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Cilindro e stantuffo

Da Programmazione Software.

Cilindro: generalità

Il cilindro è uno degli organi principali del motore, diremo anzi la parte fondamentale di esso; esso ha infatti la funzione di camera di espansione dei gas e di guida per l'organo mobile che riceve l'energia dei gas medesimi: lo stantuffo o pistone. Nei vecchi motori, e ancora oggi nei motori pesanti per impieghi navali o nei motori con raffreddamento ad aria, i cilindri venivano costruiti separati uno dall'altro; attualmente, invece, nei motori per applicazioni automobilistiche, tutti i cilindri, disposti in un piano, sono generalmente fusi in un sol getto che viene chiamato monoblocco o gruppo cilindri, ottenendo così una costruzione più compatta con requisiti di resistenza superiori, più semplice e meno costosa. Normalmente i monoblocchi possono essere costruiti in due diverse soluzioni: con "canne integrali", cioè con i cilindri veri e propri formanti parte della fusione del monoblocco, oppure con "canne riportate". Il blocco cilindri con canne integrali è il più usato nei motori normali da trazione specie quando questi sono di piccla cilindrata.


Blocco cilindri canne integrali


Blocco cilindri canne integrali

Si hanno in tal caso delle camicie di acqua che contornano il cilindro stesso e che ne assicurano il raffreddamento. Con la tendenza però attuale di alleggerire il più possibile il motore, renderne la manutenzione più economica e garantire il massimo della durata, la tecnica motoristica moderna sta dirigendosi verso il monoblocco con canne riportate. monoblocco canne riportate


Monoblocco canne riportate
Monoblocco canne riportate


Tale sistema permette infatti di costruire un monoblocco in lega leggera di più facile e meno costosa fusione e di peso nettamente inferiore a quello in ghisa, e di riportare le canne dei cilindri in ghisa centrifugata speciale o in acciaio nitrurato. La camicia riportata può essere del tipo asciutto o bagnato: la denominazione di camicia asciutta e camicia bagnata deriva dal fatto che nel primo caso la superficie esterna della camicia è in contatto per tutta la sua estensione con il materiale di cui è formato il monoblocco ed il raffreddamento della medesima avviene attraverso l'interposto spessore di materiale che la circonda, mentre nel secondo è direttamente bagnata dall'acqua di raffreddamento. La tenuta dell'acqua nel caso di camicie bagnate è ottenuta nella parte superiore mediante un preciso aggiustaggio della camicia nella sede ricavata nel monoblocco e inferiormente mediante uno o più anelli in gomma che vengono pressati tra camicia e monoblocco. Il sistema delle canne riportate, consente di poter scegliere per le canne un materiale diverso da quello del monoblocco indipendentemente dalle caratteristiche necessarie per questo (facilità di fusione, leggerezza, lavorabilità); per le canne si impiega invece materiale a grande durezza superficiale e resistente all'usura, e si ottiene anche una facile intercambiabilità (specie per la costruzione a canne del tipo bagnato) e un facile ricondizionamento del motore proprio là dove più facile è la usura e dove la ripassatura deve essere contenuta entro limiti notevolmente ristretti. In tale senso, come già ormai è di uso comune nei motori Diesel da trazione veloci, è da attendersi che i nuovi tipi di macchine porteranno alla soluzione del monoblocco con camicie riportate. Unico difetto di tale soluzione è che, per necessità di ingombri, il motore risulta più lungo che non nel tipo con canne integrali. Il gruppo cilindri può presentare i seguneti difetti:

  1. incrinature interne ed esterne;
  2. usura delle canne (rigatura, ovalizzazioni, conicità);
  3. superfici di accoppiamento della coppa, delle flangie di attacco dei collettori di aspirazione e scarico non perfettamente piane;
  4. sedi valvole corrose, incassate;
  5. guida valvole ovalizzate, rigate;


1) Incrinature interne ed esterne. Sono dovute:

  • ad eccessi di riscaldamento per cattivo funzionamento dell'apparato di raffreddamento;
  • a congelamento dell'acqua nell'interno delle camere di circolazione;
  • ad improvvise variazioni di temperatura dovute a notevoli aggiunte di acqua fredda a motore fermo surriscaldato o all'aver esposto il motore caldo a gelide correnti (montagna, inverno);

Le incrinature sono denunciate da fughe più o meno abbondanti di acqua. Sono soprattutto evidenti a motore caldo per effetto della dilatazione. Le fughe di acqua posono essere localizzate:

  • sulla canna o nei condotti di aspirazione; si nota una facilità alla messa a massa della candela. A testa smontata si possono trovare depositi calcarei bianchi nell'interno della camera di scoppio, sul cielo del pistone e sul fungo delle valvole;
  • nel carter, nella camera delle punterie se si tratta di valvole laterali; in tal caso si notano tracce di acqua nell'olio; alcune volte questo fatto si può riscontrare esaminando l'astina di livello dell'olio.

