nei motori da competizione. Il bronzo ha inoltre una altra funzione molto importante che è quella di trasmettere calore alla parte con cui si accoppia con maggiore efficienza rispetto ad altri materiali, come per esempio avviene in un altro importante accoppiamento, ma statico, tra la sede oppure la guida valvola e la testa motore. Una ulteriore caratteristica distintiva della bronzina piana, che spesso si ignora, è la capacità di intrappolare e quindi di trattenere alcuni piccoli residui metallici presenti nel motore e nel circuito di lubrificazione, che si creano per usura delle parti, siano essi a base ferrosa oppure a base di materiali derivati da leghe leggere come alluminio oppure titanio. Questa qualità è molto importante specialmente nella fase iniziale del rodaggio del motore quando la superficie più “soft” o deformabile della bronzina, è in grado di assorbire anche rugosità ancora presenti dopo la rettifica e lucidatura, per esempio dei perni dell’albero motore e dei perni di biella o manovella. Importante nella fase di progettazione del motore, definire il grado di efficienza del filtro olio, in modo da utilizzare veramente questo elemento come strumento di flussaggio del motore nelle fasi di rodaggio o prime condizioni di funzionamento e sicuramento quando la usura è stabile e quindi presente all’interno del motore nel normale funzionamento. Sicuramente, la presenza del cambio e della frizione all’interno del motore, come spesso accade nei motori motociclistici di produzione oppure da competizione come quelli montati sulla moto da SBK, può peggiorare la pulizia dell’olio e quindi la qualità dell’olio che adduce alle bronzine. Infatti la perdita di carico più elevata che si può avere sul filtro a seguito di un elevato o consistente livello di impurità nel filtro può fare decadere anche il livello di pressione olio alle bronzine stesse riducendo la capacità di carico nell’accoppiamento bronzina e perno relativo. Nello stesso tempo la bronzina o coppia di semiguscii, deve essere in grado di deformarsi ed adattarsi al movimento ed alla forma non perfetta del perno di banco, del perno di manovella e del cappello della biella, durante la fase di rotazione degli stessi. Tutto questo deve essere garantito sia nella fase iniziale del funzionamento del motore sia quando il motore presenta un numero elevato di ore oppure di chilometri percorsi. Sicuramente si considera che la fase di “early-life-bearing” indicata come “periodo iniziale della vita della bronzina”, sia la più importante ed essenziale per garantire una vita affidabile di questo componente. A pari modo anche la giusta adduzione di olio, già al primo avviamento oppure a tutti gli avviamenti del motore è fondamentale per garantire il minimo, ma sufficiente spessore di olio nel meato tra i due semiguscii ed il perno relativo. Quindi la resistenza dello strato tri-metallico, così come il materiale di base con il quale è realizzata la bronzina, (generalmente è un nastro di acciaio) deve essere il giusto compromesso di rigidezza e deformabilità.  In un progetto di una bronzina o semiguscio del tipo tri-metallico, la struttura è realizzata in acciaio, derivato da nastro ad alta resistenza, con l’aggiunta di una deposizione di uno strato di bronzo e successivamente di uno strato sottile di nickel. L’ultimo strato presente è caratterizzato dalla presenza di una lega di piombo e stagno. Alternativi a questo ultimo strato è il Babbitt metal a base primaria di stagno : è chiamata anche struttura multi-metallica. La presenza del nickel agisce come barriera fisica per evitare la separazione dello stagno dal terzo strato evitando la riduzione della resistenza alla abrasione. Potrebbe essere interessante allora pensare ad uno strato aggiuntivo sopra questo terzo che, dopo un certo periodo di funzionamento, possa diffondere ulteriore stagno al fine di incrementare nel tempo la resistenza superficiale. Si potrebbe stimare, specialmente per i motori di elevate prestazioni, un incremento del 15% della resistenza alla abrasione utilizzando bronzine a 4 strati. Dopo aver illustrato la struttura della bronzina, mi soffermo in particolare su un evento critico che si presenta in questo tipo di accoppiamenti lubrificati quando si creano delle condizioni di lubrificazione non particolarmente idonee, oppure le condizioni di funzionamento, le forze in azione e le velocità di rotazione sono molto elevate e non previste a priori per il dimensionamento delle bronzine. Questo evento oppure anomalia di funzionamento si chiama : cavitazione. In generale ed anche nella mia esperienza di progettista di motori da competizione con velocità medie di pistone elevate (superiori a 24 m/sec e fino a 27 m/sec), le bronzine maggiormente delicate e critiche nel loro funzionamento sono quelle del perno di manovella oppure chiamate più semplicemente bronzine di biella (montate nella testa di biella, in inglese big end bearings). Per garantire che le bronzine di biella siano costantemente lubrificate, in ogni condizione di funzionamento, avviamento, minimo RPM (giri motore) ed al massimo RPM, la pressione di mandata della pompa olio deve essere superiore alla sommatoria delle perdite di carico (intese come pressione) previste nel motore. Oltre a queste perdite bisogna tenere in considerazione che la forza centrifuga, agisce come una importante perdita di carico specialmente ad alti RPM e quindi ad elevate velocità medie