A lezione dall’ing. Mario Manganelli: La struttura del basamento motore (parte 2)

Questo articolo dopo la precedente introduzione (qui il link) cercherà di illustrare come un approccio strutturale può guidare a progettare un blocco motore o basamento che possa contenere le informazioni tecniche che ci vengono richieste. Tipicamente come indicato nella pima parte, i due dati principali sono l’alesaggio e la corsa, come la configurazione del motore (in linea oppure a V). La configurazione è fissata generalmente prima dell’approccio alla progettazione.

Come si comincia

Gli ingegneri generalmente iniziano cercando di definire uno scheletro del basamento che possa contenere tutte le misure che abbiamo già a disposizione, come indicato precedentemente. E comunque inserire anche quelle che si ritiene possano essere ragionevoli ma definite in una fase successiva. Parlo, per esempio, del posizionamento dei getti pistone oppure della dimensione dei canali di alimentazione olio a tutti gli accessori. E’ importante in questa fase fare un primo dimensionamento ragionevole in funzione anche di quello che potrà essere il processo di lavorazione di tali dettagli. Non farà infatti differenza 5.0 mm oppure 6.0 mm la dimensione del canale olio nella progettazione di un completo basamento.

Il dimensionamento generale

Importante è che il dimensionamento generale sia frutto di una certa esperienza oppure di consigli chiesti a colleghi più maturi da questo punto di vista. Inoltre avere e conservare, come dicevo prima, un certo margine nel progetto. Tipo sovrametalli in zone critiche può “salvarci” da ulteriori punti di sviluppo che possono esserci nel futuro, senza pagare troppo in termini di peso o dimensioni eccessive. Qualsiasi sia il sistema CAD utilizzato, si inizia a definire a livello geometrico le dimensioni relative all’asse motore e agli assi dei cilindri previsti in funzione della configurazione degli stessi. L’interasse dei cilindri definisce in modo univoco l’ingombro generale del sopra basamento. Un altro parametro fondamentale, relativamente alla progettazione della meccanica calda, è il tipo di raffreddamento del cilindro in funzione del metodo di fusione previsto. Quindi dello spessore delle canne sia dal lato alluminio sia dal lato circolo acqua. Tipicamente la minima quota prevista per questi due spessori caratterizza in  modo univoco l’ingombro del basamento e gli eventuali accorgimenti da tenere già in questa fase  in considerazione per il processo fusorio previsto.

Comando della distribuzione

Un ulteriore punto che determina l’ingombro del basamento è il tipo di comando previsto per il sistema di distribuzione. Infatti sia nel caso del comando a catena, maggiormente usato in motori con un regime di rotazione non elevato, sia nel caso del comando a cascata di ingranaggi, si deve aggiungere sul lato, anteriore o posteriore un ingombro per alloggiare i componenti previsti al trascinamento.

Asse motore al piano appoggio delle teste

Come accennato prima, per ingombro del basamento si intende anche la altezza prevista dall’asse motore al piano appoggio delle teste. Questa quota è molto importante per l’alloggiamento della testa e di tutti quelli accessori che sono previsti sulla testa per l’alimentazione aria e benzina. I tre parametri principali che determinano la altezza del basamento sono: la corsa, la lunghezza della biella e l’altezza di compressione del pistone. In particolare quest’ ultima dimensione dipende dal tipo di segmentatura prevista (dimensione dei segmenti e quantità), dal diametro dello spinotto e dalla tecnologia e dal materiale previsto per la sua realizzazione del pistone. Infatti il progresso della tecnologia moderna delle leghe in alluminio sia per pistoni stampati sia per pistoni lavorati completamente dal pieno, permette di realizzare degli spessori decisamente ridotti con margini di affidabilità molto elevati.

Parte inferiore del basamento

Tornando ad esaminare la parte inferiore del basamento nella zona prevista per il montaggio dell’albero motore, non è da trascurare il modo in cui le forze generate dal gruppo imbiellaggio si trasferiscono ad esso. In particolare mi riferisco al numero dei supporti principali dell’albero motore (denominati banchi), del loro interasse e del tipo di prigionieri previsti per la chiusura del banco superiore con quello inferiore.

