Tecnica

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Tecnica

In questa sezione potete trovare numerosi articoli e diverso materale riguardante la tecnica della moto in generale.

Per quanto gli organi meccanici possano essere lavorati con cura, piccole imperfezioni geometriche e superficiali sono inevitabili. Quando vengono accoppiati tra loro un componente mobile e uno fisso, ha luogo sempre un certo assestamento iniziale, che è bene avvenga senza che la velocità relativa e i carichi in gioco siano elevati.Di qui la usuale raccomandazione, da parte delle case, di non “tirare” le marce se non in misura relativamente limitata e di andarci abbastanza piano con l’acceleratore, nei primi chilometri di uso del veicolo. Poi, gradualmente si potranno raggiungere regimi di rotazione più elevati e si potrà dare più gas e per periodi più prolungati.In passato il primo periodo di impiego era piuttosto critico e se non si seguivano con cura le indicazioni del costruttore del motore si poteva incappare in conseguenze anche assai serie. Oggi fortunatamente la situazione è enormemente migliorata e in fondo basta un poco di attenzione nell’uso del mezzo, seguendo le prescrizioni riportate nel libretto di uso e manutenzione. Insomma, non si guida subito in maniera normale, ma basta essere più tranquilli…Che un assestamento debba in ogni caso aver luogo, per poter ottenere in seguito le migliori prestazioni, è testimoniato anche dal fatto, in molti casi ben avvertibile, che il motore tende a diventare più “sciolto” con l’aumentare della percorrenza. In certi modelli possono essere necessarie varie migliaia di  chilometri prima che il motore sia effettivamente in grado di dare il meglio di sé.
Gli organi meccanici sono progettati ottimizzando le loro geometrie e il loro dimensionamento e studiando in dettaglio le caratteristiche che le loro superfici devono possedere. Le lavorazioni, inoltre, sono eseguite con una precisione di gran lunga superiore rispetto a quelle che si effettuavano in passato. Tanto la finitura superficiale quanto le caratteristiche di eventuali riporti sono spesso studiate anche in funzione del primo periodo di funzionamento, in modo da renderlo meno critico. Fondamentalmente il rodaggio è costituito da un processo di usura selettiva e controllata  grazie al quale le superfici antagoniste vengono portate alla coerenza geometrica e alla  microtopografia ottimale. Questo comporta un attrito molto elevato, durante il primo periodo di funzionamento, con forte generazione di calore nelle zone interessate. Il rendimento meccanico è basso (ma migliora con il passare dei chilometri, mano a mano che ha luogo l’assestamento); inoltre il consumo di olio può essere considerevole e anche quello di carburante tende a risultare maggiore rispetto a quanto sarà in seguito. La tenuta dei segmenti non è ottimale e di conseguenza il blow-by (trafilamento gassoso) tende ad essere notevole.Sono le pareti dei cilindri e le superfici di lavoro dei segmenti a essere maggiormente interessate al processo di assestamento, che può svolgersi con modalità differenti a seconda dei materiali con i quali sono realizzati tali componenti e dei riporti presenti su di essi. Uno dei maggiori punti di forza del rivestimento per cilindri al nichel-carburo di silicio, generalmente indicato come Nikasil, è costituito proprio dalla rapidità con la quale ha luogo l’assestamento dei segmenti (le durissime particelle di carburo di silicio in tale fase svolgono, almeno in buona misura, una vera e propria azione abrasiva!). E’ anche per questa ragione che esso è particolarmente apprezzato dai progettisti di motori da competizione e di quelli destinati a mezzi particolarmente sportivi.La situazione è notevolmente diversa nel caso dei cilindri con canna in ghisa. La soluzione classica prevede una finitura superficiale ottenuta mediante levigatura con pietre abrasive rotanti e traslanti, che impartisce alle pareti una topografia costituita da una serie di solchi, di lunghezza e profondità prestabilite, che si incrociano secondo un dato angolo (il profilo della superficie vede un susseguirsi di creste e di valli). Questi solchi assicurano la ritenzione dell’olio e la sua distribuzione su tutta la parete della canna. Le creste vengono asportate durante il rodaggio, grazie alla azione dei segmenti che strisciano su di esse (e che subiscono essi pure una certa usura).Da diversi anni a questa parte i principali costruttori adottano spesso una finitura “a plateau”, nella quale le creste sono quasi assenti, essendo state asportate nell’ultima fase della lavorazione. In questo modo è come se il rodaggio fosse già stato effettuato, in una apprezzabile misura! Se a ciò si aggiungono, per quanto riguarda i segmenti, lavorazioni più precise e l’impiego di riporti di