Dura la vita, per i segmenti

Ci sono organi meccanici ai quali si pensa assai poco, forse perché hanno un aspetto quasi banale, sono di piccole dimensioni o perché l’importanza della loro funzione non viene considerata come meriterebbe. Un posto di assoluto riguardo, in quest’ottica, spetta indubbiamente ai segmenti, che possono sembrare dei semplicissimi anelli metallici muniti di un intaglio, ma che nascondono contenuti tecnologici di prim’ordine e svolgono un compito fondamentale, al punto che senza di essi il motore non potrebbe funzionare.

Il pistone viene montato nel cilindro con un certo gioco. In altre parole, ha un diametro leggermente minore, rispetto alla canna nella quale è inserito. Questo è necessario per consentire il movimento del pistone stesso e la formazione di un sottile strato di olio, che deve essere sempre presente per separare le superfici metalliche dei due componenti, in modo da assicurare una adeguata lubrificazione.

I valori in gioco

Occorre però evitare che nel gioco, ovvero nello “spazio” in questione, possano passare i gas e l’olio (eccezion fatta per un velo poco più che molecolare di lubrificante, che rimane aderente alle pareti). Durante la combustione all’interno della camera, ossia al di sopra del pistone, vengono raggiunte pressioni il cui valore massimo può raggiungere valori impressionanti: oltre 85 bar nei motori a benzina aspirati di elevate prestazioni e oltre 120 bar in quelli sovralimentati di alcune auto di serie.

Per i diesel turbo la situazione è ancora più seria, con picchi che si avvicinano ai 200 bar! I segmenti devono svolgere il loro compito anche il presenza di pressioni così elevate (200 atmosfere, o 200 kg/cm2, per usare le vecchie unità di misura), che per di più vengono raggiunte in tempi brevissimi. Se si pensa anche alla temperatura dei gas in questione, è ben evidente quanto sono gravose le condizioni di lavoro di questi componenti.

Differenti tipologie di segmenti

A seconda della funzione che sono chiamati a svolgere, e della geometria della quale di conseguenza vengono dotati, si distinguono i segmenti di tenuta (che impediscono il passaggio dei gas) e i raschiaolio. Nei moderni motori di serie di norma si impiegano due segmenti del primo tipo, installati nelle due cave più alte del pistone, e un raschiaolio, montato subito sotto di essi. In realtà la tenuta non può essere assolutamente perfetta, principalmente per via del fatto che i segmenti sono dotati di un intaglio, necessario per consentire il montaggio nelle cave del pistone e per ottenere l’indispensabile elasticità, che permette ad essi di “copiare” accuratamente la superficie della canna, durante il movimento del pistone. Una piccola quantità di gas trafila inevitabilmente oltre i segmenti; ad essa i tecnici si riferiscono col termine di blowby.

È importante anche sottolineare che i segmenti “collaborano” tra loro, nel senso che anche quelli di tenuta contribuiscono a ridurre il consumo di olio. Per svolgere la loro funzione i segmenti “utilizzano” sia la loro elasticità che la pressione dei gas, grazie alla quale aumenta la forza che li spinge contro la parete del cilindro, durante le fasi di compressione e di espansione.

I gas si insinuano sopra i segmenti e quindi tra la loro parte interna e il fondo della cava, spingendoli verso l’esterno. Questa azione come ovvio è particolarmente sensibile nel caso del primo segmento e assai meno per il secondo. Il gioco assiale nella cava dunque serve a consentire il libero movimento radiale dei segmenti e a permettere lo sfruttamento della pressione dei gas. Non deve però essere eccessivo, altrimenti si possono avere autentiche azioni di martellamento delle cave, con rapida usura, e/o di pompaggio, con forte peggioramento della tenuta.

L'integrità strutturale è importantissima

È anche importante che il pistone sia sempre ben guidato nel suo movimento all’interno della canna e che il suo gioco non sia eccessivo; in caso contrario i segmenti non potrebbero più svolgere correttamente la loro funzione. Sempre in quest’ottica, è fondamentale infine che la canna non presenti distorsioni (ovvero scostamenti sensibili dalla forma geometrica ideale, che è quella cilindrica) o danneggiamenti della superficie di lavoro.