Per determinare con esattezza la posizione e l'entità della perdita, si fà la prova di tenuta pompando acqua, possibilmente calda, nell'intercapedine della camera di circolazione, fino a raggiungere la pressione di 4 atmosfere, avendo cura di otturare tutte le aperture con piastre imbullonate, tappi, ecc. e di far uscire l'aria. La presenza di gocce permette di individuare l'incrinatura. Se il motore ha la testa riportata si può eseguire, la prova di tenuta usando la stessa come coperchio di chiusura e montando una guarnizione di materiale abbastanza soffice, cuoio, gomma od amiantite. Qualora non si disponga di una pompa a pressione per acqua si può procedere, con inevitabile minor garanzia, immettendo dell'aria sotto pressione ed immergendo il tutto in vasca d'acqua (come per i radiatori, camere d'aria) e verificare le eventuali fughe.


Il tipo ed il metodo di riparazione varia a seconda dell'entità, dell'ubicazione della incrinatura e delle attrezzature a disposizione. Si può operare con cuciture, saldatura ossiacetilenica, saldatura elettrica, applicazioni di piastre, ecc. La cucitura è il metodo più semplice, se non il più rapido, e non richiede attrezzature particolari.

Si può eseguire su superfici piane, di spessore sufficiente (5 mm minimo), ed accessibili. Delimitata l'incrinatura si fà un foro alle due estremità, ad esempio di 3 mm (per poi filettarle da 4 MA); si filetta uno di questi fori e visi avvita un tondino di rame preventivamente filettato; lo si taglia lasciandolo sporgere circa 1 mm. Si pratica un foro come il precedente sovrapposto al primo per una lunghezza pari al suo raggio. Si filetta, si avvita un altro tondino di rame e così via fino a raggiungere l'ultimo foro. Si ribatte per ultimo la parte sporgente dei tondini. Se l'incrinatura è ramificata ed interessa una zona ampia, è consigliabile l'applicazione di una piastra imbullonata con interposizione di guarnizione di amiantite.

Riparazione canna


La brasatura è un metodo più pratico e definitivo. Si fa una saldatura con materiale di apporto costituito da leghe di ottone (Tobrui, Tenax, Sioline) che hanno un punto di fusione agli 800°-850° C il che permette di saldare senza dover preriscaldare il pezzo in modo particolare. Data la bassa termperatura non si richiedono speciali accorgimenti nel raffreddamento della parte saldata ed è utile soprattutto per la riparazione di incrinature di piccola entità. La riparazione definitiva è quella effettuata con la vera e propria saldatura ossiacetilenica o con quella elettrica che va poco per vola soppiantandola. Quest'ultima richiede abilità particolare data la facilità di formazione di zone fragili; ha il grande vantaggio di non richiedere preriscaldamento nè particolari accorgimenti per il raffreddamento. Per la saldatura ossiacetilenica, le parti da saldare devono essere preventivamente preparate con smussi a 90°. Si riscalda l'intero gruppo cilindri in un forno fino a portarlo ad una temeperatura di circa 300°C. Quale materiale di apporto si usa ghisa siliciosa per evitare soffiature. Il raffreddamento deve avvenire molto lentamente per evitare contrazioni non uniformi e conseguenti nuove incrinature. Non è conveniente limare la saldatura in quanto si toglie ad essa robustezza. E' indispensabile, ad operazione ultimata, controllare le canne in quanto possono essersi determinate delle deformazioni ed in tal caso occorre rettificare ed adattare nuovi pistoni. Le incrinature interne possono essere riparate se accessibili.

2) Usura delle canne; Può essere dovuta alle seguenti cause:

  1. i fermi dello spinotto si sono rotti o rallentati e questo è uscito ed è giunto a toccare la canna, rigandola;
  2. presenza nel cilindro di corpi estranei (impurità aspirate dal carburatore, frammenti di segmenti, valvole, pistoni, ecc.);
  3. grippaggio di pistoni.