nuova generazione, è chiaro che le esigenze a livello di assestamento iniziale di questi componenti nei motori moderni risulta assai ridotto, rispetto al passato. Per completare il quadro, oggi la geometria delle superfici è studiata (grazie al computer) con maggiore accuratezza e le canne dei cilindri hanno una superiore rigidezza strutturale, che consente loro di rimanere più vicine alla perfetta cilindricità in qualunque condizione di funzionamento. Durante il rodaggio l’attrito in corrispondenza delle zone di lavoro dei vari componenti e la conseguente generazione di calore aumentano al crescere della velocità di strisciamento (legata al regime di rotazione) e del carico, ovvero della apertura della valvola del gas (o della mandata gasolio, nei diesel). È per questa ragione che nel primo periodo di impiego del veicolo i costruttori di norma raccomandano di non dare molto gas e di non raggiungere velocità di rotazione elevate. Ciò per evitare un attrito tale da causare temperature locali troppo alte, con rischio di rottura del velo d’olio in qualche punto (insomma, usura controllata sì, danneggiamenti delle superfici no!). D’altro canto si deve tenere presente che a premere i segmenti contro le pareti del cilindro assai più che la loro elasticità è la pressione dei gas (che raggiungono le cave del pistone e li spingono verso l’esterno) e che quest’ultima è legata al carico motore. Dunque, se è vero che occorre andarci piano con l’acceleratore, è anche vero che non bisogna esagerare in tal senso (se i segmenti non premono a dovere contro la canna, l’assestamento è meno agevole).Pure quello tra le camme e le punterie (o i bilancieri) è un accoppiamento critico, nel primo periodo di funzionamento del motore, in particolare se le leggi del moto delle valvole sono spinte e il carico delle molle è elevato. C’è poi da dire che, in certi casi, occorre fare i conti anche con un vero e proprio “rodaggio termico”, di breve durata e da effettuare in più fasi. È per questo motivo che alcuni specialisti di motori a due tempi fanno funzionare il motore nuovo a moto ferma, con carico variabile, per diversi minuti, spegnendolo, lasciandolo raffreddare e ripetendo poi l’operazione alcune volte. In passato non era raro sentir parlare di motori “nati male” e di motori “nati bene”, e in diversi casi qualcosa di vero poteva esserci. Oggi però, grazie alle migliorate tecniche costruttive, al superiore controllo di qualità al quale sono sottoposti i vari componenti e a un più accurato assemblaggio, ciò appartiene al passato. Alcune differenze tra un motore e l’altro possono esistere in origine, ma sono di entità talmente modesta da poter essere considerata praticamente trascurabile. Ci possono però essere esemplari di uno stesso modello con diversi consumi di olio e con prestazioni leggermente differenti. Ciò accade dopo il termine del rodaggio e sembra essere legato in buona misura alle modalità con le quali è stato effettuato quest’ultimo. Non è giusto affermare che un rodaggio “spinto” porti a un motore più “sveglio” e un rodaggio tranquillo a un motore leggermente meno brillante, però se le canne sono in ghisa e la loro finitura originale non è a plateau…Una volta molti costruttori impiegavano per il rodaggio un olio differente da quello utilizzato successivamente (proprio per facilitare l’usura selettiva alla quale era legato l’adattamento dei diversi componenti). Questa pratica sembra però essere caduta in disuso, almeno in larga misura. Al termine del rodaggio si ottengono la migliore tenuta dei segmenti, una maggiore estensione delle superfici portanti e una forte diminuzione dell’attrito. Di conseguenza si hanno prestazioni più elevate, e il consumo di olio e di carburante scendono ai valori previsti. Di fondamentale importanza è il primo tagliando, che deve essere effettuato quando indicato sul libretto di uso e manutenzione, presso un concessionario della casa. I primi attimi di funzionamento sono i più critici per un motore, ma non si deve dimenticare che in genere si svolgono in fabbrica. Quello che il proprietario effettua una volta acquistata la moto non è il primo avviamento!  Il periodo iniziale di impiego su strada del mezzo rimane comunque importante. In conclusione, per effettuare un buon rodaggio basta attenersi alle semplici indicazioni riportate sul libretto di uso e manutenzione del veicolo. In particolare, è bene evitare di fare funzionare il motore a regime costante per periodi considerevoli, di mantenerlo in moto al minimo a lungo e di dare molto gas a basso regime. È consigliabile fare libero uso del cambio e sfruttare l’azione frenante del motore (entro certi limiti, ovviamente) quando si affrontano le discese o ci si avvicina a un semaforo. Un minimo di sensibilità, insomma, in genere è più che sufficiente.

