Appunti Costruzione di autoveicoli

“I”:

1. è il tipo di biella più diffuso per via della facilità ed

Biella ad

economicità di produzione; infatti, gli alleggerimenti si

ottengono per forgiatura e le lavorazioni meccaniche si limitano

alla messa in tolleranza dei fori. Inoltre, con questo tipo di

bielle le masse sono concentrate lontano dall'asse e dato che il

moto è di tipo rototraslatorio e si sviluppano azioni che

sollecitano a flessione la biella, si ha il vantaggio a flessione

dovuto alla trave a doppio T. Il problema di questo tipo di biella

è che l’anima centrale del fusto si ritrova anche nella parte

bassa del cappello di biella: ciò, unito alla lavorazione

necessaria per creare il collegamento filettato tra fusto e

cappello, dà al cappello stesso un elevato coefficiente di intaglio. 42

“H”:

2. gli alleggerimenti in questo caso vanno realizzati

Biella ad

per fresatura, ma si evita il problema dell'intaglio sul cappello di

biella. Lo scavare il fianco anziché la pancia della biella

permette di asportare più materiale (alleggerimento risulta più

spinto), la biella può dunque avere dei movimenti laterali più

.

rapidi, e il motore può girare a più alti Inoltre, il rapporto

d'allungamento dei motori sportivi è più alto, quindi la biella è

più corta, di conseguenza gli effetti flettenti sulla biella sono

meno rilevanti.

vie di mezzo, ad esempio alleggerimenti ad “X” che

Esistono anche

però non tratteremo.

2.6.1 Elementi costruttivi della biella

Analizzando il disegno in figura si nota la presenza di elementi di fissaggio tra il cappello della biella ed

e non l’albero motore)

il fusto (infatti la maggior parte delle volte la biella è scomponibile e del foro di

lubrificazione posizionato sul piede di biella (ma possono essere anche realizzati sul bottone di

Quest’ultimo è utile perché

manovella, come nel caso dei motori a V). l'olio che casca da sotto il

pistone viene usato per la lubrificazione del piede di biella passando proprio per quel foro.

Nelle bielle scomponibili, il collegamento tra cappello e fusto non

avviene unicamente attraverso elementi filettati, ma sono

necessari altri dispositivi necessari a sopportare gli sforzi di

taglio, come ad esempio boccole o spine, evitando il compito alla

vite (per la quale la condizione di taglio non è accettabile). Il

montaggio con bussole, in particolare, risulta più economico e

facile, rispettando meglio la coassialità che deve avere il pezzo e

permettendo una maggiore resistenza a taglio.

Tuttavia, è interessante analizzare anche un altro collegamento tra cappello e

fusto, che consiste nel realizzare di pezzo i due elementi per poi separarli

la biella intera viene immersa nell’azoto

successivamente; innanzitutto, liquido, al

dopo viene realizzata un’incisione laser

fine di rendere più fragile il materiale, e

nella zona di separazione. Tale procedura è necessaria per creare un intaglio e

innescare la rottura, che viene completata con un cuneo che mette in trazione il

componente, spaccandolo proprio in corrispondenza dell’intaglio. Tale soluzione 43

permette di realizzare il centraggio semplicemente attraverso la rugosità delle superfici che si sono

realizzate durante la frattura, avendo una corrispondenza univoca tra le due, ovviamente con costi

molto più elevati della procedura classica e quindi raramente applicata.

Si noti che nel fusto e nel cappello di biella sono presenti degli

incavi. Questi sono necessari al fine di poter alloggiare

anch’essa realizzata con la

correttamente la semi-bronzina,

dentatura (per non ruotare nella

sede); inoltre, la semi-bronzina è

realizzata in modo tale che sporga di

un valore detto che serve ad assicurare la continuità

crush,

altezza di

totale della bronzina totale, una volta serrati fusto e cappello (infatti, le due

altezze di permettono di comprimerle tra loro). Per fare ciò la semi-

crush

bronzina deve essere rastremata sulla parte terminale in modo che il

rigonfiamento la porti al giusto spessore.

Particolare attenzione è necessaria per le bielle dei motori a V. Infatti, in questi motori le bielle dei

cilindri con in comune lo stesso perno di manovella lavorano classicamente affiancate (si veda

immagine biella a I), generando offset tra i due cilindri corrispondenti sulle due bancate. Tuttavia,

esistono soluzioni per evitare di creare questo offset assiale (rispetto all’albero motore):

• Bielle affiancate

• Bielle accavallate (figura in basso a sinistra)

• Bielletta comandata (figura in basso a destra)

2.6.2 Materiali e processi tecnologici per le bielle

Le bielle sono spesso realizzate in per o per via delle elevate

acciaio stampaggio forgiatura,

caratteristiche meccaniche che garantisce questo materiale. Si ricordi però che questo processo è

fortemente direzionale, quindi, partendo dal semilavorato, che nasce già col grano cristallino molto

direzionato, la stampata accentua le caratteristiche di direzionalità del pezzo, con il risultato di un

pezzo fortemente anisotropo.

