Tecnica del motore: come sono fatti gli alberi a gomiti

I componenti più sollecitati sotto l’aspetto meccanico si trovano nel cuore del motore. È all’interno del basamento infatti che lavorano l’albero a gomiti e le bielle, vincolate ad esso con interposizione di cuscinetti a guscio sottile, più noti come bronzine.

I perni di un albero a gomiti sono di due tipi: quelli di banco, che poggiano sui supporti ricavati nel basamento e che sono rigorosamente allineati, e quelli di biella o di manovella, sui quali vanno a inserirsi le teste delle bielle. A collegarli provvedono i bracci di manovella. La struttura dell’albero è completata dai contrappesi, necessari per l’equilibratura; ciascuno di essi è ricavato nel prolungamento di un braccio di manovella, dal lato opposto a quello ove si trova il perno di biella. Nei motori da competizione e nei grossi diesel dei veicoli industriali pesanti, per ragioni differenti, i contrappesi sono quasi sempre riportati.

Date le elevate forze in gioco e dato che esse variano di continuo (quelle dovute alla pressione dei gas sono addirittura di tipo pressoché impulsivo) gli alberi a gomiti devono essere non solo molto robusti ma anche assai rigidi. In altre parole, non solo non devono rompersi, ma non devono neanche deformarsi.

Sono opportuni qui alcuni brevi richiami sul comportamento meccanico dei materiali. Nel mondo reale non esistono corpi perfettamente rigidi: sotto l’azione di una forza una deformazione elastica, anche minima, avviene sempre. Se poi la forza è elevata al punto da determinare il superamento del limite elastico del materiale (ovvero del carico di snervamento), la deformazione diventa plastica, cioè permanente. Se è ancora più alta, si arriva alla rottura del componente.

Naturalmente nel progettare gli alberi a gomiti occorre tenere in debito conto anche la resistenza a fatica. Un pezzo dopo un numero elevatissimo di sollecitazioni che si susseguono ciclicamente può cedere sotto l’azione di una forza molto inferiore rispetto a quella che ne causerebbe la rottura se esso fosse nuovo e non avesse mai lavorato. A complicare ulteriormente la situazione ci sono poi le vibrazioni torsionali…

Il dimensionamento e la geometria degli alberi a gomiti devono dunque essere studiati con cura estrema, anche perché nei motori moderni le sollecitazioni sono molto elevate. Se il regime di rotazione è alto sono cospicue le forze dovute all’inerzia delle parti mobili del manovellismo; se a essere alto è invece il grado di sovralimentazione sono cospicui i carichi dovuti alla pressione dei gas. Un problema di notevole portata deriva dalla necessità, nelle auto odierne, di ridurre al minimo il consumo di carburante. Questo ha tra l’altro reso vantaggiosa l’adozione di perni di banco e di biella di diametro relativamente ridotto, dato che in questo modo diminuiscono la velocità di strisciamento e l’estensione delle superfici di lavoro di tali componenti, e quindi anche le perdite per attrito. Migliora così il rendimento meccanico, con conseguenze positive sui consumi (e/o sulle prestazioni). Una riduzione del diametro dei perni però fa diminuire la rigidezza dell’albero, a parità di materiale (a questo proposito non si deve dimenticare che gli acciai hanno un modulo elastico notevolmente più alto di quello delle ghise). Siamo dunque di fronte a esigenze contrastanti, che rendono necessaria una scelta di compromesso.

Nel disegno degli alberi una notevole attenzione viene dedicata ai punti che possono risultare critici ai fini della resistenza a fatica. Particolari di grande importanza sono la disposizione dei fori per il passaggio dell’olio e i raggi di raccordo tra i perni e gli spallamenti posti ai lati di ciascuno di essi. Tra i sistemi impiegati per migliorare la durata a fatica, oltre agli accorgimenti a livello di disegno vi sono la rullatura dei raccordi e la nitrurazione.

Per quanto riguarda i materiali, la scena è stata dominata a lungo dall’acciaio. Il termine è abbastanza generico perché in effetti di acciai ce ne sono tanti, con caratteristiche anche notevolmente diverse uno dall’altro. Poi hanno iniziato ad essere realizzati anche alberi in ghisa, vantaggiosi in termini economici. Tale materiale infatti ha un prezzo più basso e consente di realizzare i componenti con un procedimento produttivo meno costoso. Niente stampi e presse o magli (gli alberi in acciaio vengono ottenuti per forgiatura), ma semplici modelli per creare delle forme in sabbia che poi vengono riempite dalla ghisa fusa. È possibile realizzare agevolmente parti anche di conformazione assai complessa e creare cavità interne. Inoltre c’è meno materiale da asportare mediante lavorazione meccanica, dato che i pezzi hanno già in origine dimensioni e geometrie assai vicine a quelle finali.

Le caratteristiche meccaniche delle ghise sono però nettamente inferiori a quelle degli acciai. La situazione è migliorata con l’entrata in scena delle ghise malleabili e, specialmente, di quelle a grafite sferoidale. In Europa il loro impiego si è diffuso negli anni Cinquanta ed è aumentato nei decenni successivi. Alla classica colata in terra si sono aggiunti processi fusori come lo shell molding (processo Croning) e il lost foam (colata con modello a perdere in polistirene espanso). Alcuni anni fa sulle auto di serie gli alberi in ghisa erano di gran lunga più impiegati di quelli in acciaio sia negli USA che in Europa (in Giappone invece sono sempre stati più utilizzati quelli in acciaio). Con l’avvento del downsizing e il ricorso a sovralimentazioni via via più spinte, con conseguente aumento delle pressioni medie effettive e delle pressioni massime di combustione, di recente gli alberi in acciaio hanno massicciamente riguadagnato terreno. Oltre un certo grado di sollecitazione diventano indispensabili le loro caratteristiche meccaniche (resistenza a trazione, modulo elastico, tenacità) che, come detto, sono decisamente migliori rispetto a quelle delle ghise. Non per nulla gli alberi dei motori da competizione sono sempre stati realizzati in acciaio. Anche la comparsa di nuovi acciai microlegati, più vantaggiosi di quelli tradizionali sotto l’aspetto economico, ha avuto una notevole importanza.