Motorsport

Disegno e materiali

Nei pistoni confluiscono la funzione di tenuta della corona (che porta le fasce di tenuta e le raschia olio) e la funzione di guida svolta dal sottostante mantello cui è collegato lo spinotto che trasmette le forze all'imbiellaggio. La corona, dovendo permettere il corretto funzionamento delle fasce di tenuta, e cioè il passaggio dei gas destinati a pressurizzarle, non deve toccare le pareti del cilindro durante il funzionamento, ma conservare rispetto ad esse (anche a caldo) un certo gioco atto a lasciare una adeguata area di passaggio per i gas verso le fasce. Questa condizione è così importante che in pistoni ultra corti da competizione, che per forza di cose usano anche la corona come struttura portante, si è soliti effettuare una sagomatura a margherita proprio sulla corona al fine di ottenere questo importante effetto di pressurizzazione sulle fasce.Per compensare il gradiente assiale di dilatazione termica la corona non ha un diametro costante ma è sensibilmente rastremata verso l'alto. Il gioco massimo a freddo della parte superiore della corona può raggiungereuno 0,5-1% dell'alesaggio (diametro cilindro) per pistoni di alluminio che scorrono in canne di ghisa; un pò meno se la canna è anch'essa di alluminio. La posizione della prima fascia di tenuta, che si vorrebbe (per motivi di peso dello stantuffo, rapporto di compressione...) più in alto possibile, è di fatto determinata dal gradiente assiale di temperatura: la fascia deve trovarsi in una zona con temperatura sufficientemente bassa da non crakizzare l'olio. Se ciò avvenisse condurrebbe all'incollaggio, al trafilamento dei gas ed al grippaggio. Il mantello in sostanza svolge la funzione di pattino idrodinamico. La sua superficie ha forma lievemente bombata in modo da avere nei due sensi del moto le lievi inclinazioni di parete capaci di generare in modo ottimale la portanza idrodinamica. Sulle pareti del mantello esiste una serie di rigature circonferenziali aventi la funzione di microserbatoi di olio. Il gioco a freddo nella parte più bombata è nell'ordine dello 0,15% dell'alesaggio (pistoni alluminio, canne ghisa). Se il gioco diventa eccessivo (come in figura qui sotto) il pistone inizia ad oscillare non garantendo la tenuta dei segmenti (fasce). Le portate dello stantuffo entro cui appoggia lo spinotto, devono ovviamente essere dimensionate a compressione, a trazione e pressione specifica in modo da sopportare sia le forze di pressione sia gli sforzi a trazione originati dalla forza di inerzia al punto morto superiore.

 

Pistoni tipo F1

Come è possibile vedere più avanti per le bielle, anche i pistoni estremamente sollecitati sono caratterizzati da un disegno altrettanto estremo. Un pistone di F1 ha una massa di circa 200 grammi, è costituito da una lega di alluminio, silicio e boro, sopporta temperature di circa 2000°C nonché una spinta di alcune tonnellate ad ogni combustione e accelerazioni di ben 10.000 g. Un gioco tutt'altro che da ragazzi. Per ottemperare ad una simile richiesta i pistoni vengono dotati di una evidente nervatura che ne impedisce la deformazione o, peggio, il completo collasso. Anche il mantello è nettamente differente sia rispetto ai pistoni tradizionali che a quelli sportivi adottati nelle competizioni minori. La sua superficie è ridotta al minimo indispensabile, quanto basta per conferire la stabilità richiesta per affrontare poche centinaia di chilometri. E' sufficiente una perdita di pochi centesimi di materiale per far decadere drasticamente le prestazioni e l'affidabilità dell'organo, ragione per cui i trattamenti superficiali rivestono sempre più un ruolo fondamentale al fine di aumentare la resistenza delle superfici e garantire piena funzionalità per la durata prevista.

