Le sollecitazioni che trasformano | Officina

Per questo articolo prendo spunto da una domanda rivoltami tempo fa da un amico appassionato di moto e di meccanica. Per quale ragione, quando si monta un motore da corsa, è necessario non scendere al di sotto di un determinato valore dell’altezza di squish? Secondo lui, a caldo, per via della dilatazione termica del cilindro essa dovrebbe aumentare.

È vero che si dilata anche il pistone, ma la massa di metallo e le dimensioni di tale componente sono nettamente inferiori. La distanza tra lo spinotto e il cielo, che qui interessa, è oggi molto ridotta.

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Varie sollecitazioni

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Nel caso del cilindro invece entra in gioco l’intera altezza, cioè la distanza tra il piano superiore (di appoggio della testa) e quello inferiore. Inoltre a caldo aumenta anche la distanza tra quest’ultimo e l’asse di rotazione dell’albero poiché pure il basamento si dilata. Queste erano le sue logiche argomentazioni, che però non tenevano conto del fatto che oltre ai cambiamenti dimensionali e geometrici dovuti alla dilatazione termica occorre considerare anche quelli causati dalle sollecitazioni meccaniche, che durante il funzionamento del motore raggiungono valori molto rilevanti.

Le simulazioni e le visualizzazioni al computer si effettuano proprio per conoscere come si deformeranno i componenti (sempre rimanendo nel campo elastico!) sotto l’azione di tali forze, oltre che per conoscere la distribuzione delle tensioni e delle temperature al loro interno. Nel caso dell’altezza di squish viene indicato dai tecnici un certo valore al di sotto del quale all’atto del montaggio non si deve scendere. Questo perché nelle condizioni di funzionamento più gravose essa tende a ridursi fino a quasi annullarsi. Ciò è dovuto al fatto che sotto l’azione delle forze di trazione l’albero flette e la biella si allunga. Inoltre anche lo spinotto flette. Queste deformazioni elastiche che tendono a ridurre l’altezza di squish hanno un effetto lievemente maggiore delle dilatazioni che tendono ad aumentarla. Al montaggio nei moderni motori di altissime prestazioni l’altezza di squish indicativamente non deve scendere al di sotto di 0,65 millimetri circa.

Analoghe considerazioni sono valide per la distanza di sicurezza tra le valvole e i pistoni. Nel mondo della Formula 1 alcuni tecnici parlano di di stanza “dinamica” e la indicano in qualcosa come 0,3 mm soltanto! La cosa è ai confini della fantascienza, specialmente se si pensa ai regimi di rotazione in gioco. Gli incavi nel cielo del pistone hanno un diametro di circa due millimetri superiore a quello del fungo valvola corrispondente e anche questo fa pensare. Già in seguito al riscaldamento l’angolo tra le valvole subisce una lievissima variazione (la parte inferiore della testa si dilata in misura maggiore), e non è tutto. Anni fa nella fase di sviluppo di un grosso monocilindrico destinato alle maratone africane, durante le prove al banco avvenne una catastrofica rottura causata dal contatto tra il pistone e le valvole.

Eppure la distanza di sicurezza era più che adeguata. Il problema venne risolto sostituendo la biella con un’altra che, grazie a un diverso disegno, era più rigida a torsione. Le condizioni dinamiche sono dunque ben diverse da quelle statiche. I cambiamenti dimensionali e geometrici che hanno luogo tendono a causare anche non trascurabili variazioni dei giochi.