A) questa prima causa può variamente presentarsi a seconda del modo di fissaggio dello spinotto. Gli spinotti sono trattenuti nelle loro sedi:

  1. da una vite di fermo sistemata nell'occhio del piede di biella. Se questo si allenta, lo spinotto è libero di scorrere e raggiungere la canne e di causarne la rigatura;
  2. da anelli elastici alloggiati in una cava del pistone. Se uno di essi non è stato montato bene oppure si è rotto od è uscito comunque dalla sua sede, viene per primo a contatto con la canna.
  3. pasticche di materiale tenero (bronzo, metallo bianco), che cadendo dalla loro sede, vengono a contatto con la canna

B) corpi estranei possono trovarsi nel cilindro per vari motivi: Le fasce elastiche si possono rompere per difetto di materiale, perchè eccessivamente usurate, perchè la loro cava è troppo larga e quindi il loro segmento riceve un continuo martellamento. Il fungo della valvola, per difetto di materiale, per cattiva carburazione, può corrodersi, cristallizzarsi e scheggiarsi. I pistoni per eccesso di giochi, per incrudimento del materiale per regimi di rotazione eccessivi, per differenze brusche di temeperature, ecc. possono incrinarsi e perdere dei pezzi. Se durante la marcia in zone molto polverose e fangose l'aspirazione dell'aria non è protetta da filtri, può venire incamerato del pulviscolo grosso o del fango. E' anche avvenuto che durante l'aspirazione siano stati succhiati gli stessi elementi della massa filtrante (tubetti, ecc.).

C) Il grippaggio dei pistoni può essere causato da:

  1. errori di montaggio per quanto riguarda giochi, quadrature di bielle;
  2. difetti di lubrificazione;
  3. eccesso di riscaldamento per cattiva carburazione, rapporti di compressione elevati;
  4. mancanza di rodaggio a medio regime.

Si può verificare normalmente in motori appena revisionati e si manifesta con la tendena a fare rallentare il regime, a fermarsi rapidamente non appena si tolga l'accensione e, comunque, provoca una diminuzione di potenza, eccesso di riscaldamento, scarsa sensibilità dell'acceleratore, ecc. La forma geometrica dell'interno delle canne è quella cilindrica. A seguito di usura esse possono però presentare conicità od ovalizzazione. La conicità è da considerarsi un'usura anormale in qunato dovuta a cattivo montaggio, mancanza di quadratura delle bielle, (cioè l'asse del pistone non è perpendicolare all'asse dello spinotto) o eccesso di gioco nei mozzetti del pistone. Ovalizzazione: è da considerarsi una usura normale per lungo funzionamento; essa è dovuta al logorio delle canne per effetto della pressione esercitata dal pistone contro le pareti del cilindro. Tale pressione che evidentemente è più forte nella fase di scoppio espansione, è funzione:

  • della spinta che i gas, durante lo scoppio, esercitano sulla testa del piston e per questo dovrebbe essere massima all'atto dello scoppio, quando il pistone è al punto morto superiore;
  • dell'inclinazione della biella rispetto all'asse del cilindro e per questo sarebbe massima con pistone a metà corsa;
  • della lunghezza della biella.

Esiste quindi una posizione per ogni tipo di motore, compresa tra il punto morto superiore e la metà della corsa, in cui la pressione che il mantello del pistone esercita sulla canna è massima. Corrispondentemente esiste un massimo di usura. Normalmente questa posizione è a pochi millimetri dopo il PMS e dal lato opposto al senso di rotazione. La misura dell'entità della conicità e dell'ovalizzazione si effettua mediante un comparatore centesimale come segue: noto l'alesaggio normale della canna, mediante anello campione di tale diametro (figura), si mette a zero il comparatore per interni. In mancanza dell'anello si può usare un micrometro (figura). Si introduce il comparatore all'interno della canna in esame avendo cura di farlo scorrere in un piano verticale che contiene l'asse dello spinotto, indi in un piano sempre verticale, ma normale all'asse dello spinotto, fermandosi a varie altezze ed imprimendogli contemporaneamente un lieve movimento oscillatorio nel piano sopra citato, per determinare la vera minima misura.


Comparatore per interni
Micrometro


Si leggono le misure date dalla lancetta:


Lettura comparatore


Le letture effettuate a varie altezze su generatrici che contengono il piano diametrale normale all'asse dello spinotto misurano l'ovalizzazione, sempre riferendosi all'alesaggio normale.


