Motorsport

Disegno e materiali

La biella è un elemento altamente sollecitato in quanto trasferisce alla manovella sia le forze di combustione che quelle di inerzia. Deve essere contemporaneamente il più resistente possibile e il più leggera possibile dovendo minimizzare la propria forza di inerzia. Per questo motivo nei motori da competizione è realizzata con materiali ad elevato rapporto resistenza/densità: acciai altolegati 39NiCrMo3, 16NiCrMo2, 30NiCrMo12, acciai Maraging, leghe di titanio. Nei motori stradali alberi a gomito e bielle vengono realizzati in ghisa a grafite sferoidale e sono ottenuti per fusione. Il risultato è il prezzo notevolmente basso e vantaggioso per una produzione così numerosa e prestazioni tutto sommato all'altezza delle esigenze con i 6000-7000 giri/minuto raggiungibili. Eccezioni sono i motori Honda che adottano bielle e alberi in acciaio anche per la produzione stradale (con la possibilità di raggiungere gli 8500 giri/min). Naturalmente non abbiamo considerato le supercar stradali che sono un altro mondo... Si noti che nei motori motociclistici 2 tempi ove l'albero motore è scomponibile, le bielle sono ricavate in un sol pezzo (la testa della biella non è scomponibile) ed hanno così una resistenza molto più elevata che permette loro di raggiungere giri motore molto più elevati. Se desideri avere più informazioni circa i materiali, visita le pagine suggerite nei "link correlati" indicati in basso.

 

Bielle tipo F1

Le bielle impiegate nei motori che raggiungono elevati regimi di rotazione devono assolvere due importanti compiti: resistere a forze eccezionali (ad esempio in F1 ogni combustione genera una spinta di alcune tonnellate e accelerazioni di circa 10.000 g), essere allo stesso tempo le più leggere possibili. La biella in generale è un organo il cui moto viene osservato in maniera articolata. Esso è considerato puramente alterno nella porzione che ingloba il piede di biella mentre, nella porzione che include la testa di biella, esso è considerato circolare. Questo implica che, a mano a mano che si sale con le prestazioni, il disegno dovrà essere ottimizzato per assolvere al meglio la varietà di compiti che la biella sarà chiamata a svolgere. Ma ottenere una biella resistente e allo stesso tempo dalla massa contenuta equivale un po' a tirare una coperta corta, se copri qualcosa da una parte scoprirai senza meno qualcosa da qualche altra parte. Per tale ragione si ricorre all'ottimizzazione topologica. Si cerca infatti di analizzare l'organo topologicamente andando a togliere materiale laddove le fibre non vengono chiamate a svolgere importanti compiti di resistenza meccanica e si vanno ad irrobustire le zone più sollecitate adottando anche forme elaborate che offrano una adeguata risposta ai carichi di punta così come alla presso-flessione.

 

Bielle fratturate

Fino a qualche anno fa le bielle delle normali vetture stradali presentavano la superficie di contatto, tra il cappello di biella e la semitesta di biella, perfettamente liscia. Questo perchè il processo produttivo di una biella, destinata ad un motore 4 tempi, prevede che inizialmente essa venga realizzata in un sol pezzo e, in un secondo momento, il cappello venga separato mediante lavorazioni per asportazione di trucioli. Le superfici di contatto vengono poi lavorate al fine di ottenere un ottima finitura superficiale. Ciò permette di garantire un contatto ottimale tra le due parti nel momento in cui vengono serrate le viti. Il problema di questa soluzione, però, risiede principalmente nel fatto che, dopo un buon numero di chilometri percorsi (200.000-300.000), il foro ottenuto tra il cappello di biella e la semitesta di biella, si ovalizzi. Generalmente si misura un diametro maggiore sull'asse orizzontale del foro rispetto al diametro misurato sull'asse verticale. La rotazione della testa di biella (durante il ciclo di funzionamento del motore) imprime una sollecitazione alle viti ed al cappello che tende a traslare rispetto alla sua corretta posizione. Il ripetuto tentativo di movimento dalla posizione d'origine porta uno stress nelle fibre del materiale che tendono a cedere allungandosi in direzione dello sforzo. Ne derivano ovvi problemi di affidabilità del motore a seguito del mancato rispetto delle tolleranze di accoppiamento tra la biella ed il perno di biella presente sull'albero motore. Anche il velo d'olio non si forma più in modo omogeneo e le bronzine non riescono a lavorare correttamente andando a deformarsi ed accusando una lubrificazione irregolare laddove il diametro è aumentato.

