Mondo motori

Introduzione ai 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:

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.

 

Video sollecitazioni

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.

Approfondimenti

 

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

Approfondimenti

 

Elementi di alligazione bielle in titanio

• Molibdeno
• Stagno
• Alluminio
• Vanadio
• Zirconio

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

Tali 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:

• 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). Approfondimento lavorazioni
• Sono realizzate in acciaio o leghe di titanio. Approfondimento materiali
• 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.

 

 

Proposte bielle in mogano

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Proposte bielle alluminio

Sono state proposte bielle in leghe di alluminio ma non sono mai uscite dallo stadio sperimentale. Il motivo sta nel comportamento anisotropo delle fibre, resitono bene a trazione e male a compressione. Naturalmente tale soluzione crea notevoli problemi in quanto la biella lavora principalmente a compressione.

Approfondimenti

 

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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