A lezione dall’ing. Manganelli: la bronzina negli accoppiamenti dell’imbiellaggio

La progettazione meccanica come la vita è sempre un interessante compromesso. Come ingegneri abbiamo familiarità col principio del dare ed avere. Una volta che una soluzione è  provata e si rende affidabile, fino a quando non si trova un miglioramento decisivo con una idea o tecnologia differente, tendiamo ad utilizzarla in modo ampio e chiaro. Un esempio sono i cuscinetti a strisciamento chiamati shell o plain bearings.

Com’è fatta la bronzina

Concettualmente è un semplice semiguscio metallico, con doppio o triplo strato metallico, utilizzato negli accoppiamenti tra  perno di manovella e biella oppure tra perno di banco e basamento. Questo tipo di accoppiamento deve soddisfare ad una serie di requisiti contraddittori. Prima di tutto deve essere abbastanza resistente per sostenere i carichi alterni che si trasferiscono tra gli elementi dell’accoppiamento: biella e perno relativo oppure tra perno di banco e basamento. All’aumentare della velocità di rotazione del motore, sia dovuta alla combustione sia  dovuta a condizioni di scalata di marcia (downshift), le forze su questi componenti crescono molto. Le più tradizionali bronzine bi-metalliche sono state sostituite dalle più resistenti e costose bronzine tri-metalliche alle quali è stato aggiunto il bronzo ed il piombo. Questo tipo di bronzina è largamente usata nella maggior parte delle applicazioni motoristiche sia per uso di produzione sia nei motori da competizione.

Perchè il bronzo?

Il bronzo ha inoltre una altra funzione molto importante che è quella di trasmettere calore alla parte con cui si accoppia con maggiore efficienza rispetto ad altri materiali. Come per esempio avviene in un altro importante accoppiamento, ma statico, tra la sede oppure la guida valvola e la testa motore.
Una ulteriore caratteristica distintiva della bronzina piana, che spesso si ignora, è la capacità di intrappolare e quindi di trattenere alcuni piccoli residui metallici presenti nel motore e nel circuito di lubrificazione. Questi si creano per usura delle parti, siano essi a base ferrosa oppure a base di materiali derivati da leghe leggere come alluminio oppure titanio. Questa qualità è molto importante specialmente nella fase iniziale del rodaggio del motore. Cioè quando la superficie più “soft” o deformabile della bronzina, è in grado di assorbire anche rugosità ancora presenti dopo la rettifica e lucidatura, per esempio dei perni dell’albero motore e dei perni di biella o manovella.

Il filtro olio

Importante nella fase di progettazione del motore, definire il grado di efficienza del filtro olio. Obiettivo è utilizzare questo elemento come strumento di flussaggio del motore nelle fasi di rodaggio. Ma anche nelle prime condizioni di funzionamento e sicuramento quando la usura è stabile e quindi presente all’interno del motore nel normale funzionamento. La presenza del cambio e della frizione all’interno del motore può peggiorare la pulizia dell’olio. Accade spesso accade nei motori motociclistici di produzione oppure da competizione come quelli montati sulla moto da SBK. Quindi della qualità dell’olio che adduce alle bronzine. Infatti la perdita di carico più elevata che si può avere sul filtro a seguito di un elevato o consistente livello di impurità nel filtro può fare decadere anche il livello di pressione olio alle bronzine stesse. Questo effetto riduce la capacità di carico nell’accoppiamento bronzina e perno relativo.

Necessità di deformazione

Nello stesso tempo la bronzina o coppia di semiguscii, deve essere in grado di deformarsi ed adattarsi al movimento ed alla forma non perfetta del perno di banco. Ma anche del perno di manovella e del cappello della biella, durante la fase di rotazione degli stessi. Deve essere garantito sia nella fase iniziale del funzionamento del motore sia quando il motore presenta un numero elevato di ore oppure di chilometri percorsi. Si considera che la fase di “early-life-bearing” indicata come “periodo iniziale della vita della bronzina”, sia la più importante ed essenziale per garantire una vita affidabile di questo componente. A pari modo anche la giusta adduzione di olio, già al primo avviamento oppure a tutti gli avviamenti del motore è fondamentale per garantire il minimo spessore di olio nel meato tra i due semiguscii ed il perno relativo.

Strato tri-metallico

La resistenza dello strato tri-metallico, così come il materiale di base con il quale è realizzata la bronzina, deve essere il giusto compromesso di rigidezza e deformabilità.  In un progetto di una bronzina o semiguscio del tipo tri-metallico, la struttura è realizzata in acciaio, derivato da nastro ad alta resistenza, con l’aggiunta di una deposizione di uno strato di bronzo e successivamente di uno strato sottile di nickel. L’ultimo strato presente è caratterizzato dalla presenza di una lega di piombo e stagno. Alternativi a questo ultimo strato è il Babbitt metal a base primaria di stagno : è chiamata anche struttura multi-metallica.

Nickel

La presenza del nickel agisce come barriera fisica per evitare la separazione dello stagno dal terzo strato evitando la riduzione della resistenza alla abrasione. Potrebbe essere interessante allora pensare ad uno strato aggiuntivo sopra questo terzo che, dopo un certo periodo di funzionamento, possa diffondere ulteriore stagno al fine di incrementare nel tempo la resistenza superficiale. Si potrebbe stimare, specialmente per i motori di elevate prestazioni, un incremento del 15% della resistenza alla abrasione utilizzando bronzine a 4 strati.

(Fine prima parte: la seconda parte della lezione è disponibile qui)

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