Un'interessante soluzione, volta ad evitare simili problemi, prevede che le bielle vengano ottenute comunque in un sol pezzo ma con la fondamentale differenza che il cappello, invece di essere separato per asportazione di trucioli, viene ottenuto per frattura. Fratturare il cappello di biella produce una superficie rugosa piuttosto regolare (a patto che il materiale utilizzato lo permetta), questa è in grado di assicurare in modo "solido" il contatto tra cappello di biella e semitesta di biella. A mano, senza avvitare le viti, è possibile constatare come il cappello di biella, anche solo con una leggera pressione delle mani, non tenda assolutamente a muoversi dalla sua posizione. Ovviamente ogni cappello di biella può essere montato solo sulla sua specifica biella e solo nel verso in cui è stato fratturato. In sostanza ogni cappello è diverso dall'altro. I vantaggi riscontrati sono l'assenza di fenomeni di ovalizzazione anche dopo un abbondante numero di chilometri percorsi, e l'inutilità di dotare le bronzine di appositi fermi che le mantengano in posizione corretta. La procedura di frattura consiste nell'incidere il punto di frattura desiderato sulla biella (costituita ancora da un sol pezzo), dopodiché si separa idraulicamente il cappello della biella adoperando pezzi sagomati semirotondi i quali vengono pressati nel foro della testa di biella. Il metodo della frattura, a differenza di quanto si possa pensare, non viene adottato solo sulle bielle in ghisa sferoidale, bensì anche sulle bielle in acciaio ottenute per sinterizzazione* o per sinterforgiatura. Non è invece praticabile su bielle in acciaio forgiato per stampaggio in quanto la frattura produrrebbe schegge decisamente pericolose e inaffidabili. Le bielle sinterizzate hanno proprietà meccaniche migliori rispetto alle bielle forgiate per stampaggio, di conseguenza il dimensionamento può essere meno generoso e di conseguenza anche la loro massa.

*Si tratta di bielle ottenute in polvere d'acciaio legato come pezzo fucinato sinterizzato.

 

Bielle Fork and blade

Nonostante sulla quasi totalità dei motori ad elevate prestazioni, con schema a V, sia adottata la soluzione che prevede, per ogni perno di biella, una coppia di bielle affiancate (confluenti quindi sulla stessa manovella), risulta di particolare interesse tecnico osservare anche la soluzione “Fork and Blade” ovvero la soluzione delle bielle a “coltello e forchetta”. Influenza sulla lunghezza del motore. Se da un lato le bielle tradizionali presentano il vantaggio di un disegno semplice che permette di realizzarle con processi produttivi altrettanto semplici e costi relativamente contenuti, dall’altro però impongono uno sfalsamento dei cilindri delle due bancate pari alla larghezza di una testa di biella. Il motore risulta pertanto più lungo e tale condizione può causare non pochi problemi in taluni progetti. Nei motori dotati di bielle a “coltello e forchetta” ciò non si verifica e le due bancate sono perfettamente simmetriche grazie alla sovrapposizione della testa di biella a forchetta sulla testa di biella a coltello che porta gli assi verticali delle bielle sullo stesso piano.

Gli attriti. Altro aspetto fondamentale da notare riguarda gli attriti. L’esperienza di decenni di motorismo insegna che conviene far lavorare il cuscinetto con la massima possibile forza media, cioè conviene far lavorare in modo alterno le forze provenienti dalle due bielle sullo stesso cuscinetto anziché scaricarle su due cuscinetti indipendenti. Questo significa che la soluzione “Fork and Blade” risulta favorita, sotto questo punto di vista, dalla presenza di un singolo cuscinetto. La geometria e la massa. Infine è opportuno tener conto degli aspetti legati alla geometria delle due soluzioni, la biella a forchetta, presenta una geometria più complessa rispetto alla biella a coltello (o alla biella di tipo tradizionale), la sua particolare conformazione a forchetta pecca per la tendenza ad allargare o stringere le gambe. Tale fenomeno pregiudica l’affidabilità dell’imbiellaggio ed il problema viene corretto mediante l’adozione di un apposito vincolo, tipo incastro, atto a ridurre i momenti flettenti. Anche la massa della soluzione “Fork and Blade” risulta leggermente più elevata rispetto a quella di una comune coppia di bielle. Le ovvie conseguenze hanno effetti che si ripercuotono sul regime di rotazione raggiungibile e sulla necessità di dotare l’albero a gomiti di contrappesi adeguati i quali aumentano, di conseguenza, anche la massa dell’albero stesso.

 

Sollecitazioni meccaniche

Guarda il video delle sollecitazioni cui è sottoposta una biella.

 

Bielle in Acciaio

Tra le leghe più diffuse per questo fondamentale elemento del motore troviamo: 30 Ni Cr Mo 12. Questo acciaio è caratterizzato da una eccezzionale temprabilità e da resistenza a fatica anche con elevate temperature di esercizio.

Elementi di alligazione bielle in acciaio

Nichel: migliora la resistenza alla corrosione, all'ossidazione a caldo, facilita il trattamento termico di tempra, aumenta la resilienza, aumenta l'allungamento percentuale a rottura e la duttilità, aumenta il carico di rottura a trazione, aumenta la durezza. Peggiora invece la lavorabilità alle macchine utensili e la conducibilità termica.