Misura ovalizzazione


Rialesatura e smerigliatura

Per ridare alla canna la forma cilindrica e la superficie speculare, si fa la rialesatura a mezzo di macchine utensili. Quando le deformazioni non superano 0,1 mm, ivi comprese le rigature, si impiegano gli smerigliatori, e l'operazione in tal caso dicesi smerigliatura. Sia la rialesatura che la smerigliatura richiedono un'altra operazione finale: la lucidatura che alcuni non ritengono, per ragioni di economia, strettamente necesaria. L'assestamento , come per le fasce elastiche, avviene durante il primo periodo di funzionamento, ma ciò richiede molta attenzione da parte del guidatore. Si ricordi che la maggiorazione di alesaggio deve essere perfettamente uguale per tutti i cilindri onde evitare squilibri nei rapporti di compressione. Esiste una scala di maggiorazione approvata dalla commissione per l'unificazione dell'automobile CUNA; per alesaggio:


fino a 100 mm: 0,2 - 0,4 - 0,6 - 0,8 - 1,0
oltre 100 mm: 0,4 - 0,6 - 0,8 - 1,0


Se per riportare le canne a forma cilindrica, o per eliminare rigature si fosse costretti ad alesare oltre 1 mm, è preferibile sostituire le canne se sono intercambiabili; in caso contrario, è bene, se possibile, accertarsi dello spessore delle pareti ed effettuare una prova di tenuta con acqua calda a forte pressione fino a 6-8 atmosfere. Se lo spessore è minimo è troppo facile la deformazione e possono anche prodursi incrinature per effetto della pressione e temperatura di scoppio. Inoltre un'ulteriore alesatura provoca un'ulteriore aumento di cilindrata e conseguentemente rapporto di compressione, tali da modificare tutto il comportamento del motore. A motore nuovo Fiat, la tolleranza di lavorazione delle canne è da 0,00 a 0,03 mm, rispetto al diametro nominale. Affinchè il gioco di montaggio tra canna e pistone sia compreso nei limiti prescritti e risulti uguale quindi per tutti i cilindri, le canne vengono contrassegnate con le lettere A, B, C, corrispondenti ai seguenti diametri:


A = diametro nominale + 0,00 - 0,01
B = diametro nominale + 0,01 - 0,02
C = diametro nominale + 0,02 - 0,03


Anche i pistoni sono ugualmente contrassegnati; i contrassegni hanno il medesimo valore. Misurata la deformazione e valutato che il gruppo cilindri rientra, dopo l'alesatura, nei massimi di maggiorazione, si procede alla rettifica. L'asportazione di materiale dev'essere la minima possibile soprattutto per permettere il maggior numero di ulteriori alesature.


Macchine utensili per rialesature

Le macchine utensili per le rialesature dei gruppi cilindri sono dei seguenti tipi fondamentali:

  1. rettificatrici planetarie;
  2. alesatrici verticali;
  3. alesatrici portatili;

a) Rettificatrici planetarie: sono ormai superate perchè troppo costose e il lavoro è lento. Sono costituite da un bancale, sul quale si fissa il blocco cilindri e da una testa che imprime alla mola cilindrica tre movimenti: uno rapidissimo di rotazione intorno al proprio asse, uno di rivoluzione intorno all'asse della canna da rettificare ad una velocità massima di 150 giri al minuto, ed uno di traslazione lungo l'asse (vedi figura).


Rettificatrice planetaria


b) Alesatrice verticale: l'utensile è costituito da lame espansibili in acciaio speciale ed è animato da due movimenti: uno di rotazione intorno al proprio asse ed uno di traslazione lungo l'asse stesso.

c) Alesatrice portatile: è una macchina cha ha il medesimo funzionamento della precedente salvo che è di dimensioni ridotte e tali da permettere di eseguire l'operazione a cilindro montato su telaio (vedi figura).


Alesatrice portatile


Per l'operazione finale di smerigliatura e lucidatura si usano gli smerigliatori a lame di carborundum espansibili (vedi figura).


Smerigliatore a lame


Smerigliatore a lame Non si pensi di rialesare delle canne solamente con degli smerigliatori, in tal caso non si avrebbe la garanzia del parallelismo dlele canne. Durante l'operaione di smerigliatura è necessario controllare più volte il diametro alle varie altezze con il comparimetro. Qualora per eseguire la rialesatura si superasse il limite di maggiorazione, è consigliabile incamiciare le canne per ritornare al diametro normale, ammesso che le dimensioni del gruppo cilindri lo permettano. Le camicie possono essere introdotte nelle canne dei cilindri con o senza forzamento. Nel primo caso l'operazione viene eseguita con una preza e tale pressatura assicura il bloccaggio della canna; nel secondo, a mano o con mazzola di legno, è una battuta ricavata sulla parte superiore della canna che impedisce ad essa di muoversi quando venga montata la testa.