di pistone. Infatti quanto l’alimentazione dell’olio alle bielle avviene attraverso il diametro del perno di banco, ci possiamo trovare in condizioni di pressione vicina a zero “0” oppure molto bassa al centro dell’albero motore come conseguenza di aver vinto la forza centrifuga che agisce sull’olio lungo il canale presente all’interno di tale perno dell’albero motore. Anche se a calcolo si valuta positiva la pressione in oggetto, bisogna sempre considerare effetti come la Ra del canale olio, la presenza di imperfezioni di lavorazione nella foratura, il disallineamento della bronzina di banco e del suo canale circonferenziale rispetto al foro nell’albero e tutte le condizioni termiche che possono portare a peggiorare i giochi di funzionamento che sicuramente aumentano alla temperatura di regime. L’olio inoltre, nelle simulazioni a calcolo, è considerato come fluido Newtoniano, non comprimibile, con struttura omogenea e con assenza di impurità dovute a residui metallici di usura, chiamati “debrits”. Inoltre i residui di combustione quali gas incombusti, presenza di percentuali di benzina incombusta ed eventuali residui a base di acqua, possono fare calare molto le caratteristiche di lubrificazione dell’olio. Anche la presenza di bolle di aria possono fare calare la densità dell’olio localmente negli accoppiamenti in oggetto, peggiorando le condizioni al contorno nel meato dell’olio che stimiamo a calcolo integro e regolare lungo la larghezza della bronzina. Quando la temperatura all’interno della coppa olio o del serbatoio, da dove la pompa aspira, supera i 100°C, la bassa percentuale di acqua nell’olio, evapora liberando ossigeno che se, non viene separato con appropriati separatori di olio/aria come centrifugatori o simili strumenti meccanici, arriva alle bronzine riducendo la capacità portante del meato. Seguiranno quindi fasi di contatto tra metallo e overlay (terzo strato indicato precedentemente) con usura e laminazione metallica. L’aria può anche essere presente a seguito di mancati “pescaggi” quando le accelerazioni del veicolo fanno muovere la massa di olio nella coppa in modo disordinato e si scopre la zona di aspirazione della pompa. Come noto lo spessore del film di olio e quindi la distribuzione di pressione è generata anche dall’effetto di pompaggio dovuto alla rotazione eccentrica del perno di banco o manovella all’interno della bronzina. Quindi è immediato pensare che c’è una zona ad alta pressione ed una a bassa pressione.  Nella zona divergente, la pressione crolla in modo rapido e, se questo cambiamento è molto improvviso, provoca la solubilizzazione della benzina oppure dell’olio. La pressione nel meato supererà la pressione di saturazione e avremo il fenomeno chiamato : cavitazione. Sono stati quindi presentati due fenomeni che portano alla cavitazione. Il primo legato ad aria o gas (residui di combustione) presenti nell’olio già in coppa o nel serbatoio di aspirazione. Questo tipo di cavitazione è meno problematica per le bronzine in quanto una parte dei gas presenti nell’olio vengono eliminati quando la pompa, comprimendo la miscela di olio, (chiamata così perché alla pompa non arriva solo olio a densità nominale) elimina una parte di miscela in eccesso nella valvola di ricircolo della pressione. Mediamente il ricircolo è del 20%- 30% rispetto alla portata in ingresso alla aspirazione. Il secondo legato ad un fenomeno di funzionamento ed in dettaglio è legato alla vaporizzazione. Essendo un fenomeno che fa cambiare lo stato fisico del fluido da liquido a gas e viceversa, è sicuramente più pericoloso e crea rilevanti danni meccanici, specialmente in un accoppiamento come quello del perno di manovella in cui le forze cambiano notevolmente legate ai carichi di combustione ed inerziali. Ad alti regimi di rotazione, come quelli dei motori da competizione, la frequenza alla quale questo cambiamento di fase accade è molto elevata e la durata così breve che la pressione nell’olio rapidamente cala e la benzina disciolta può evaporare rapidamente. Come la pressione cresce nuovamente, le bolle causate dalla evaporazione collasseranno e si ritorna alla fase iniziale. Questa ciclicità si traduce in fatica di usura della superficie delle bronzine. Le anomalie sulle bronzine di biella sono uno dei argomenti più difficili da simulare nel loro funzionamento e anche da tradurre in azioni di progetto. Infatti spesso quando si ha una anomalia importante le bronzine usurate sono molto danneggiate e difficili da analizzare. Esistono comunque dei metodi di confronto che i costruttori di bronzine forniscono ai progettisti ed agli sperimentatori dei motori, al fine di tradurre in causa la visione di un effetto o di un danneggiamento su tali componenti.

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Allego per questo due link interessanti che propongo sempre anche agli studenti del master in Race Engine Engineering (http://www.peopledesign.it/it/master.php) come inizio di una discussione o confronto.

http://catalog.mahleclevite.com/bearing/

http://www.studebaker-info.org/tech/Bearings/CL77-3-402.pdf

http://www.aera.org/ep/downloads/ep8/EPQ409_26-27.pdf

http://www.machinerylubrication.com/View/28933/engine-bearing-lubrication

Inoltre dal secondo e dal terzo link web è possibile scaricare due documenti pdf della azienda Clevite che tra l’altro è fornitore ufficiale del campionato americano Nascar per questi importanti componenti.