I motori moderni sono chiamati ad erogare prestazioni sempre più elevate, in relazione alla cilindrata, e al tempo stesso a fornire un contributo sostanziale all’abbattimento delle emissioni di scarico, alla riduzione del consumo di olio e, da alcuni anni a questa parte, anche alla diminuzione dei consumi di carburanti. Per raggiungere questi obiettivi non solo i costruttori di auto e di moto, ma anche le aziende che operano nel settore della componentistica hanno varato imponenti programmi di ricerca e di sviluppo, che sono sfociati in risultati straordinari. Che cosa sono i segmenti, a cosa servono e come funzionano. Tra gli organi meccanici la cui tecnologia di recente ha compiuto passi in avanti particolarmente significativi ve ne sono alcuni ai quali si pensa relativamente poco ma che invece svolgono una funzione vitale, all’interno del motore, e hanno una grande importanza anche ai fini del contenimento delle emissioni nocive. Si tratta dei segmenti, cioè di quegli anelli metallici alloggiati nelle cave del pistone che provvedono ad impedire il passaggio dei gas e dell’olio nel piccolo spazio esistente tra il cilindro e il pistone stesso.
Per la verità la tenuta non è proprio perfetta, e questo principalmente per via della presenza di un intaglio in ciascun segmento, indispensabile per consentirne il montaggio nella cava e per ottenere la necessaria elasticità. È infatti essenziale che durante il funzionamento del motore i segmenti siano sempre premuti contro le pareti del cilindro e le contattino per tutta loro circonferenza. Un minimo distacco in qualche punto costituisce una via di passaggio per i gas e/o per l’olio. Il problema è costituito dal fatto che la canna non è proprio perfettamente cilindrica e che i segmenti devono comunque “copiarla” sempre, nonostante le lievi deformazioni presenti. La situazione è aggravata dal fatto che all’interno del cilindro il pistone compie anche dei piccoli movimenti trasversali. Tra i due componenti infatti, per quanto modesto, vi è comunque un gioco. E siccome durante il funzionamento del motore la biella si inclina ora in un senso e ora nell’altro, con un movimento pendolare fulcrato nello spinotto, il pistone cambia continuamente lato di appoggio nella canna.
I segmenti di compressione, cioè quelli installati nelle prime due cave del pistone, vengono premuti contro la parete del cilindro non solo dalla loro elasticità, ma anche dai gas che, durante le fasi di compressione e di espansione (cioè quando all’interno del cilindro si hanno le pressioni più elevate), passano sopra di loro e penetrano dietro di essi, spingendoli con forza verso l’esterno. Il raschiaolio, posto nella terza cava (ossia quella subito sopra lo spinotto), è dotato di un carico radiale notevolmente maggiore; è solo grazie alla sua elasticità, infatti, che preme contro il cilindro. In passato sono stati realizzati pistoni con due raschiaolio, con tre segmenti di compressione, e altre “variazioni sul tema”.
Quello descritto, con tre segmenti (dei quali l’inferiore è il raschiaolio) è comunque lo schema da tempo impiegato su tutti i motori di serie. I pistoni da competizione però hanno un solo segmento di compressione, sotto il quale è collocato il raschiaolio. Nei motori a due tempi a ciclo Otto si impiegano pistoni con due segmenti di compressione (uno solo, se si tratta di motori da corsa); il raschiaolio è assente perché, in questo caso, non serve. Dato che premono con una certa forza contro le pareti dei cilindri, i segmenti sono responsabili di una considerevole percentuale delle perdite meccaniche che hanno luogo all’interno del motore.
Obiettivo: ridurre l'attrito
Logico quindi che i tecnici si siano dati da fare per ridurre l’attrito da essi causato. Tanto per cominciare, il carico radiale dovuto alla elasticità di questi componenti nel corso degli anni è stato diminuito. Inoltre, l’altezza dei segmenti (ossia lo spessore assiale) è stata gradualmente diminuita al fine non solo di ridurre il loro peso ma anche di limitare l’estensione delle superfici di strisciamento, cosa anche questa vantaggiosa ai fini della diminuzione delle perdite per attrito. Per fare questo senza rinunciare a nulla in termini di durata è stato fondamentale lo sviluppo di riporti superficiali dalle straordinarie caratteristiche. I segmenti sembrano avere una geometria semplice, ma l’occhio inganna! Anche se in genere il primo sembra avere una sezione rettangolare, in realtà quasi sempre è dotato di una forma più complessa, per quanto riguarda la superficie destinata a contattare la canna. La varietà di disegni è considerevole anche per il secondo segmento, che risulta meno sollecitato del primo, ma fornisce un contributo comunque importante alla tenuta.
