martedì 2 giugno 2015

Bielle

Le Bielle costituiscono un componente fondamentale in un motore alterno a combustione interna, esse consentono il collegamento tra il pistone e l'albero motore

Le Bielle sono elementi meccanici presenti in ogni motore alternativo a combustione interna, esse collegano in modo solidale il pistone all'albero motore affinché le forze generate dalla combustione, nello spingere il pistone verso il Punto Morto Inferiore (o P.M.I.) possano essere trasmesse al braccio di manovella dell'albero motore attraverso la biella stessa che serve da mezzo di collegamento.  Esse devono rispondere a diverse necessità progettuali come la grande resistenza, elevata rigidità, stabilità dimensionale e peso ridotto per non gravare eccessivamente sulle forze alterne generate dal movimento del motore a gran numero di giri.

Biella in acciaio forgiata
Biella forgiata con profilo tradizionale ad "I"



Le bielle sono costituite dalle seguenti parti:

  • Piede di biella
  • Testa di biella
  • Fusto
  • Cappellotto
  • Perni di serraggio

Il piede di biella è la parte dove va ancorata al pistone mediante lo spinotto (inserito nel foro di diametro minore nella foto sopra).

La testa di biella è la parte che va fissata al gomito dell'albero motore (diametro maggiore in foto).

Il fusto è il corpo compreso tra il piede di biella e la testa di biella, come si può vedere dalla foto sopra, esso è più stretto verso il piede di biella e più largo verso la testa di biella. 

Esistono diversi disegni costruttivi di fusto, il più classico e maggiormente implementato nei motori di produzione in grande serie, è quello detto ad "I" più facile da produrre per fusione. 

Per motori più spinti, si utilizzano bielle con fusto detto ad "H" rovesciato spesso attribuito di maggior robustezza rispetto al profilo ad "I" , queste bielle vengono esclusivamente fabbricate per forgiatura e poi lavorate a macchine CNC.  Esistono anche profili del fusto dette a "+" ma utilizzate da pochi fabbricanti. 

Il materiale di cui sono fatte le bielle viene scelto in base all'utilizzo che se ne deve fare, motori in grande serie, spesso vengono ottenute per fusione in ghisa, per motori più sportivi si predilige l'acciaio (come su molti motori Turbo Diesel di ultima generazione a grandi prestazione) mentre per unità davvero speciali ad alte prestazioni, esse sono forgiate.

Per applicazioni da competizione, dove il raggiungimento di gran numero di giri è primordiale, in alcuni casi vengono impiegate bielle in Titanio, materiale molto più leggero (e costoso) dell'acciaio.

Per alcune applicazione davvero estreme (motori dei Dragster TOP FUEL) , vengono anche usati speciali leghe d'alluminio con sezioni molto maggiorate, esse sono impiegate per "attutire" le sollecitazioni sulle bronzine della testa di biella sull'albero motore.  Vengono comunque sostituite ogni 1-2 "lanci" per scongiurare il cedimento per fatica (molto risentito su componenti in alluminio).  

Biella in Lega d'alluminio speciale per dragster Top Fuel
Biella in lega di alluminio speciale per applicazioni Dragster Top Fuel (vengono sostituite quasi dopo pochi "lanci") 


Il fusto della biella deve reggere forze ragguardevoli sia durante la corsa discendente di "scoppio" che durante la discesa in fase di aspirazione. 

Durante la fase di aspirazione, una volta che il pistone ha raggiunto il Punto Morto Superiore, esso inverte il suo movimento e quindi per effetto della forza d'inerzia la biella viene sottoposta ad un "allungamento" nel tirare giù il pistone,  si pensi che da dati dichiarati dai costruttori, in un motore di Formula 1 (aspirati V10 e V8), in corrispondenza dei giri di potenza massima (18000 a 20000 RPM), le bielle (in Titanio) si allungavano fino a 0,6mm !

Durante la corsa di espansione, i gas della combustione della miscela aria-carburante, spingono sul pistone, a sua volta, questa forza è trasmessa all'albero motore attraverso la biella, mettendo il fusto della biella a forze di compressione solo in parte annullate dalle forze d'inerzia coinvolte durante la discesa (e risalita del pistone).

