I segreti della biella

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È difficile immaginare un componente più sollecitato della biella, la cui funzione è quella di collegare il pistone all’albero a gomiti, trasmettendo dall’uno all’altro forze assai cospicue. In una biella si distinguono una estremità di maggiori dimensioni, detta testa, e una più piccola, detta piede; a collegarle provvede il fusto. In ognuna delle due estremità è praticato un occhio, ovvero una apertura cilindrica; in quello della testa si inserisce il perno di manovella dell’albero e in quello del piede lo spinotto, vincolato al pistone. Il montaggio sull’albero, che nella maggior parte dei casi (sempre, nei motori automobilistici) è in un sol pezzo, è reso possibile dal fatto che la testa è scomponibile. Tra le pareti dell’occhio e il perno di manovella è collocato un cuscinetto a strisciamento (ovvero una bronzina), installato nella testa con una lieve interferenza. Il diametro interno della bronzina, dopo il montaggio, è leggermente superiore a quello del perno. Tra le due parti esiste quindi un gioco, ossia uno spazio che durante il funzionamento del motore viene riempito dall’olio; si instaura quindi un regime idrodinamico, con completa separazione delle superfici dei due componenti da parte del lubrificante. Durante la fase di espansione la biella trasmette all’albero la forza generata dalla pressione dei gas che agiscono sul cielo del pistone. In altre fasi del ciclo di funzionamento, invece, quelle che contano sono fondamentalmente le forze d’inerzia, che crescono con il quadrato della velocità di rotazione e che agiscono in modo da sollecitare la biella sia a trazione che a compressione, con valori massimi che vengono raggiunti rispettivamente al punto morto superiore (PMS) e al punto morto inferiore (PMI). Il movimento della biella è complesso in quanto una delle sue estremità è montata su di un organo in rotazione (il perno di manovella dell’albero a gomiti) mentre l’altra è vincolata a un componente animato di moto rettilineo alternato. Di conseguenza durante le corse discendenti del pistone (dal PMS al PMI) la biella si inclina da un lato, rispetto all’asse del cilindro, e durante le corse ascendenti (dal PMI al PMS) si inclina dall’altro. Dunque essa compie anche un movimento pendolare con fulcro nello spinotto, e di conseguenza deve sopportare anche forze che la sollecitano a flessione. Quando viene raggiunta la massima inclinazione, la biella si arresta momentaneamente per invertire il senso del movimento, ed è soggetta a un vero e proprio “colpo di frusta”.

Un rapporto critico
Se la biella fosse infinitamente lunga non si inclinerebbe affatto e il movimento del pistone sarebbe perfettamente simmetrico, ovvero sarebbe descrivibile con un grafico dall’andamento sinusoidale. Nella realtà questo è impossibile, e il fatto che la biella si inclina ha conseguenze importanti.
Il movimento del pistone risulta determinato da due componenti. Quello principale è costituita dalla proiezione sull’asse del cilindro delle posizioni che il perno di manovella raggiunge durante la rotazione dell’albero mentre quello secondaria è dovuta alla inclinazione della biella. Lo spostamento laterale della testa di biella, rispetto all’asse del cilindro, causa infatti uno spostamento del piede lungo tale asse. Di conseguenza il movimento del pistone non è simmetrico e quindi non è descrivibile da un grafico perfettamente sinusoidale. Il pistone non raggiunge metà della corsa, partendo dal punto morto superiore, quando l’albero a gomiti ha compiuto una rotazione di 90°, ma sensibilmente prima, proprio perché la biella si inclina. La prima metà della corsa (partendo dal PMS) viene percorsa in un tempo minore, rispetto alla seconda metà. Il contrario accade, come ovvio, partendo dal punto morto inferiore. Il pistone raggiunge la sua massima velocità quando l’asse della biella forma un angolo di 90° con il braccio di manovella. Dunque, la massima accelerazione positiva del pistone, che si ha al PMS, è di valore maggiore rispetto alla massima accelerazione negativa (che si ha al PMI). Questa asimmetria del movimento del pistone determina la nascita delle forze d’inerzia del secondo ordine. Alla luce di queste considerazioni appare evidente che il rapporto tra la lunghezza della biella (intesa come distanza tra gli assi dei due occhi) e la corsa, al quale è legata l’inclinazione che la biella stessa assume, costituisce un parametro motoristico di notevole importanza. Le bielle di lunghezza ridotta (in relazione alla corsa) hanno un peso minore e sono vantaggiose ai fini del contenimento della altezza del motore. D’altro canto, si inclinano di più e quindi determinano maggiori spinte del pistone contro la parete del cilindro, con conseguente aumento delle perdite per attrito e necessità di impiegare pistoni con mantello di maggiore altezza. Pure le accelerazioni dei pistoni sono più elevate. Nei motori delle auto di serie di serie il rapporto tra la lunghezza della biella e la corsa generalmente è dalle parti di 1,7 – 1,8. Nei motori di Formula Uno però è spesso superiore a 2,4.

 

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