L’adozione di gradi di sovralimentazione sempre più spinti ha determinato negli ultimi anni un forte aumento delle sollecitazioni alle quali sono sottoposti componenti come i pistoni e i segmenti, e il trend continua. Nei motori a ciclo Otto è la corsa al downsizing a determinare questo, mentre nei diesel è la ricerca di prestazioni specifiche sempre più alte. Nei primi ormai le pressioni massime di combustione hanno raggiunto valori che in diversi casi sono dell’ordine di 120 bar (si tratta di motori sovralimentati!); le potenze specifiche areali, e quindi i carichi termici, possono anche arrivare a circa 1,15 cavalli per centimetro quadrato di superficie dei pistoni.
A titolo di confronto, si pensi che nei motori (aspirati) delle moto supersportive a quattro cilindri di serie (che forniscono potenze specifiche dell’ordine dei 200 CV/litro!) si raggiungono valori generalmente dell’ordine di 0,90-0,98 CV/cm2, che passano a poco più di 1,15 nei motori di Formula Uno e in quelli delle moto del mondiale Superbike. Per quanto riguarda i diesel automobilistici, i picchi di pressione in certi casi sono oramai dell’ordine di 200 bar, e continuano a crescere, il che è davvero impressionante.
Per poter sopportare le sollecitazioni causate da condizioni di funzionamento così gravose, i segmenti hanno subito una considerevole evoluzione anche a livello di materiali. Oggi, per quanto riguarda i motori a ciclo Otto, l’acciaio ha in larga misura soppiantato la ghisa, che è invece tuttora assai più presente nel campo dei diesel. Pure qui come ovvio, c’è differenza tra un acciaio e l’altro e tra una ghisa e l’altra. Anche a livello di sistemi produttivi ci sono diversità notevoli. I segmenti in ghisa sono ottenuti per fusione. Il processo di fabbricazione di quelli in acciaio prevede tipicamente come materiale di partenza del filo a sezione rettangolare, che viene successivamente avvolto e sottoposto a trattamento termico. Seguono le varie operazioni di rettifica, lappatura, nitrurazione (si effettua quasi sempre, se il materiale impiegato è l’acciaio), lucidatura e applicazione del rivestimento sulla superficie di lavoro. In totale i vari step del procedimento produttivo possono essere oltre trenta.
Di recente la Federal Mogul ha iniziato ad impiegare anche per i segmenti in acciaio un procedimento fusorio automatizzato, che utilizza la tecnologia Disamatic. Un settore che di recente ha avuto uno sviluppo straordinario è quello dei rivestimenti superficiali. Lo stato dell’arte in questo campo è stato ben illustrato in un convegno tenutosi recentemente a Burscheid, vicino a Colonia, nel modernissimo stabilimento della Goetze, un marchio storico che da alcuni anni è entrato a fare parte del gruppo Federal Mogul. Il classico strato superficiale di cromo duro applicato galvanicamente, anche se tuttora presente in qualche applicazione, viene ritenuto superato dagli specialisti del settore. Pure il semplice molibdeno, depositato con una tecnologia di spruzzatura termica, è stato sostituito quasi completamente da rivestimenti pluristrato assai più complessi.
Quello che in molti segmenti moderni può sembrare soltanto cromo, e che ha avuto un grande successo, è in effetti un riporto cromo-ceramico; di recente è stato affiancato da un rivestimento con caratteristiche ancora superiori, costituito da cromo più granuli di diamante. La Goetze, che li ha sviluppati, li indica con le sigle CKS e GDC. Nella matrice di cromo vi è un reticolo di microcrepe, che trattengono ottimamente l’olio e nelle quali sono incorporate le particelle dure.
Di particolare interesse, per le loro eccellenti proprietà, sono i riporti applicati con sistemi PVD; il materiale che domina la scena qui è il nitruro di cromo (CrN), che nel caso del  recentissimo Goetze 244 viene depositato sotto forma di più straterelli sovrapposti, ciascuno dei quali ha uno spessore inferiore a un decimo di micron!
L’ultimo grido è costituito dai rivestimenti di DLC. Come noto, con questo termine viene definita una ampia famiglia di riporti aventi strutture e caratteristiche differenti. Il più recente, chiamato DuroGlide dalla Federal Mogul, ha una durezza che può addirittura arrivare a 5000 punti Vickers e uno spessore che può raggiungere i 25 micron (valore impensabile, in precedenza, per un rivestimento di DLC). Secondo quanto comunicato dai tecnici del centro ricerche di Burscheid, grazie ad esso si sono ottenuti risultati importanti in termini sia di diminuzione del consumo (dovuta al coefficiente d’attrito ridottissimo; è infatti pari a meno di un terzo di quello del cromo!) che di durata, tanto dei segmenti quanto della canna. Si tratta quindi di un ulteriore contributo alla riduzione delle emissioni di CO2. Non bisogna dimenticare inoltre che un minore attrito è vantaggioso anche ai fini del miglioramento delle prestazioni.

JoomShaper