Cromo: Aumenta la resistenza alla corrosione ed all'ossidazione a caldo, facilita il trattamento termico di tempra, aumenta la durezza, aumenta la resilienza, aumenta il carico di rottura, aumenta la resistenza all'usura. Peggiora conducibilità termica e lavorabilità alle macchine utensili.

Molibdeno: Aumenta la lavorabilità alle macchine utensili, aumenta il carico di rottura a trazione, aumenta la durezza, aumenta la resistenza all'usura, aumenta la resistenza alla corrosione ed all'ossidazione a caldo.

Manganese: aumenta la durezza, la resistenza all'usura, la resistenza alla corrosione ed all'ossidazione, il carico di snervamento e di rottura a trazione. Rende però l'acciaio suscettibile al riscaldo e pertanto diminuisce la resitenza a fatica.

 

Bielle in Titanio

L'uso del titanio nei motori ad alte prestazioni è molto appetibile perchè la riduzione delle masse in rotazione, e sopratutto di quelle in moto alterno, è di prioritaria importanza nella ricerca di regimi e potenze elevati. Dato che a parità di caratteristiche meccaniche una biella in lega di titanio pesa il 45% in meno di una in acciaio, i vantaggi diventano più che evidenti. Fra questi minori carichi che l'albero motore ed i relativi cuscinetti debbono sopportare, con effetti positivi in affidabilità e durata. Lo stesso albero motore, necessitando di contrappesi meno massicci, diventa più leggero. La lega di titanio più utilizzata nelle competizioni è: Ti-6Al-4V ed anche Ti 6A 14V.

Elementi di alligazione bielle in titanio

Il titanio non viene utilizzato puro, così come non viene mai utilizzata pura la stragrande maggioranza dei materiali impiegati nel motorsport e nella meccanica in generale, tra i principali elementi di alligazione adoperati per ottenere leghe con buone prestazioni troviamo: molibdeno; stagno; alluminio; vanadio; zirconio. Tali elementi migliorano le lavorazioni alle macchine utensili successive alla forgiatura; si aumenta notevolmente la resistenza all'usura anche alle elevate temperature. Naturalmente non è possibile usare il titanio puro in quanto ha una forte tendenza all'ingranamento ovvero a grippare con i materiali adiacenti. I problemi di attrito del titanio vengono risolti con: molibdeno; carburi di wolframio; nitruri di titanio. Questi ultimi elementi vengono riportati sulla superficie del componente in titanio tramite trattamenti al plasma.

 

Bielle ad H

Alle bielle ad H viene riconosciuta una maggior resistenza nei casi in cui venga sensibilmente aumentata la pressione di scoppio o esistano particolari problemi di detonazione in quanto, proprio grazie alla loro sezione, hanno una maggior resistenza a flessione nel momento della combustione. La forma del fusto delle bielle è quasi sempre a doppio T ma l’anima della T può essere disposta nel piano del moto (in tal caso abbiamo una biella con sezione ad I - figura sotto, parte superiore) oppure nel piano perpendicolare a quello del moto (biella con sezione ad H - figura sotto, parte inferiore). Le bielle con sezione ad H sono particolarmente indicate per i motori da competizione per una moltitudine di motivi che andiamo velocemente ad analizzare. Sono ottenute per fresatura o microfusione (lavorazioni piuttosto costose sconsigliate per i motori di serie ma che offrono superfici rifinite e permettono di raggiungere tolleranze più precise). Sono realizzate in acciaio o leghe di titanio. Anche se la loro sezione non si presta a resistere al meglio alla sollecitazione del “colpo di frusta” il problema viene minimazzato grazie alla loro lunghezza ridotta rispetto a quella delle bielle montate sui motori stradali. Si prestano all’utilizzo di viti mordenti per fissare il cappello di biella alla testa in quanto, le bielle con sezione ad H, non hanno sul cappello di biella una nervatura centrale che rende scomodo l’alloggiamento della vite di fissaggio. Vantano raccordi del piede con la testa decisamente migliori di quelli ottenibili sulle bielle con sezione ad I. Non sono soggette a problemi di costi essendo destinate ad un mercato dove i costi spesso passano in secondo piano.

 

Bulloni di biella

Gran parte delle rotture nel manovellismo più che alle bielle sono da imputare ai bulloni e dovute alla fatica che essi sopportano allungandosi ed accorciandosi giro dopo giro. I bulloni sono in acciaio, materiale con comportamento piuttosto elastico che si allunga sotto sforzo per poi ritornare alla dimensione iniziale. Superando il limite elastico l'acciaio subisce una deformazione che diventa permanente e subisce il così detto snervamento. Superato lo snervamento raggiunge velocemente la rottura non potendo più ritornare alla misura iniziale; in poche parole si strappa. Ricordiamo che il bullone è l'insieme vite + dado.

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