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Heart rate
Il mondo dei pistoni
di Roberto Maurelli
 Chissà quanti di noi, passeggiando per
l’aeroporto oppure per le vie del centro, non si sono fermati ad
osservare quei magnifici pistoni venduti al Ferrari shop. Così semplici,
così piccoli (ma non nel prezzo!) eppure così potenti, capaci
addirittura di effettuare fino a 300 corse al secondo!
Bene, in questo articolo parleremo proprio
di questi componenti, frutto di una tecnologia molto più sofisticata di
quanto si creda normalmente, in particolare quando sono destinati a
motori ad alte prestazioni.
Dal punto di vista meccanico, il pistone non
è altro che uno stantuffo che, attraverso il suo movimento rettilineo
alternato, consente di aspirare i gas freschi e di espellere quelli già
combusti.
A freddo, la struttura dei pistoni si
presenta molto lontana da quella ottimale con una forma troncoconica
voluta per consentire il miglior risultato quando si raggiungono le
effettive temperature di esercizio. Al crescere della temperatura,
infatti, la parete superiore del pistone, definita “cielo”, tende a
dilatarsi maggiormente della parte inferiore per via della sua vicinanza
alla camera di combustione (rispetto alla quale si pone come una sorta
di parete mobile); questo fa sì che, una volta raggiunte le temperature
ottimali, il dimensionamento del pistone sia perfettamente
proporzionato, tanto nella parte inferiore quanto in quella superiore.
Per misurarsi al meglio con questi problemi, al giorno d’oggi, i pistoni
sono disegnati esclusivamente per mezzo di software informatici, che
consentono di valutare con maggiore precisione anche le differenze nel
comportamento dei materiali alle diverse temperature.
Il disegno dei pistoni ha subito una
progressiva evoluzione negli ultimi anni che ha portato alla riduzione
delle dimensioni della superficie laterale di contatto con la canna del
cilindro. Questa parte, che in gergo si chiama “mantello”, ormai si è
ridotta a due semplici pattini di appoggio, ossia il minimo
indispensabile per garantire lo scorrimento lungo la canna. Per quanto
poi riguarda la forma del cielo, la scelta condivisa di adottare valvole
praticamente verticali, consente di adottare pistoni con cielo quasi
piano.
I motori diesel fanno eccezione a quanto
appena detto. In essi la camera di combustione è ricavata direttamente
nel cielo del pistone, che presenta una specie di “buco” al centro.
Il lavoro gravoso che i pistoni devono
svolgere nell’arco della loro vita è alla base delle scelte sui
materiali da adottare e sulle forme da creare. Basta riflettere sul
fatto che un semplice motore a ciclo Otto non sovralimentato può
trasmettere al pistone forze superiori alle quattro tonnellate e che le
temperature del cielo possono oltrepassare i 2400°C, per comprendere che
sono necessarie lavorazioni molto accurate e sofisticate.
Nei motori per auto e moto il materiale più
utilizzato per la costruzione dei pistoni è l’alluminio, con differenti
percentuali a seconda delle caratteristiche che si desidera ottenere.
Sulle superfici di lavoro, poi, sono
presenti sottili strati di altri materiali, che forniscono una
protezione aggiuntiva nel corso del rodaggio e in caso di lubrificazione
critica.
Per realizzare questi obiettivi diventa
ovviamente fondamentale la scelta della tecnica di lavorazione, che può
essenzialmente essere distinta tra la colata in conchiglia e la
forgiatura.
Nel primo caso, uno stampo metallico (la
conchiglia appunto) viene utilizzato come recipiente in cui versare il
metallo fuso. Per via dello scambio termico con le pareti della
conchiglia, dotata a tal fine di alcune canalizzazioni di
raffreddamento, la solidificazione inizia in genere ancor prima che la
lega liquida abbia riempito tutto lo stampo. Per questa ragione è
opportuno controllare accuratamente che l’aria non rimanga intrappolata
in punti dello stampo.
I pistoni destinati alle competizioni
vengono invece realizzati mediante forgiatura. In questo caso si parte
da una barra riscaldata in forno che viene posta sotto una o più presse
che daranno la forma definitiva al metallo. Questo procedimento esalta
le caratteristiche meccaniche dei materiali e permette di creare pistoni
più leggeri a parità di resistenza.
Una soluzione intermedia è quella dello
“squeeze casting”, che prevede di incorporare nel metallo delle fibre
corte di materiale ceramico che migliorano le proprietà del metallo
rispetto alla semplice colata in conchiglia.
Forse queste poche
nozioni vi torneranno utili, ma ciò che è certo è che ora tollererete
più facilmente il prezzo astronomico fissato per l’acquisto di quegli
splendidi pistoni Ferrari…
Roberto Maurelli |