 

Sollecitazioni termiche

Il pistone è un organo soggetto ad un intenso flusso di calore proveniente dai gas presenti in camera di combustione. Circa il 30-40% del totale calore trasmesso al fluido refrigerante raggiunge la canna del cilindro attraverso il pistone. Le massime temperature raggiunte dipendono principalmente dalle condizioni di funzionamento del motore, dal dimensionamento del pezzo e dalla sua geometria. I valori massimi di temperatura si raggiungono nella zona centrale del cielo del pistone. Le temperature vanno poi diminuendo gradualmente verso la periferia del cielo del pistone e verso la parte bassa del mantello. I ridotti valori di temperatura presenti sull'ultima porzione del mantello stanno a significare che nella zona delle fasce vi è un'intensa trasmissione del calore (50-60%) verso le pareti del cilindro. Inoltre non va dimenticato che la parte inferiore del pistone riceve un getto d'olio lubrificante il quale contribuisce per il 15-20% al raffreddamento del pistone stesso. Di seguito si analizzano brevemente i valori critici delle temperature delle diverse zone del pistone. I limiti della massima temperatura tollerabile da un pistone dipendono dalla resistenza del materiale con cui sono realizzati. Le leghe leggere a base di alluminio (con elementi di alligazione quali rame e silicio) difficilmente possono essere impiegate oltre i 350°C in quanto le loro caratteristiche meccaniche, superata tale soglia, peggiorano drasticamente. D'altra parte però è risaputo che l'impiego di leghe di alluminio per la realizzazione dei pistoni offre vantaggi quali: leggerezza, lavorabilità alle macchine utensili e conducibilità termica. Nella zona delle fasce elastiche è importante evitare il bloccaggio dei segmenti di tenuta nelle loro cave. Ciò può avvenire se il lubrificante perde le sue proprietà per via di temperature eccessive. Specialmente nella zona della prima fascia è opportuno evitare di superare i 200-250°C tuttavia, già a temperature di 200°C, è importante che l'olio lubrificante adoperato abbia efficaci proprietà anti-incollamento ottenute per mezzo di speciali additivi. Sul fondo della testa del pistone (la parte sotto il cielo del pistone osservabile capovolgendolo) le temperature vanno contenute allo scopo di evitare un'alterazione dell'olio. Il lubrificante infatti, quando surriscaldato, forma depositi carboniosi che aderiscono alle pareti degli organi meccanici. Tali residui hanno un effetto, in questo caso controproducente, di isolamento termico. Nei pistoni con un alesaggio abbondante il getto d'olio proveniente dal basso non è sufficiente, si ricorre quindi a ricavare opportune canalizzazioni per l'olio anche nella testa del pistone. Sul mantello, che svolge la funzione di guida del pistone nella canna del cilindro, eccessive variazioni di temperatura possono produrre dilatazioni che portano al grippaggio. Valori corretti delle temperature si aggirano intorno ai 120-150°C per la parte superiore del mantello, 80-100°C per la parte inferiore.

 

Sollecitazioni meccaniche

Guarda il video delle sollecitazioni cui è sottoposto un pistone.

 

Spinotti

Collegano i pistoni alle bielle. Sono costruiti in acciai alto resistenziali cementati, nitrurati (carbo o solfo nitrurati). Nei motori ad elevate prestazioni compatibilmente con le forze che andranno a sopportare, sono alleggeriti al massimo proprio per ridurre le inerzie durante il punto morto superiore e inferiore.

 

Fasce elastiche

La funzione delle fasce elastiche è di assicurare la tenuta dello stantuffo ai gas di combustione. Il meccanismo che assicura questa funzione non è la pressione elastica della fascia come si può immaginare dal nome. Essa infatti ha la pura funzione di assicurare un modesto precarico che la mantiene premuta contro la canna del cilindro in condizioni di depressione nel cilindro stesso. La vera azione di tenuta è effettuata dalla pressione dei gas i quali premono assialmente dall'alto contro la faccia inferiore della cava e contemporaneamente, insinuandosi dietro di essa, la spingono radialmente contro la canna. Le forze in gioco sono elevatissime e ben superiori a quelle elastiche della fascia. Si ha così una fascia che si auto pressurizza in proporzione alla pressione da contenere.

1) segmenti di tenuta 2) segmenti raschia olio 3) pistone 4) spinotto 5) anelli di ritegno dello spinotto 6) piede di biella

 

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