Negli ultimi anni i segmenti sono stati oggetto di particolari attenzioni da parte dei tecnici e questo sia per limitare al minimo il blowby e il consumo di olio, voci importanti nel quadro del contenimento delle emissioni di scarico, che per ridurne i consumi. Una parte considerevole (ben oltre il 20%) delle perdite meccaniche che hanno luogo all’interno del motore è dovuta proprio ai segmenti, che pertanto hanno una forte influenza sul rendimento meccanico e quindi anche sul consumo specifico.

Per ridurre le perdite

Per ridurre le perdite in questione due strade importanti sono costituite dalla diminuzione del numero dei segmenti (ma se ne venissero impiegati due soltanto il blowby sarebbe eccessivo, per i motori di serie) e dalla diminuzione della loro altezza. Su questo secondo punto si è lavorato molto, grazie anche allo sviluppo di riporti superficiali in grado di assicurare comunque una elevata vita utile a questi componenti anche in presenza di una notevole riduzione della superficie di contatto con la canna.

Oggi nei motori della auto a benzina sono comuni, per quanto riguarda il primo segmento, altezze dell’ordine di 1,2-2,8 mm (negli anni Ottanta si andava in genere da 1,8 a 3,6 mm); è interessante osservare che nei motori delle moto sportive si scende a valori che vanno in genere da 0,8 a1,0 mm e in quelli delle monoposto di Formula Uno si arriva a 0,7 mm (e qualcuno è sceso anche a 0,6!).

Per ridurre gli attriti

Un’altra strada di notevole importanza, per ridurre l’attrito causato dai segmenti, è costituita dalla diminuzione della forza radiale da essi esercitata contro la canna, cosa che deve però essere ottenuta senza determinare un peggioramento della tenuta. Un’ulteriore possibilità che si offre ai tecnici è quella della adozione di rivestimenti superficiali dotati di un coefficiente d’attrito più basso.

Ai classici riporti di cromo (applicato galvanicamente) e di molibdeno (depositato per spruzzatura alla fiamma o al plasma), impiegati da decenni con ottimi risultati, si sono di recente aggiunti quelli cromo-ceramici e quelli di DLC (Diamond Like Carbon). In quest’ultima “categoria” ad esempio rientra il Carboglide della Federal Mogul che, secondo il produttore, consente una diminuzione dell’attrito anche dell’ordine del 20%.

La conformazione della superficie di lavoro

Particolarmente critica è la conformazione della superficie di lavoro dei segmenti che, anche se a prima vista possono sembrare semplici anelli a sezione rettangolare, in effetti hanno una geometria molto più complessa, nella quale anche piccoli dettagli (non apprezzabili a occhio nudo), come una lieve bombatura asimmetrica, o una leggerissima inclinazione, possono determinare grandi differenze a livello di funzionalità e di prestazioni. In fase di messa a punto per ogni motore viene individuata la segmentatura che fornisce i migliori risultati e che quindi verrà impiegata nella produzione di serie.

Differenze tra segmenti raschiaolio e segmenti di tenuta

I segmenti raschiaolio sono notevolmente diversi da quelli di tenuta, in quanto dotati di due sottili margini raschianti, e presentano delle feritoie (o comunque una nutrita serie di passaggi), attraverso le quali passa il lubrificante asportato dalle pareti del cilindro durante il movimento del pistone. Possono essere in un sol pezzo (con una molla che ne aumenta il carico radiale) o essere costituiti da due anelli di acciaio tra i quali è interposta una molla separatrice-espanditrice. Il materiale tradizionalmente impiegato per realizzare i segmenti è la ghisa, ma di recente, anche per via della grande riduzione dello spessore di questi componenti, l’acciaio la sta soppiantando in notevole misura.

Ghisa a grafite sferoidale

Alla tradizionale ghisa grigia nel corso degli anni si è andata ad aggiungere la ghisa a grafite sferoidale, dalle caratteristiche meccaniche superiori (e dal costo più elevato). Nei motori da competizione, in quelli delle moto sportive e in molte auto di serie di elevata potenza specifica i segmenti, di altezza decisamente ridotta, vengono realizzati in acciaio, e in genere vengono sottoposti a un trattamento di nitrurazione. Pure i raschiaolio in tre pezzi sono sempre in questo materiale.