Prigionieri di fissaggio

Simile analisi dev’essere svolta nella parte superiore de basamento dove troveranno alloggiamento i prigionieri di fissaggio delle testa al precedente. La rigidezza sia dei prigionieri di banco sia di quelli di testa sarà un elemento fondamentale per l’affidabilità delle bronzine di banco e quindi della loro lubrificazione e della guarnizione di testa, se intesa come spessore tra basamento e testa. Oppure degli anelli di tenuta dei singoli cilindri alloggiati in cave circolari sul piano basamento.

Dimensionamento interno del basamento

In questa fase di analisi si può considerare che il basamento e le dimensioni principali possano essere schematizzate in uno scheletro che servirà successivamente per la modellazione geometrica più dettagliata. Ci siamo sicuramente soffermati sul dimensionamento principalmente interno del basamento. E’ necessaria una fase di approfondimento ed analisi che permetta di definire gli attacchi principali del basamento a quello che sarà il telaio oppure la scocca portante del nostro veicolo. Vale che sia esso a 2 oppure a 4 ruote.

In questa fase la progettazione dovrà essere rivolta a rendere queste aree o punti di contatto rigidi e poco deformabili per permettere al basamento di contribuire alla rigidezza del gruppo telaio-motore in modo importante. L’esperienza in questo campo sicuramente è fondamentale per definire i livelli di rigidezza ed il tipo di connessione necessaria. Sia essa con spine, viti,  prigionieri e a volte uniti, in caso di veicoli non da competizione, a elementi smorzanti caratterizzati.

Spessori del basamento

La progettazione degli spessori del basamento è fondamentale. Specialmente se l’obiettivo è quello di minimizzare il peso dello stesso e comunque permettere al processo fusorio di essere efficace e di qualità. Tutte quelle aree che necessitano spessori maggiori per garantire, a componenti installati successivamente, di essere montati con affidabilità, devono essere previste a priori. In particolare mi riferisco agli spessori dove sono montati i prigionieri, le bronzine di banco, le viti di chiusura, i getti pistoni, e le spine di riferimento per il montaggio. Sono invece ottimizzate nelle spessore minimo tutte le are di scambio termico del circolo acqua, dell’alloggiamento delle pompe olio ed acqua.

Conclusione

Per concludere si può affermare che la struttura del basamento è di fatto la vera struttura del motore e la sua progettazione guiderà la maggior parte delle scelte di progettazione prima e di sviluppo del motore successivamente. Quindi il basamento è sicuramente l’elemento, probabilmente insieme alla testa motore, che deve essere frutto di una importante collaborazione tra ingegneri progettisti, calcolisti ed esperti di quello che sarà il processo di produzione. Il feedback con il fornitore che produrrà di fatto la fusione e successivamente eseguirà le lavorazioni meccaniche deve essere continuo in tutta la fase di progetto e successivamente nella fase di produzione fin dai primi prototipi. A questo punto l’esperienza del progettista cresce e permette di acquisire ulteriori conoscenze che potranno essere gli obiettivi ed i limiti ulteriori che si vorranno assegnare al prossimo progetto di questo importante componente.

Successivamente vengono presentati alcuni esempi interessanti. Foto 1: immagine di un motore V8 da competizione con in vista la zona del passaggio degli ingranaggi della distribuzione.

Foto 2: Toyota. La fusione è in alluminio. Si nota la presenza della canne chiamate “integrali” essendo ricavate direttamente nel sopra basamento. Essendo le canne realizzate con questa tecnologia, è stato possibile realizzare una distanza tra le canne adiacenti di 10 mm. Si considera che internamente ai 10 mm è compreso un passaggio di 4-3.5 mm di passaggio per il circolo dell’acqua. Rimane quindi uno spessore di 3-3.25 mm da una parte del circolo acqua verso ciascuna canna adiacente. Inoltre si nota nella parte bassa della fotografia, l’alloggiamento del gruppo delle pompe di recupero dell’olio dal sotto basamento.

Foto 3: Una grande cura deve essere dedicata alla realizzazione delle anime in sabbia per il circolo, in questo caso, della acqua attorno alle canne dei cilindri. Con le ultime tecnologi di produzione di queste anime si è arrivati ad avere 2 mm di spessore tra i due diametri raffigurati