La rigidezza dei componenti | Officina

Alberi a gomiti, bielle e bronzine: la rigidezza

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Tornando agli alberi a gomiti, ai fini della rigidezza i perni lunghi sono svantaggiosi. Per la bronzina, però, le cose possono essere differenti: con un diametro del perno invariato, all’aumentare della lunghezza del perno diminuiscono la pressione massima nello strato d’olio e il gradiente della distribuzione del carico. La rigidità dell’albero migliora al crescere del diametro dei perni, cosa che però fa aumentare il peso e il momento d’inerzia, e determina un incremento della velocità tangenziale del cuscinetto, e quindi la produzione di calore in seno allo strato di lubrificante.

La resistenza alla torsione di un corpo cilindrico (come appunto un perno) aumenta esponenzialmente con il diametro e diminuisce linearmente con la lunghezza. All’aumentare del diametro del perno crescono le perdite per attrito. Per questa ragione i progettisti preferirebbero perni “snelli” ma oltre un certo valore non possono scendere proprio perché la rigidezza diventerebbe insufficiente. Nei moderni motori di alte prestazioni con i cilindri in linea i perni di biella hanno un diametro di 0,40–0,47 volte l’alesaggio e una lunghezza di circa 0,45- 0,50 volte il diametro. Per i perni di banco questi valori sono rispettivamente dell’ordine di 0,44-0,49 e di 0,50-0,58. Nei motori a V la situazione è differente poiché vi è una distanza superiore tra i supporti di banco (ciascuno dei quali deve inoltre sopportare un carico maggiore) e perché su ogni perno di manovella lavorano affiancate due bielle. Molto importante è il ricoprimento dei perni di banco e di biella, al cui aumentare la rigidezza migliora notevolmente. Detto anche overlap, cresce con l’aumento del diametro dei perni adiacenti e con la diminuzione della corsa. Se considerevole, consente di ridurre lo spessore dei bracci di manovella.

La forza totale che agisce sul perno di biella è la somma algebrica di quelle dovute ai gas (pressione nel cilindro moltiplicata per la superficie del pistone) e di quelle di inerzia. La sollecitazione a trazione più elevata si ha al punto morto superiore (PMS) al regime massimo, con la valvola del gas chiusa (fase di rilascio). Nelle altre condizioni (e in misura maggiore con la valvola del gas spalancata) la forza dovuta ai gas che agiscono sul cielo del pistone contrasta la forza d’inerzia. Al PMI, sempre al regime massimo, si ha la più elevata sollecitazione a compressione dovuta alle forze d’inerzia. Quella massima causata dalla sola pressione dei gas si ha invece attorno al PMS, a regime assai basso, quando le forze d’inerzia sono addirittura trascurabili (e quindi non possono agire in senso contrario).

Grazie all’elevata rigidezza la flessione dei perni (e dei bracci di manovella) viene ridotta al minimo. Questo è importante per evitare disallineamenti tali da causare picchi di pressione anomali e compromettere la stessa integrità dello strato d’olio all’interno della bronzina. Naturalmente è della massima importanza anche la rigidezza dei supporti.

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