I regimi di moto nella lubrificazione – Le perdite per attrito all’interno di un motore influiscono notevolmente sul suo rendimento finale. Analizziamo qui di seguito le problematiche legate al moto relativo di alcuni componenti fondamentali
La riduzione dell’attrito è uno degli obiettivi primari delle tecniche di progettazione odierne. L’influenza della resistenza che nasce tra due organi di macchina in moto relativo è notevole e nel caso dei motori a combustione interna il problema assume importanza fondamentale.
Le perdite per attrito all’interno di un propulsore endotermico sono valutabili intorno al 7.5%. Questo valore può, a sua volta, essere suddiviso nel modo seguente: il 3% è attribuibile alle perdite per opera dei segmenti (fasce elastiche e raschiaolio) mentre al restante 4.5% contribuiscono elementi come il mantello del pistone, i cuscinetti di banco e il sistema di distribuzione. In letteratura è possibile reperire alcuni valori di riferimento; tra questi segnaliamo una suddivisione abbastanza generalizzata secondo la quale la totalità delle forze di attrito può essere così ripartita: 60% a carico del sistema stantuffo, 25% ad opera del complesso della distribuzione e 15% all’albero motore. Il contributo delle perdite dovute all’assieme pistone-fasce-spinotto è notevole; i fattori che caratterizzano il comportamento di questa zona del motore sono lo spessore radiale dell’anello di tenuta, il profilo della sua faccia esterna, le tolleranze di accoppiamento tra anello e cilindro, la temperatura del cilindro stesso, la lunghezza dell’anello e della sua sede, la geometria del pistone e l’accoppiamento tra canna e pistone in condizioni di esercizio. È bene tener presente che il moto del pistone, frutto del sistema cinematico biella-manovella, si somma alle vibrazioni della canna e a un moto di oscillazioni del pistone stesso. Gli effetti che ne scaturiscono possono, in alcuni casi, provocare seri danni alla meccanica; bruciatura e usura anomala delle canne e aumento del consumo d’olio sono solo alcuni esempi. Numerosi studi sono stati condotti a questo proposito e i risultati ottenuti permettono, ai progettisti di oggi, di definire il corretto valore dei giochi tra i diversi componenti. L’analisi di un sistema di lubrificazione richiede la conoscenza dei diversi regimi di moto che si instaurano all’interno delle coppie in movimento relativo. Una panoramica sui possibili regimi di lubrificazione è ben rappresentata dal diagramma di Stribeck, Tradizionalmente si fa riferimento ai seguenti regimi di lubrificazione: quello idrodinamico, l’elasto-idrodinamico, il misto e quello limite. L’esistenza dell’uno piuttosto che dell’altro dipende sostanzialmente dal rapporto esistente tra le deformazioni del meato (strato di lubrificante) e quelle degli organi interessati. Avremo allora un regime idrodinamico quando la deformazione degli elementi interessati è trascurabile rispetto a quella del film lubrificante; la situazione è diversa invece nel caso del regime elasto-idrodinamico in cui invece l’ordine di grandezze delle deformazioni è simile.
Nel caso, poi, di lubrificazione limite lo stato del sistema è tale per cui lo strato di lubrificante non è in grado di operare alcun sostentamento e il coefficiente di attrito è molto elevato (proporzionale al carico applicato ed in certe situazione anche alla velocità e alla temperatura).
Il coefficiente di attrito all’interno di un motore può variare fortemente e si possono osservare valori compresi tra 0.001 per i componenti che svolgono il loro compito in regime di lubrificazione limite a 0.15 per quelli che funzionano in condizioni di lubrificazione idrodinamica. E a questo proposito è necessario tener presente che i regimi di lubrificazione sono molto diversi a seconda dei sottosistemi del motore che prendiamo in considerazione. Nel complesso della distribuzione, ad esempio, troviamo il regime idrodinamico per i cuscinetti degli alberi a camme ma anche quello limite nel caso di contatto camma piattello o camma bilanciere. Funzionano invece in regime elasto-idrodinamico i cuscinetti di biella e di banco, il mantello del pistone e gli anelli.