Stantuffo: generalità

Pistone


Lo stantuffo o pistone è l'organo destinato a ricevere l'impulso motore della fase di scoppio-espansione ed a trasmetterlo all'albero motore mediante il sistema biella manovella, ad esso collegato, che provvede a trasformare il moto alternativo del pistone in moto rotativo. Il pistone quindi, oltre ad assicurare una perfetta tenuta con la parete del cilindro, deve resistere alle alte temperature della camera di scoppio e all'usura dovuta all'attrito lungo tutta la superficie del cilindro. Il pistone è composto dalla testa che è quella direttamente sottoposta all'azione dei gas, dal mantello che serve da guida nello scorrimento lungo il cilindro e che porta un certo numero di scanalature per l'alloggiamento delle fasce elastiche e dai mozzetti in cui alloggia lo spinotto, cioè il perno di articolazione del piede di biella (vedi figura). Allo scopo di diminuire il più possibile le forze d'inerzia delle masse a moto all'interno si tende a rendere i pistoni sempre più leggeri. Abbandonati quindi totalmente i pistoni in ghisa o acciaio, oggi si costruiscono, per motori a scoppio da trazione, solo pistoni in lega di alluminio. Il pistone di alluminio presenta anche il vantaggio di limitare la formazione di incrostazioni carboniose; inoltre l'elevata conducibilità termica dell'alluminio fa si che la temperatura del pistone si mantenga relativamente basse. Per contro l'uso di leghe d'alluminio, dato il più alto coefficiente di dilatazione termica rispetto alla ghisa o all'acciaio (2,5 volte), potrebbe dar luogo ad inconvenienti di funzionamento. Infatti, se si lascia a freddo un gioco grande per compensare la dilatazione che si verifica con il raggiungimento del regime termico durante il funzionamento, si ha una marcia rumorosa, specie all'avviamento, per lo scampanamento del pistone, mentre se si tiene un gioco stretto si incorre nel rischio di far grippare il pistone. L'inconveniente è stato ridotto in misura tollerabile praticando un taglio tra la parte superiore del pistone e la parte inferiore o mantello, e praticando in quest'ultimo un taglio trasversale in modo da consentirgli la possibilità di restringersi sensibilmente compensando così la dilatazione (vedi figura).


Pistone con taglio trasversale


Alla parte superiore del pistone si dà invece un diametro minore del cilindro in quanto sono maggiori le dilatazioni mentre la tenuta è assicuratea dalle fasce in essa sistemate. Parimenti si lacia un gioco maggiore tra pistone e cilindro in corrispondenza dei mozzetti, cioè in quella parte dove, per necessità di resistenza e di costruzione, è lo spessore del mantello e non è possibile praticare il taglio trasversale del quale si è precedentemente parlato eche serve a compensare la dilatazione. Il pistone in definitiva risulta ovale con il diametro maggiore nel piano normale all'asse dei mozzetti e tronco-conico con il cerchio minore in corrispondenza della testa, poichè appunto in tale posizione, maggiore è la temperatura e quindi la dilatazione. Il pistone in definitiva risulta ovale con il diametro maggiore nel piano normale all'asse dei mozzetti e tronco-conico con il cerchio minore in corripondenza della testa, poichè appunto in tale posizione, maggiore è la temeperatura e quindi la dilatazione. Nella figura seguente tali deformazioni, per così dire, del pistone sono riportate esagerate per far meglio comprendere le posizioni delle medesime.


Dilatazione del pistone


Sempre allo scopo di compensare le dilatazioni ed evitare il fenomeno del grippaggio spesso nei motori a scoppi da trazione si usano pistoni bimetallici: il metallo in tal caso è diviso in due metà e unito ai mozzetti per lo spinotto, portati dalla testa, mediante piastrine di speciale acciaio al nichel, chiamato Invar, avente basso coefficiente di dilatazione.


Pistone bimetallico


Diversi come si è visto sono gli espedienti usati per compensare al massimo le differenti dilatazioni del pistone da punto a punto a secondo della temperatura. Certamente un pistone ben calcolato nei passaggi di sezione, in modo tale da distribuire nel modo più uniforme la trasmissione del calore è quello che dà le maggiori garanzie. A tale scopo nella parte interna del pistone sono ricavate delle nervature che, oltre al compito di assicurare la resistenza del medesimo alle sollecitazioni meccaniche, garantiscono una buona distribuzione del calore e aumentando la superficie radiante, ne favoriscono il raffreddamento. La testa del pistone può essere a superficie piana, convessa o concava. Può anche avere una forma speciale per guidare il fluido o per provocare turbolenza.

