I SEGRETI DELLO STANTUFFO
Il pistone è uno dei componenti più importanti del propulsore che, muovendosi, svolge diverse funzioni : aspirare e comprimere il fluido attivo (aria+combustibile), trasmettere la spinta dei gas alla biella, scaricare i residui gassosi della combustione. Dunque dev'essere dimensionato in modo da resistere alla pressione esercitata dai gas, mantenendo una certa costanza di tenuta durante il moto alternato che esso compie all' interno di un cilindro. La sua forma è ovviamente complessa e richiede uno studio attento e tanta tecnica in fase di progettazione. La parte superiore prende il nome di testa o di cielo ed è quella più stressata termicamente perché a diretto contatto con la combustione, a differenza della sua area inferiore, detta mantello, che però è assai sollecitata meccanicamente, dato che scorre alternativamente nel cilindro, ad elevate velocità e ricevendo spinte laterali considerevoli.
Solitamente sul cielo del pistone si sviluppano temperature di circa 300°C (350 nei diesel) ma non è una regola fissa, i motori sportivi o tecnicamente esasperati certamente superano questa quota ma questi non corrispondono ai carichi di solito ottenuti su strada e con motori di larga distribuzione. Il mantello è dunque in genere più freddo, con temperature difficilmente sopra i 250°C.
Le dimensioni delle varie parti del pistone vengono fissate, in via di prima approssimazione, in base al diametro della testa, quindi verificate e corrette in un secondo momento, seguendo dei criteri tecnici più selettivi e adoperando l' esperienza e la consapevolezza conquistate con la ricca storia motoristica dei nostri giorni.
Ad ogni modo, si parte da considerazioni di base per lo sviluppo della propria geometria ed, in genere, si hanno dei valori di massima strettamente relazionati alla misura dell' alesaggio.
In figura abbiamo schematicamente rappresentato un pistone. Vediamo una misura D, la quale corrisponde all' alesaggio, ed una serie di riferimenti che si determinano sulla base dell' alesaggio stesso.Nello specifico, la nostra attenzione ricade su "L" corrispondente all' altezza dello stantuffo, "h" riferita all' altezza di compressione (ossia quella parte che va dall' interasse dello spinotto fino all' estremità della testa) e "c" che riguarda l' altezza del cielo (estesa fino alla prima fascia elastica). Ora, a seconda del tipo di propulsore, ci troviamo difronte a delle sezioni predeterminabili di questa componente, ossia la cui dimensione può essere decisa preventivamente sulla base dell' alesaggio ed, in un secondo momento, rifinita all' occorrenza. Tali indici vanno ricavati in base pure al tipo di motore, dunque se avrò un diesel o un benzina oppure un benzina sportivo dovrò effettuare delle distinzioni in fase di calcolo, questo perché ogni propulsore ha le sue priorità ed ovviamente gli organi di manovella devono essere adeguatamente dimensionati per soddisfarle.
Pensiamo ad un diesel veloce, ovvero un motore a gasolio montato su di una qualsiasi autovettura (veloce perché gira ad un regime di rotazione importante per la tipologia, di fatto si distinguono diesel lenti che in genere non vanno oltre i 2500 giri e diesel veloci che superano di poco i 5000). Un diesel veloce, per quanto rapido possa essere, non è ovviamente un propulsore sportivo e non avrebbe senso costituirgli dei pistoni bassi e leggeri, molto meno affidabili ed inutili dato il regime comunque limitato. Si otterrebbero solo dei pezzi poco duraturi ed inadeguati per le pressioni di esercizio di un diesel. Contrariamente, sul benzina sportivo, dove non conta l' affidabilità ma si cercano le prestazioni assolute, sarà necessario uno stantuffo basso e leggero, così da ridurre al minimo le masse.
Un pistone meno pesante è ovviamente capace di muoversi più rapidamente e nel farlo genera pure meno attrito. Quindi, dovendo magari salire fino a 8500 giri, nei benzina sportivi, cerco di installarne di leggeri e di bassi.
Ricapitolando, i parametri L, h e c sono determinabili sulla base del tipo di motore (benzina, benzina sportivo, diesel veloce, diesel lento) e del suo alesaggio.
Ecco qualche esempio, adoperato da molti motoristi, riguardante questa logica di primo dimensionamento :
BENZINA :
L = 1.17 D (ossia grande 1,17 volte l' alesaggio)
h = 0.56 D (ossia 0,56 volte l' alesaggio)
c = 0.08 D (ossia 0,08 volte l' alesaggio)
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BENZINA SPORTIVO (NON ESASPERATO) :
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L = 0.94 D
h = 0.50 D
c = 0.09 D
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DIESEL VELOCE :
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L = 1.46 D
h = 0.82 D
c = 0.15 D
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Alcune scuole di pensiero prevedono anche una misura per "d" e per " e" sempre ricavate dall' alesaggio e proporzionate alla tipologia di macchina.
Ad esempio :
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BENZINA :
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d = 0.27 D
e = 0.43 D
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BENZINA SPORTIVO (NON ESASPERATO) :
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d = 0.26 D
e = 0.39 D
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DIESEL VELOCE :
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d = 0.38 D
e = 0.45 D
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Questi sono solo alcuni esempi di una filosofia più o meno generale, poi perfezionata dall' esperienza e dalla tecnica dell' ingegnere che progetta un pistone.
La lunghezza in senso assiale, onde evitare contatti, usura precoce e vibrazioni eccessive di funzionamento, deve essere tale da assicurare al pistone una guida regolare. In genere si consiglia un rapporto L/D (L= Lunghezza e D = Alesaggio) di :
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0,5 per motori spinti
1,5 per motori diesel veloci
1,7-2 per motori diesel lenti
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ed, in caso si debbano adottare lunghezze elevate, occorre controllare che la biella non incontri il mantello nella posizione di massima inclinazione (piuttosto che la maschetta dell' albero motore).
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