Approfondimenti | 15 November 2016 | Autore: Paolo Longhi

Tecnologie: focus distribuzione. La respirazione del motore

Il sistema di distribuzione di un motore può essere paragonato al sistema respiratorio del nostro organismo. Grazie a lui, aria fresca e gas combusti possono entrare e uscire dal motore, fornendo quella ciclicità di funzionamento di una tipica macchina alternativa.
 

Il sistema di distribuzione è costituito da numerosissimi componenti che, oltre a lavorare di comune accordo tra loro, devono essere perfettamente fasati con le restanti parti mobili del motore, prima tra tutti il manovellismo.
I componenti principali di un sistema di distribuzione sono le valvole, le punterie, gli alberi a camme, i bilancieri (se presenti), le molle di richiamo delle valvole, le cinghie (o, al posto loro, le catene).
Il corretto funzionamento di questo sottosistema prevede l’apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione in fase di carica e l’apertura e la chiusura di quelle di scarico durane il ciclo di espulsione dei gas combusti. Perché tutto ciò avvenga correttamente, gli alberi a camme che pilotano, attraverso gli eccentrici, le aperture e le chiusure delle valvole sono generalmente collegati mediante una cinghia (o una catena) all’albero motore. Questo è reso possibile grazie alle pulegge o alle ruote dentate che sono collegate rigidamente sia con gli alberi a camme, sia con l’albero motore.
È nella sua interezza un sistema molto complesso, che richiede componenti con particolari precisioni di lavorazione e un sistema di lubrificazione in grado di arrivare fin dove le superfici di contatto sono di dimensioni ridotte e i carichi estremamente elevati.
Vediamo ora nel dettaglio gli elementi principali del sistema di distribuzione.
 
Le punterie
Con questo termine vengono indicati quei componenti che consentono la trasmissione del moto tra albero a camme e valvola. Se si tratta di motori (ormai rari) con distribuzione ad aste e bilancieri, il bicchierino che rappresenta la punteria sarà il collegamento tra eccentrico e asta.
Se il motore verosimilmente sarà del tipo con distribuzione in testa, allora la punteria sarà costituita da un bicchierino posto tra eccentrico e valvola.
La presenza della punteria è fondamentale per limitare le pressioni specifiche elevate che si avrebbero tra stelo della valvola e camma, e questo a causa delle piccole superfici di contatto che ci sarebbero in gioco.
 
Gli alberi a camme
Sono sicuramente tra gli elementi più conosciuti, spesso anche tra i preparatori di vecchia generazione, che lavorando proprio sui profili delle camme ottenevano diagrammi di apertura e chiusura spinti, il tutto ovviamente per alzare le performance del motore.
Gli alberi a camme, che come dice il nome stesso fungono da elementi portanti per gli eccentrici, vengono costruiti in acciaio e ghisa. Le superfici degli eccentrici vengono cementate o carbonitrurate per aumentarne sensibilmente la durezza superficiale. Si tratta infatti di componenti soggetti a continuo strisciamento che, malgrado il sistema di lubrificazione, sono sottoposti a picchi di carico notevoli.
Non approfondiamo in questa sede la questione legata al disegno del profilo e alle relative considerazioni, riservandoci di affrontare l’argomento in un articolo successivo.
 
Le valvole
Una tipica valvola è composta di diverse sezioni: una testa a forma di fungo e da uno stelo che, talvolta, viene definito anche gambo. Se il motore è, come ormai accade quasi universalmente, del tipo ad albero a camme in testa, lo stelo della valvola viene accoppiato assialmente con una o due molle di richiamo ad elica cilindrica che, a loro volta, sono sovrastate dal bicchierino (punteria) che riceve il moto dall’eccentrico.
Le valvole di carico vengono sottoposte a temperature di esercizio più basse rispetto a quelle di scarico, proprio in virtù della presenza di un flusso di aria fresca in arrivo dall’ambiente esterno. Quelle di scarico, invece, sono investite dai gas di scarico a elevata temperatura e ciò le rende elementi molto più critici dal punto di vista della resistenza termomeccanica. Le valvole di aspirazione sono realizzate solitamente con acciai al nichel-cromo o al cromo-silicio. Per le valvole di scarico è necessario ricorrere ad acciai al nichel-cromo di tipo austenitico.
Nel caso di motori ancora più spinti, per non parlare di quelli da competizione, possiamo trovare anche valvole con stelo cavo riempito con sali di sodio, un sistema di derivazione aeronautica che permette una maggiore dissipazione di calore, grazie al flusso dei sali tra parte alta e parte bassa della valvola. I sali di sodio hanno tra le altre proprietà quella di liquefarsi intorno ai 100 °C.
 