La testa piana è la più usata per la semplicità di lavorazione e perchè presentando la minima superficie all'azione dei gas combusti si riscalda di meno.


Pistone con testa piana


La testa convessa consente di aumentare la compressione, però si riscalda maggiormente. La testa concava o semisferica dà una turbolenza alla miscela per favorirne la combustione.


Pistone con testa convessa
Pistone con testa concava


I pistoni possono presentare i seguenti difetti:

  1. incrostazioni carboniose sulla testa;
  2. superfici del mantello rigate, logorate e con tracce di ingranamento;
  3. cave degli anelli elastici logorate;
  4. mozzetti per gli spinotti ovalizzati;
  5. rotture o incrinature;
  6. peso diverso dal normale;


Le incrostazioni hanno la medesima origine di quelle che si depositano sulla testa e provocano anch'esse riscaldamento, battiti in testa, autoaccensioni. Si tolgono con raschietti appositi, che non righino il materiale tenere e strofinandole con pezze imbevute di alcool. Se sono di notevole entità si manifestano con perdita di compressione e rendimento scarso del motore ed in tal caso nessuna riparazione è possibile. Se sono superficiali basta lisciare con tela smeriglio sottilissima. Il pistone logoro per funzionamento si rivela con un battito caratteristico che esiste anche a motore caldo ed è dovuto all'eccesso di gioco formatosi fra pistone e canna. Se anche i segmenti sono logori, la mancanza di tenuta è completa, il passaggio del'olio molto facile, quindi scarso rendimento, forte consumo di olio, le candele si imbrattano facilmente, il motore fuma azzurro. Il logorio del pistone causa il continuo martellare dei segmenti nelle cave e, se le canne sono ovalizzate, anche il continuo scorrimento degli stessi segmenti che devono adeguarsi a diametri diversi. In definitiva le cave si allargano e non si riesce a mantenere la tenuta. Nessuna riparazione è in tal caso attuabile. Causa il lungo funzionamento, i fori dei mozzetti si ovalizzano in quanto sono sollecitati da una forza che opera verticalmente. Si può procedere ad una ripassatura del foto con alesatore espansibile e montare uno spinotto maggiorato. A sostituzione avvenuta occorre ricontrollare la quadratura. Le incrinature attorno ai mozzetti sono per lo più imputabili a difettoso montaggio dello spinotto troppo forzato o a difetti di materiali. Le rotture o incrinature, qualunque sia la ragione, sono difetti irrimediabili. Quando per l'usura delle canne e per la conseguente rialesatura delle stesse si rende necessario il ricambio dei pistoni occorre tener presente il "grado di maggiorazione" ossia l'eccesso della dimensione diametrale della superficie esterna dello stantuffo rispetto a quella normale. I diversi gradi di maggiorazione adottati nella costruzione degli stantuffi di ricambio, costituiscono la scala di maggiorazioni degli stantuffi la quale varia da tipo a tipo di motore. Per motori di piccola e media cilindrata la scala è compresa tra 1/10 - 2/10 - 4/10 - 6/10 di millimetro. Per motori di grande cilindrata invece la scala è: 4/10 - 6/10 - 8/10 - 10/10 di millimetro. Eseguita un'operazione di rettifica e lucidatura si controllano le musire e si contrassegnano i valori delle letture, ciò agli effetti dell'accoppiamento coi pistoni onde ottenere i giochi esatti di montaggio. Esistono, come si è detto, dei giochi da rispettare nella fase di montaggio del pistone nella canna, e dei segmenti nel pistone. Si è detto pure che il pistone è troppo conico ed è a sezione non circolare per la parte bassa; si possono quindi leggere varie misure: A1-A2-A3-A4


Parametri del pistone


Per il controllo deve essere preso come base il diametro maggiore che è A3. Sull'entità del gioco non si possono dare dati generali perchè essa è in funzione del coefficiente di dilatazione, della conducibilità termica dei metalli a contatto, delle caratteristiche di lubrificazione, di raffreddamento, ecc.; dipende dal disegno ed esecuzione del pistone. A titolo di orientamento il gioco deve essere maggiore per i motori raffreddati ad aria in qunato le temperature di esercizio sono notevoli: può variare, per raffreddamento ad acqua da 0,04-0,09 mm; per raffreddamento ad aria 0,15 e più. Una misurazione pratica si può effettuare con spessimetro.