Tuttavia, l’acciaio non è l’unico materiale utilizzato, ad esempio per motori tendenzialmente lenti si

contraddistinta da un’ottima

utilizza la lavorabilità. In questo caso la biella è

ghisa sferoidale,

realizzata per risultando isotropa a livello di caratteristiche; infatti, le anisotropie sono

fusione, 44

distribuite nell'unità di volume in maniera totalmente casuale e quindi le caratteristiche del materiale,

mediate, diventano isotrope.

Altro materiale possibile sono le che possono essere di tipo alfa (più resistenti) o beta

leghe di titanio

(più lavorabili), anche se spesso si usano leghe intermedie. Tecnicamente questo materiale

rappresenta uno ottimo compromesso di proprietà meccaniche (più leggero di acciaio e più resistente

di alluminio) ma è difficile e costoso da lavorare. Per quanto riguarda i processi che possono essere

utilizzati, si parla principalmente di o (normalmente a cera persa, seguita da

stampaggio microfusione

nitrurazione della superficie).

Infine, per motori piccoli e con non troppe prestazioni, si realizzano bielle in e anche qui i

alluminio

processi principalmente sono (Cu-Si) e (Si-Mg).

stampaggio fusione

2.6.3 Dimensionamento del fusto

Si effettuano principalmente due tipi di verifica del fusto:

(“condizione di avviamento”):

• che viene effettuata nella condizione di massima

Analisi statica e la forza d’inerzia

forza agente sul fusto della biella, con la forzante data dai gas massima

(che contrasterebbe l’azione dei gas) nulla (ovvero ad albero motore fermo)

• che viene effettuata considerando come

Analisi a fatica:

frequenza il regime di rotazione massimo del motore. I limiti del

ciclo di carico (carico positivo quando si è in compressione) sono

dati da tre punti: −

PMS di compressione: , ovvero forza dei gas meno

o 1

forza d’inerzia forza d’inerzia

−

PMS di scarico: , ovvero solo

o 1

PMI: , ovvero solo forza di inerzia con valore diverso da

o 2 1

Inoltre, essendo soggetta a compressione, nella biella potrebbero nascere fenomeni di instabilità

elastica; pertanto, si rende necessaria una del fusto.

verifica a carico di punta

Si ricorda che la snellezza di una trave vale:

0

=

Tale valore poi va confrontato con il valore limite di snellezza, verificando che non sia inferiore ad

esso:

= √

Dove è la lunghezza libera di inflessione, è il raggio di inerzia della sezione, è la tensione al

0

limite di proporzionalità (allo snervamento) e è il modulo di Young del materiale. 45

La lunghezza libera di inflessione , tuttavia, è da valutarsi in funzione del piano

0

in cui si considera che avvenga l’inflessione. Infatti, al variare di tale piano

variano i vincoli con cui è corretto schematizzare la biella, ad esempio:

• Nel piano frontale si schematizza con un vincolo cerniera-carrello, che

porta ad un’inflessione del primo ordine =

0

• Nel piano laterale si ha un doppio incastrato (al netto dei giochi presenti), che genera

un’inflessione del secondo ordine = (0.6 ÷ 0.8).

0

Per la verifica, infine, si utilizza la formula di Eulero, in cui è la massima forza di compressione

(all’avviamento) e è il momento d’inerzia della sezione

che si oppone alla flessione:

2

< 2

0

Come si vede dalla rappresentazione delle accelerazioni del

manovellismo nel generico punto di funzionamento individuato dagli

,

angoli e il punto B è sottoposto ad accelerazioni principalmente

alterne, mentre il punto A ad accelerazioni prettamente centrifughe.

Tali accelerazioni hanno effetti differenti sulla biella:

lungo l’asse

• Quelle muovono la biella

ortogonali all’asse flettono

• Quelle la biella

Prendiamo in considerazione una particolare condizione, quella

più critica dal punto di vista degli sforzi sulla biella, ovvero

quando l’angolo della manovella rispetto alla biella raggiunge i

90° (siamo quindi in fase di quadratura, con biella e manovella

l’accelerazione

ortogonali). In questo caso centrifuga diventa

perfettamente perpendicolare alla testa di biella.

a verificare la legge di moto dell’accelerazione, l’accelerazione alterna sul piede di biella in

Andando

fase di quadratura è pressoché nulla; quindi, si può approssimare questa condizione con un campo di

accelerazione lineare del tipo: 2

=

2

= = 0.

con: e

Questo campo di accelerazione è il responsabile della generazione del cosiddetto effetto colpo di

che si scarica sulla biella, in cui la forza è data proprio dal prodotto tra questa accelerazione e la

frusta

massa della biella. Introducendo ora un’importante approssimazione sulla distribuzione di massa della

biella, ipotizzandola uniformemente distribuita lungo la lunghezza del pezzo, si possono calcolare i

carichi agenti sulla biella, per trovarne la distribuzione dei momenti risultanti: 46

2

() =

= =

0

l’area

Co