A lezione dall’Ing. Manganelli: Le bronzine nei motori ad alte prestazioni (2° parte)

Dopo aver illustrato la struttura della bronzina (qui la prima parte), mi soffermo in particolare su un evento critico che si presenta in questo tipo di accoppiamenti lubrificati quando si creano delle condizioni di lubrificazione non particolarmente idonee. Oppure le condizioni di funzionamento, le forze in azione e le velocità di rotazione sono molto elevate e non previste a priori per il dimensionamento delle bronzine. Questo evento oppure anomalia di funzionamento si chiama: cavitazione.

La criticità delle bronzine

In generale ed anche nella mia esperienza di progettista di motori da competizione con velocità medie di pistone elevate (superiori a 24 m/sec e fino a 27 m/sec), le bronzine maggiormente delicate e critiche nel loro funzionamento sono quelle del perno di manovella oppure chiamate più semplicemente bronzine di biella (montate nella testa di biella, in inglese big end bearings). Per garantire che le bronzine di biella siano costantemente lubrificate, in ogni condizione di funzionamento, avviamento, minimo RPM (giri motore) ed al massimo RPM, la pressione di mandata della pompa olio deve essere superiore alla sommatoria delle perdite di carico (intese come pressione) previste nel motore.

Forza centrifuga

Oltre a queste perdite bisogna tenere in considerazione che la forza centrifuga, agisce come una importante perdita di carico specialmente ad alti RPM e quindi ad elevate velocità medie di pistone. Infatti quanto l’alimentazione dell’olio alle bielle avviene attraverso il diametro del perno di banco, ci possiamo trovare in condizioni di pressione vicina a zero “0” oppure molto bassa al centro dell’albero motore come conseguenza di aver vinto la forza centrifuga che agisce sull’olio lungo il canale presente all’interno di tale perno dell’albero motore. Anche se a calcolo si valuta positiva la pressione in oggetto, bisogna sempre considerare effetti come la Ra del canale olio, la presenza di imperfezioni di lavorazione nella foratura, il disallineamento della bronzina di banco e del suo canale circonferenziale rispetto al foro nell’albero e tutte le condizioni termiche che possono portare a peggiorare i giochi di funzionamento che sicuramente aumentano alla temperatura di regime.

Fluido Netwoniano

L’olio inoltre, nelle simulazioni a calcolo, è considerato come fluido Newtoniano, non comprimibile, con struttura omogenea e con assenza di impurità dovute a residui metallici di usura, chiamati “debrits”. Inoltre i residui di combustione quali gas incombusti, presenza di percentuali di benzina incombusta ed eventuali residui a base di acqua, possono fare calare molto le caratteristiche di lubrificazione dell’olio. Anche la presenza di bolle di aria possono fare calare la densità dell’olio localmente negli accoppiamenti in oggetto, peggiorando le condizioni al contorno nel meato dell’olio che stimiamo a calcolo integro e regolare lungo la larghezza della bronzina.

La temperatura olio

Quando la temperatura all’interno della coppa olio o del serbatoio, da dove la pompa aspira, supera i 100°C, la bassa percentuale di acqua nell’olio, evapora liberando ossigeno che se, non viene separato con appropriati separatori di olio/aria come centrifugatori o simili strumenti meccanici, arriva alle bronzine riducendo la capacità portante del meato. Seguiranno quindi fasi di contatto tra metallo e overlay (terzo strato indicato precedentemente) con usura e laminazione metallica. L’aria può anche essere presente a seguito di mancati “pescaggi” quando le accelerazioni del veicolo fanno muovere la massa di olio nella coppa in modo disordinato e si scopre la zona di aspirazione della pompa.

Cavitazione

Come noto lo spessore del film di olio e quindi la distribuzione di pressione è generata anche dall’effetto di pompaggio dovuto alla rotazione eccentrica del perno di banco o manovella all’interno della bronzina. Quindi è immediato pensare che c’è una zona ad alta pressione ed una a bassa pressione.  Nella zona divergente, la pressione crolla in modo rapido e, se questo cambiamento è molto improvviso, provoca la solubilizzazione della benzina oppure dell’olio. La pressione nel meato supererà la pressione di saturazione e avremo il fenomeno chiamato: cavitazione.

Perchè avviene la cavitazione

Sono stati quindi presentati due fenomeni che portano alla cavitazione. Il primo legato ad aria o gas (residui di combustione) presenti nell’olio già in coppa o nel serbatoio di aspirazione. Questo tipo di cavitazione è meno problematica per le bronzine in quanto una parte dei gas presenti nell’olio vengono eliminati quando la pompa, comprimendo la miscela di olio, (chiamata così perché alla pompa non arriva solo olio a densità nominale) elimina una parte di miscela in eccesso nella valvola di ricircolo della pressione. Mediamente il ricircolo è del 20%- 30% rispetto alla portata in ingresso alla aspirazione.

Vaporizzazione

Il secondo legato ad un fenomeno di funzionamento ed in dettaglio è legato alla vaporizzazione. Essendo un fenomeno che fa cambiare lo stato fisico del fluido da liquido a gas e viceversa, è sicuramente più pericoloso e crea rilevanti danni meccanici, specialmente in un accoppiamento come quello del perno di manovella in cui le forze cambiano notevolmente legate ai carichi di combustione ed inerziali. Ad alti regimi di rotazione, come quelli dei motori da competizione, la frequenza alla quale questo cambiamento di fase accade è molto elevata e la durata così breve che la pressione nell’olio rapidamente cala e la benzina disciolta può evaporare rapidamente. Come la pressione cresce nuovamente, le bolle causate dalla evaporazione collasseranno e si ritorna alla fase iniziale. Questa ciclicità si traduce in fatica di usura della superficie delle bronzine.

La difficoltà della simulazione

Le anomalie sulle bronzine di biella sono uno dei argomenti più difficili da simulare nel loro funzionamento e anche da tradurre in azioni di progetto. Infatti spesso quando si ha una anomalia importante le bronzine usurate sono molto danneggiate e difficili da analizzare. Esistono comunque dei metodi di confronto che i costruttori di bronzine forniscono ai progettisti ed agli sperimentatori dei motori, al fine di tradurre in causa la visione di un effetto o di un danneggiamento su tali componenti.

La prima parte della lezione è pubblicata qui