Spessimetro


Montate le fasce elastiche si tratta ora di montare il pistone completo con biella nella canna. Se il pistone viene introdotto dall'alto, per una rapida e sicura introduzione delle fasce elastiche si opera con una fascetta di lamierino. Questo contrasta con la superficie superiore del cilindro man mano che il pistone si abbassa ed entra nella canna; il lamierino rimanendo fermo lascia le fasce libere di espandersi solo qunado esse si trovano già nelle canne. Sei il pistone viene introdotto dal basso lo smusso di invito esistente su ogni canna permette un rapido montaggio senza altro accorgimento. Sia le bielle che i pistoni e gli spinotti vanno pesati e comparati per evitare vibrazioni che si verificherebbero in caso di differenza di peso.


Segmenti

I segmenti (o "fasce") sono anelli elastici aperti, creati per la tenuta della compressione; impediscono cioè che i fas compressi nel cilindro e nella camera di scoppio abbiano a sfuggire tra pistone e canna e passare nella coppa. Il materiale costitutivo è la ghisa grigia (grana fine). Mentre prima venivano ricavati al tornio da un cilindro cavo di diametro leggermente superiore a quello del cilindro cui erano destinati, attualmente vengono ricavati per fusione. Esistono vari tipo:

  • Anelli di tenuta;
  • Anelli di tenuta e raschiaolio a scalino;
  • Anelli raschiaolio a feritoia;
  • Anelli di tenuta (fig. 53);

I segmenti di tenuta (o di compressione) sono posti nella parte superiore della testa del pistone, sono in numero di 2 a 3 ed hanno una sezione rettangolare.


Anelli di tenuta


Dalla denominazione stessa si deduce che il loro esclusivo compito è quello di tenere la compressione. Sono vere e proprio guarnizioni metalliche che mantengono la tenuta in quanto sfruttano il principio dei labirinti, il che consiste nel far compiere ai gas che riescono a passare un percorso lungo e vizioso in modo che la pressione vada calando sensibilmente e quindi si arrivi ad un equilibrio. Elemento indispensabile per il funzionamento di tale dispositivo è l'olio il quale riempendo i vari giochi esistenti fra il segmento e la sua sede ostacola ed impedisce il passagio del gas. Per permettere il loro montaggio sul pistone e per conferire ad essi una certa elasticità che consente loro di aderire perfettamente alle pareti del cilindor, gli anelli sono aperti. Infatti chiusi non potrebbero essere montati nelle loro sedi ed inoltre sarebbe impossibile trovare un gioco tra segmenti e canna che rimanga tale alle inevitabili differenti dilatazioni per differenze di temperatura e materiale. Inoltre appena si iniziasse l'assestamento e incominciasse a manifestarsi l'usura inevitabile, il gioco aumenterebbe a tal punto da rendere inutile la presenza dell'anello. Però attraverso il taglio praticato negli anelli, i gas, che con tanta cura si cerca di non far passare tra pistone e cilindro, possono liberamente passare. Per diminuire, se non impedire, tale perdita si opera in modo che la larghezza del taglio sia minima indispensabile a permettere una certa elasticità al segmento stesso, necessaria a compensare le differenti dilatazioni massime del segmento e della canna. E' evidente, che non si può dare un valore per tutti i motori. Si deve tener conto: a) dell'alesaggio: è evidente che se questo è grande, più ampio deve essere il taglio; b) dle tipo di motore: alto numero di giri, alto rapporto di compressione e conseguente elevata temperatura di funzionamento.


Montaggio segmenti


A titolo informativo esso può variare tra 0,1-0,3 mm; la presenza dell'olio con il suo velo può diminuire molto le perdite dovute al taglio. E' indispensabile, per ridurre al minimo tali perdite, montare i vari segmenti come nella figura 54a e non come nella figura 54b. Nei motori a due tempi ove le temperature sono elevate e quindi il taglio è più largo si mettono dei perni ai segmenti in modo che durante il funzionamento non abbiano a spostarsi, e ciò per impedire: 1° che tale apertura venga ad affacciarsi ad una delle luci praticate nel cilindro (con inevitabile fuoriuscita e rottura del segmento), bloccaggio (con rottura) del pistone e rigatura della canna; 2° che i tagli allineandosi creino una facile strada alla perdita di compressione.