Il cappellotto è l'unica parte non solidale in corpo unico con la biella, infatti, esso è fatto in modo tale da consentire il montaggio sul gomito dell'albero motore, bloccato da due perni di fissaggio in acciaio speciale molto resistente a stiramento (per contrastare le suddette forze di inerzia).

Cappellotto di Biella con viteria in acciaio speciale
Cappellotto di biella con viti di fissaggio in acciaio speciale


Normalmente, nel piede di biella viene riportato ad interferenza un cuscinetto o bronzina in materiale a basso attrito e con proprietà auto lubrificanti come il bronzo (di qui il nome "bronzina", ma sono stati usati anche altri materiali per questo scopo).   

Parti che compongono la biella
Parti che compongono la biella
Alcuni costruttori, se vengono impiegati fissaggi dello spinotto a "pressione" sulla biella e flottante sul pistone, fanno a meno di queste bronzine, altrimenti è universalmente utilizzata da tutti i costruttori. 

In alcuni motori a due tempi, spesso monocilindrici, vengono usati cuscinetti ad ago o rulli in sostituzione alle bronzine a strisciamento sia sul piede di biella che sulla testa di biella e spesso, non presentano nemmeno il cappellotto e relativi viti di fissaggio, queste bielle sono costruite in un'unico pezzo, richiedono infatti, di un'albero motore scomponibile.

piede di biella con cuscinetto ad aghi per uso motori 2 tempi
Testa di biella con cuscinetto ad aghi per uso motociclistico 2 tempi
Alcune bielle hanno un foro lungo il fusto per portare l'olio a pressione verso lo spinotto, altre invece, hanno dei tagli nella parte superiore della testa di biella indirizzato verso il piede di biella, l'olio a pressione, defluendo dalle bronzine, viene schizzato verso il pistone e quindi verso il piede di biella. 

Biella in acciaio speciale ad H rovesciato
Biella ad "H" rovesciata in acciaio con "taglio" per spruzzare olio in pressione verso il fondo del pistone
Altri disegni invece, usano un piccolo ugello calibrato in un lato della testa di biella per spruzzare l'olio a pressione verso il pistone.


Esploso insieme pistone e biella con dettaglio spruzzatore olio in pressione
Dettaglio che evidenzia un'altro metodo per spruzzare olio in pressione per raffreddare il fondo del pistone






2 commenti:

  1. come avere informazioni sulle bronzine di nuova generazione,differenza tra quelle con in dentino e quelle senza?

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    1. Ciao, il miglior modo di avere notizie utili al riguardo al materiale delle bronzine secondo me, è interpellando i maggiori produttori di questi prodotti, comunque sia, sappi che le caratteristiche delle bronzine attuali sono migliori a quelle di una volta, vuoi per i materiali usati, ma sopratutto, per le lavorazioni che hanno guadagnato in precisione, senza contare quelle che per uso motorsport "no limits" sono anche munite di trattamenti superficiali antiattrito, purtroppo spesso disponibili solo per pochi modelli di motori, il più delle volte V8 amercani e dal costo maggiore rispetto a quelle performance tradizionali. Per quanto riguarda la presenza o meno del dentino di montaggio, posso solo indicarti che è dipendente dal design del motore, ma per quanto mi ricordi, tutti o quasi ne fanno uso, senza il "bloccaggio" della bronzina nel suo alloggiamento, si rischierebbe che essa si girasse andando a compromettere l'affidabilità del motore, la bronzina, sia essa di biella o di banco, deve montare perfettamente nel su alloggio, con una leggera pressione. Ho intenzione di parlarne esaustivamente in articoli futuri visto che è un tema interessante e dal quale, si potrebbe trarre ottimi spunti per elaborazioni estreme riducendo i rischi di rottura che spesso si presentano su applicazioni turbocompresse molto spinte dove l'incremento della pressione di combustione mette a dura prova questi componenti. Alcuni fabricanti di bronzine a cui potresti chiedere: MAHLE/Clevite(la seconda acquistata dalla prima) - Glyco (Federal Mogul), ecc

      Saluti,
      Antonio

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