Iniziamo questa seconda parte dell’argomento sull’albero motore parlando della inerzia e del suo contributo ed importanza al funzionamento del motore. Un valore elevato di inerzia regolarizza il funzionamento dell’albero motore ed è assimilabile ad energia “immagazzinata” dall’albero motore durante la sua rotazione. Questa energia viene restituita quando l’albero motore riduce la sua velocità di rotazione, ad esempio durante le condizioni di freno motore. Molto importante è la inerzia dell’albero motore nelle applicazioni motociclistiche. Questa condizione di funzionamento è chiamata freno motore e permette di mantenere una regolarità di funzionamento del motore anche con carico (farfalla) ridotto o completamente azzerato. Nel campo automobilistico generalmente l’inerzia viene progettata al minimo per regolarizzare il funzionamento del motore in quanto su una vettura l’effetto della massa del veicolo e del grip delle ruote motrici è decisamente più elevato rispetto a quello presente su un motoveicolo. Ridurre l’inerzia vuol dire anche minimizzare il peso dell’albero motore. Mentre un albero motore con elevata inerzia assorbe energia durante le fasi di accelerazione migliorando la erogazione percepibile dal pilota specialmente su un motoveicolo. La soluzione meccanica per aumentare il valore di inerzia sugli alberi motore senza aumentare il volume e quindi gli ingombri, è quello di utilizzare delle pastiglie di materiale ad alta densità . Generalmente si usano leghe a base di tungsteno. Queste pastiglie vengono piantate su omologhe sedi circolari realizzate nelle maschette (o contrappesi) dell’albero motore alla maggiore distanza possibile compatibilmente con lo spessore minimo dal bordo della maschetta. Spesso si usano anche inserti che vengono collegati sul diametro esterno delle maschette con viti filettate mordenti e spine di centraggio. Nella applicazioni automobilistiche da competizione, dove il diametro di ingombro massimo dell’albero motore determina l’altezza del motore da terra, si cerca di massimizzare il numero di pastiglie sulla maschetta per recuperare il massimo della inerzia. In applicazioni motociclistiche si sceglie spesso di montare un volano esterno, su un estremo dell’albero motore, al fine di incrementare la inerzia dell’albero motore (magari già appesantito da pastiglie di metallo pesante) al fine di avere la possibilità di provare in pista soluzioni con differente inerzia (volani differenti) in modo rapido durante le comparative. Sono stati condotto importati studi sulla affidabilità dell’albero motore. Questo elemento infatti è uno dei primi ad essere calcolato durante il progetto di un motore nuovo tenendo un importante margine di sicurezza di funzionamento. E’ importate infatti nelle fasi di calcolo pensare già a quello che sarà lo sviluppo del motore sia in termini di potenza massima che RPM massimi motore. Un albero motore leggero significa che avremo montato bielle e pistoni leggeri e generalmente avremo bassi valori di frictiono attriti interni al motore. Una particolare attenzione viene dedicata durante la progettazione alla forma dei raggi di raccordo tra perni di banco e manovelle e tra i perni di manovelle e manovelle stesse (Fig. 1). La direzione ed il diametro dei fori di lubrificazione presenti all’interno dell’albero devono essere progettati sia tenendo conto della possibile lavorabilità sia salvaguardando le sezioni minime che attraversano. Spesso l’incremento dei raggi di raccordo può preservare da tensioni elevate, ma a pari condizioni di progetto, non favorisce bronzine di biella e di banco sufficientemente larghe.
Fig. 1 : risultato FEA dello stress su un raggio di raccordo del perno di manovella
Ridurre la larghezza delle bronzine aumenta le pressioni di contatto nel meato e può aumentare le probabilità di usura in questi accoppiamenti. Un esempio nella direzione di ridurre gli stress e quello di forare i perni di manovella al fine di ridurre il peso sia da questo lato sia dal lato della bilanciatura. Un altro aspetto che interessa la vita a fatica degli alberi motore sono le foratura per la lubrificazione. Nei motori da competizione (F1 e MotoGp) la lubrificazione dei perni di manovella è realizzata con una foratura iniziale sul perno di banco (di un lato) e prosegue con forature che attraversano la sezione del ricoprimento (overlap) dei perni di banco/biella. L’olio in questo modo deve vincere una minore forza centrifuga rispetto al caso di un albero motore con foratura attraverso (radialmente oppure in modo sgembo) dal perno di banco al perno di biella (Fig.2). Questa ultima foratura risulta spesso più difficile da fare specialmente nella soluzione sghemba che comunque favorisce la carica dell’olio all’interno del perno grazie alla rotazione dell’albero motore.