Movimentazione degli alberi a camme
Abbiamo detto più sopra che il collegamento tra alberi a camme e albero motore può avvenire mediante una catena o una cinghia dentata. In realtà, esiste un terzo sistema, molto più rigido, ma, allo stesso tempo, anche più costoso: quello delle ruote dentate. In questo caso una cascata di ingranaggi si occupa di portare la rotazione dell’albero motore agli alberi a camme.
Vale la pena ricordare, anche se è una nozione scontata per gli operatori del settore, che la velocità di rotazione degli alberi a camme di un motore a quattro tempi è pari alla metà di quella dell’albero motore. Questo è dovuto al fatto che un ciclo completo di un motore a quattro tempi si completa ogni due giri dell’albero motore. L’utilizzo della cinghia dentata è ormai diffuso sulla stragrande maggioranza dei motori.
Si tenga conto che questa scelta è dettata non solo da una questione di costi. L’utilizzo della cinghia assicura una rumorosità di funzionamento sensibilmente inferiore.
 
La soluzione ad aste e bilancieri
Questo tipo di architettura è caduta in disuso a causa della sua maggiore complessità e del numero maggiore dei componenti in gioco. È una soluzione che presenta comunque vantaggi e svantaggi di cui è bene tenere presente. Facciamo due esempi, in modo tale da riconoscere a questo sistema, che ha funzionato bene per molto tempo, i pregi e i difetti ad esso oggi ampiamente riconosciuti.
Partiamo con il suo pregio. La rimozione della o delle testate di un motore con distribuzione ad aste e bilancieri è resa molto più semplice, perché può essere fatta senza toccare la fasatura del sistema di distribuzione. D’altro canto, quello ad aste e bilancieri è un layout che prevede un maggiore numero di componenti, ma, cosa ancora più importante, richiede molle di richiamo con rigidezza elastica superiore, una caratteristica fondamentale dovuta alla maggiore inerzia del complesso degli equipaggi mobili. Questo significa sprecare potenza per comprimere molle più rigide.
Dal canto suo, il sistema con albero della distribuzione in testa non ha questo genere di problema, ma ne presenta un altro di cui abbiamo già parlato in parte: la difficoltà di collegare tra loro gli alberi a camme e l’albero motore.
In conclusione, come accade spesso nella tecnica, ogni soluzione ha i propri vantaggi e svantaggi. Bisogna dire che il problema del collegamento tra albero a gomiti e alberi a camme è stato ampiamente risolto e che l’affermarsi dei sistemi con distribuzione in testa è dovuto anche alla loro maggiore affidabilità e alla loro maggiore silenziosità in condizioni di esercizio.
 
Le cinghie dentate
Prima dell’avvento delle cinghie dentate esistevano solamente le catene.
Poi le cinghie si sono migliorate, sia in termini di affidabilità, sia sul fronte puramente tecnologico, tanto che da un certo punto in poi sono diventate il sistema principale per la trasmissione del moto tra alberi a camme e albero motore.
Gli inserti in kevlar e l’utilizzo di materiali polimerici specifici come per esempio il neoprene hanno consentito di superare uno dei maggiori limiti delle cinghie dentate: la possibilità di lavorare efficacemente su entrambi i lati, dorso e superficie dentata.
L’altro problema che i progettisti e i tecnologi hanno dovuto superare è stato rendere la cinghia un sistema sufficientemente stabile in termini di lunghezza. Una variazione di questa loro dimensione, infatti, provocava variazioni eccessive del diagramma di fase dell’intero sistema di distribuzione.
Ricordiamo comunque che, per quanto si siano universalmente affermate, le cinghie sono ancora oggi componenti con vita limitata e una o più sostituzioni, durante l’intera vita del veicolo, devono essere messe in conto.

 

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