Tecnica: le molle delle valvole

A loro si pensa poco perché non danno mai problemi e hanno un aspetto addirittura banale, ma le molle delle valvole sono in realtà frutto di una tecnologia sofisticata, che si è sviluppata nel corso degli anni fino a raggiungere l’attuale straordinario livello di evoluzione, e possono a buon diritto essere considerati autentici capolavori della metallurgia. È quindi opportuno parlarne, anche perché svolgono un compito fondamentale e lo fanno in maniera impeccabile per chilometraggi elevatissimi.

In un passato ormai lontano questi organi meccanici sono stati a lungo un autentico “tallone d’Achille” per i motori. In quelli di serie avevano una durata decisamente modesta e non di rado potevano essere soggetti a rotture. Un’operazione di manutenzione che nei primi decenni del XX secolo si effettuava con notevole frequenza (cioè a intervalli di alcune migliaia di chilometri soltanto) era la disincrostazione della testa, accompagnata dalla smerigliatura delle valvole; in tale occasione spesso venivano sostituite anche le molle delle valvole. Poi la situazione è notevolmente migliorata. Ancora negli anni Sessanta comunque per quanto riguarda la durata del motore il traguardo da raggiungere era quello dei 100.000 km; all’incirca a metà di tale percorrenza si “rifaceva” la testa, e in tale occasione si cambiavano le molle (e in genere anche le valvole). I motori a valvole laterali devono la loro fortuna, protrattasi per alcuni decenni, anche al fatto che se si rompeva una valvola o una molla non c’era il rischio che qualcosa cadesse nel cilindro o andasse ad urtare contro il pistone.

Nei motori da competizione per lungo tempo le molle delle valvole hanno impedito il raggiungimento di regimi di rotazione elevati e hanno posto seri problemi di affidabilità; per molti anni il loro cedimento è stato una delle più frequenti cause di ritiro. La stessa scelta di sviluppare una distribuzione desmodromica da parte della Mercedes-Benz nei primi anni Cinquanta si deve al fatto che non c’erano in giro molle in grado di richiamare in maniera affidabile ad elevato regime, e con leggi delle alzate molto radicali, valvole grandi e pesanti come quelle del motore M 196 di 2500 cm3 (quelle di aspirazione avevano un diametro di 50 mm e una alzata di 13,5 mm). Come tutti sanno, le vetture di Formula Uno della casa di Stoccarda con distribuzione desmodromica e l’iniezione diretta hanno vinto i mondiali di Formula Uno nel 1954 e nel 1955.

Per diversi anni i problemi che hanno afflitto le molle delle valvole sono stati causati dall’impiego di materiale che non era all’altezza. Si trattava di acciai che non erano stati specificamente studiati e sviluppati per questo tipo di impiego e che inoltre contenevano non poche inclusioni di materiale estraneo (ossidi, etc…). In seguito la situazione è migliorata e hanno iniziato ad essere utilizzati acciai di tipo più adatto e aventi una maggiore purezza. Da svariati decenni vengono prodotti acciai specifici per le molle delle valvole, al cromo-vanadio e al cromo-silicio.

A questi progressi in campo metallurgico si è aggiunto a un certo punto un trattamento che ha consentito di aumentare in maniera straordinaria la resistenza a fatica del materiale e quindi la durata di questi componenti. Si tratta dello shot peening, ovvero della pallinatura controllata che, dopo avere iniziato a dimostrare la sua validità per questo tipo di organi meccanici nel corso degli anni Trenta, si è affermata definitivamente nel decennio successivo.

Oggi le molle delle valvole dei motori di serie sono in grado di funzionare impeccabilmente per milioni di cicli e questo costituisce un risultato davvero rimarchevole.

Ai primordi del motorismo per il richiamo delle valvole hanno trovato applicazioni anche le molle a nastro e perfino quelle a balestra; ben presto però si sono imposte quelle ad elica, realizzate in filo di acciaio, che sono state adottate da tutti i costruttori.

In campo motociclistico, soprattutto per le realizzazioni da corsa, nel corso degli anni Venti hanno iniziato ad essere impiegate le molle a spillo, che in genere non erano montate a bagno d’olio ma allo scoperto e nelle quali il filo di acciaio lavorava a flessione e non a torsione (come accade in quelle a elica).

Durante gli anni Cinquanta, mentre svariate moto dotate di molle a spillo trionfavano nei campionati mondiali (basta ricordare le Norton, le Mondial, le NSU e le MV Agusta monocilindriche), ci sono stati alcuni importanti esempi di motori automobilistici da competizione che hanno usato molle di questo tipo. Le hanno infatti impiegate la Ferrari, sui primi V12 e sul 2000 che ha conquistato il titolo con Ascari nel 1952 e nel 1953, la Vanwall e la BRM (sia a sedici che a quattro cilindri). L’ultimo motore di Formula Uno che le ha utilizzate è stato il V12 Maserati di 3000 cm3, montato sulle Cooper nel 1966-67 (versione a due valvole).

Un’altra molla di notevole interesse, ma che per il richiamo delle valvole è stata scarsamente impiegata (per ragioni di ingombro, ma forse anche di costo), è quella a barra di torsione. Era stata presa in considerazione già negli anni Trenta (ricordiamo un brevetto della Packard) ma a portarla alla ribalta è stata, dopo la guerra, la sua adozione da parte della Panhard sul suo eccellente motore bicilindrico raffreddato ad aria. Nella seconda metà degli anni Sessanta, va segnalata la sua utilizzazione da parte della Honda su alcuni motori di Formula Uno e su un ottimo quadricilindrico di Formula Due di 1000 cm3.

Oggi le molle delle valvole dei motori di serie sono a elica cilindrica o, in alcuni casi, totalmente o parzialmente troncoconica. In quest’ultimo caso sono dette beehive. Il vantaggio che esse offrono è duplice: da un lato cambia la loro frequenza propria di vibrazione mano a mano che vengono compresse (come accade in quelle a passo variabile) e dall’altro la parte mobile della molla e lo scodellino hanno una massa minore. In campo motociclistico, nei motori di serie di prestazioni più elevate (gli odierni 1000 quadricilindrici hanno circa 200 cavalli e raggiungono regimi di rotazione superiori ai 13000 giri/min) hanno largo impiego le molle realizzate con filo a sezione ovale (multi-arc) e non circolare. I motori di Formula Uno impiegano molle pneumatiche, completamente diverse. Ne parleremo in un’altra occasione.