Fig 2 : esempio di foratura attraverso perno di manovella, di manovelle a coltello per riduzione degli attriti di ventilazione e di perno di manovella (in lato) forato
L’utilizzo di sistemi di calcolo FEA permettono di simulare le condizioni di funzionamento di un albero motore completo di bronzine e bielle. E’ fondamentale infatti non considerare l’albero motore come un elemento a se stante ma completo degli organi collegati ad esso. La rigidezza di un albero motore può condizionare in modo significante il funzionamento delle bronzine montate su di esso e quindi la lubrificazione di tutti gli organi del manovellismo. Negli ultimi 20 anni l’utilizzo di macchine a controllo numerico CNC ha permesso di realizzare configurazioni e profili di maschette di alberi motori decisamente interessanti e prestazionali. La ripetibilità delle lavorazioni e la loro precisione ha permesso di aumentare la qualità e quindi la affidabilità dei questi componenti. Un discorso simile vale per i materiali ed i trattamenti termici utilizzati su questi componenti. La nitrurazione (Fig. 3) rimane il trattamento più utilizzato sulle superfici dei perni per aumentare la durezza superficiale, la resistenza alla usura ed incrementare lo stress di compressione.
Fig. 3 Esempio di attrezzatura per la nitrurazione di alberi motore
Lo stress di compressione residuo permette di ridurre lo stress superficiale risultante durante il funzionamento dell’albero in condizioni di sollecitazione di trazione. Trattamento alternativo è la carbonitrurazione. Questo processo avviane a temperatura elevate e può procurare distorsioni notevoli. Per questo sono necessari processi di raddrizzamento post trattamento prima di lavorare di macchina i pezzi. Inoltre nel caso della nitrurazione gassosa o carbo-nitrurazione è necessario eliminare lo spessore della coltre bianca da 0.05 mm a 0.01 mm al fine di evitare che si abbia un distacco durante il funzionamento nel contatto con la bronzina di biella. La nitrurazione ionica invece elimina questo problema del rischio della presenza della coltre bianca, essendo presente solamente uno spessore decisamente inferiore al caso precedente e 0.001 mm / 0.005 mm. Con una efficace tribofinitura isotropica si riesce a lucidare molto bene l’albero specialmente nelle zone delle superfici dei perni di banco e manovella e relativi raggi di raccordo.
Fig 4 : esempio di albero motore tribo finito al 100%. Si notano come le superfici risultino a specchio rispetto a altri tipi di alberi motore non trattati con questa metodologia.
Un altro argomento importante nel progetto degli alberi motore sono le vibrazioni specialmente quelle torsionali. Le variabili che maggiormente influenzano le frequenze naturali sono l’angolo delle bancate e l’ordine di scoppio. In alcune applicazioni da competizione si notano elementi smorzatori sull’albero motore così pure sulla catena cinematica della distribuzione al fine di “tagliare” e smorzare la ampiezza delle vibrazioni e ridurre lo stress sull’albero motore. E’ un argomento molto dettagliato di cui si può trovare una bibliografia molto dettagliata anche nei riferimenti a fondo articolo. In queste sue parti di articolo abbiamo potuto analizzare che gli alberi motori sono elementi chiave per il progetto e lo sviluppo di un motore. Sono elementi sicuramente costosi, specialmente se ricavati dal pieno e una rottura ha un effetto distruttivo sul motore nel suo completo. La scelta del materiale come del trattamento idoneo, della rugosità superficiale sono fasi fondamentali anche per la affidabilità dei componenti che sono collegati ad esso come la biella, le bronzine di banco e di biella. Indico a fine articolo alcuni articoli o riferimenti che ritengo molto interessanti per tutti coloro che vogliono approfondire questo argomento :
- Shigley, J.E., and Mischke, C.R., “Mechanical Engineering Design”, 5th edition, 1989, McGraw-Hill, ISBN 0070568995
- Raimondi, A.A., and Boyd, J., “A Solution for the Finite Journal Bearing and Its Application to Analysis and Design”, Transactions of the ASLE, vol 1, no 1
- Peterson, R.E., “Stress Concentration Factors”, Wiley, 1974, ISBN 0-4716-8329-9
- Martinaglia, E., “Structural Durability of Crankshafts”, Sulzer Technical Review, 1943
- Ker Wilson, W., “Practical Solution of Torsional Vibration Problems”, 3rd edition. Chapman & Hall, 1956
- Rubbra, A.A., “Rolls-Royce piston aero engines: A designer remembers”, Rolls-Royce Heritage Trust, 1990, ISBN 1-8729-2200-7
- Ward, W., Focus article on crankshafts, Race Engine Technology magazine, issue 49, September/October 2010
- Nestorides, E.J., “A Handbook on Torsional Vibration”, British Internal Combustion Engine Research Association/Cambridge University Press, 1958
- Ker Wilson, W., “Practical Solution of Torsional Vibration Problems”, 3rd edition, Chapman & Hall, 1956
- Ker Wilson, W., “Torsional Vibration in Automobile Engine Crankshafts”, Proc. IMechE, vol 30, 1936