figura 55


Ciò anche in vista del fatto che nei due tempi il carter interviene nella preparazione della fase di aspirazione e precompressione (vedi fig.55). La misurazione di tale taglio praticamente si effettua introducendo il segmento nel cilindro, assicurandosi che vi sia contenuto esattamente in un piano normale all'asse della canna, e introducendo nel taglio le lamine di uno spessimetro. Occorre fare attenzione che se il cilindro è usurato esiste sempre un gradino nella parte alta ove il segmento non arriva a lavorare; l'introduzione del segmento per la misura del gioco deve essere fatta allora in profodnità, cioè nella zona dove il cilindro è usurato. Tale precauzione si rende evidentemente necessaria quando si vogliono mettere dei segmenti nuovi in una canna usurata. Non è questa una riparazione da consigliarsi in quanto, ad operazione effettuata, si ha una tenuta alla compressione ancora minore che con i vecchi segmenti perchè questi erano già adattati, e se la canna era leggermente ovalizzata anche i segmenti lo erano, mentre i nuovi si troveranno a dover far tenuta, essi cilindrici, entro una canna ovale. A proposito si ricordi che sia l'ovalizzazione che la conicità delle canne determina differenza di diametro a seconda delle varie altezze e quindi può avvenire che un segmento, con gioco giusto nel taglio ad una data altezza nella canna, risulti forzato o troppo libero in un altro. Se il segmento è troppo grande lo si riporta a giusta misura per mezzo di una limetta (a coltello) a taglio sottile, o meglio di carborundum. Un'altra misura che deve essere controllata e rispettata è quella del gioco longitudinale esistente tra scanalature del pistone e segmento. Questo deve essere tale da permettere al segmento di scorrevi liberamente tenuto conto delle dilatazioni, ma non deve essere eccessivo per evidenti ragioni di tenuta e per impedire il fenomeno di pompaggio, dell'olio e della miscela, tra carter e camera di scoppio e viceversa. Infatti in fase di aspirazione lo stantuffo scende ed i segmenti, per attrito che incontrano sulla canna e per inerzia di quiete, cercano di frenare la discesa e quindi rimangono, per così dire, indietro spostandosi evidentemente verso la parte più alta della cava longitudinale. Rimane quindi libera una piccola parte della scanalatura verso il basso che piò riempirsi dell'olio che il segmento ha raschiato dalla canna (fig. 56).


figura 56


Nella fase di compressione lo stantuffo sale; per il medesimo motivo il segmento si sposta verso la parte bassa della scanalatura (vedi fig. 57); parte dell'olio che si era accumulata in basso, nella fase di aspirazione, passa nella parte alta trovando la via libera nello spazio anulare esistente fra fondo cava e diametro interno el segmento.


figura 57


A fine fase compressione e soprattutto se il rapporto di compressione è forte (caso del Diesel), la pressione del gas tende ad eliminare tale passaggio provocando anzi l'effetto contrario, cioè di mandare nuovamente l'olio nella parte bassa. Nella fase di aspirazione, il segmento ritarda a scendere verso la parte bassa della cava dove si accumula l'olio che è spinto dal segmento verso la coppa. Nella fase di scarico avviene come nella comprssione. Quanto sopra descritto può e non può avvenire con continuità e normalità. E' evidente che si nota maggiormente quando dopo un lungo funzionamento le scanalture si sono allargate per effetto dei continui urti tra segmenti di ghisa speciale durissima e pistone di lega leggera. Anelli di tenuta e raschiaolio a scalino (fig. 58 a; b). Sono anelli che servono contemporaneamente alla tenuta della compressione e a raschiare l'olio dalle canne. E' evidente che se lo scalino è rivolto verso l'alto l'olio raschiato viene inviato verso l'alto ed in tal caso può servire a lubrificaare la parte alta del cilindro. Ma è da escludere un simile montaggio in quanto in testa si nota sempre un'esuberanza di olio piuttosto che una deficienza. Il montaggio normale è con lo scalino rivolto verso il basso; perchè l'olio raschiato ritorna alla coppa e comunque lo spazio anulare lasciato libero dallo scalino si è riempito di olio che può servire quale riserva , mentre l'esuberanza viene necessariamente inviata verso il basso. Per aumentare l'effetto del raschiaolio si può lavorare il pistone in modo che sotto il segmento in esame vi sia una rientranza sulla quale siano praticati dei fori che comunicano con l'interno del pistone. Tali segmenti non richiedono speciali accorgimenti di montaggi a differenza degli altri di sola tenuta.

Anelli raschiaolio (fig. 58 c).

Gli anelli raschiaolio sono normalmente a sezione a C o con forme ad unghia e si applicano sotto le fasce di tenuta.


Anelli


Tale tipo i anello ha esclusivamente il compito di riportare nella coppa l'esuberanza di olio proiettato dall'albero a gomito e dai basamenti delle bielle sulle canne. Presenta delle feritoie che affacciate ad una serie di fori nella cava del pistone permettono all'olio recuperato di passare all'interno del pistone stesso e ricadere nella coppa. Se un motore dove sono montati pistoni a quattro segmenti in testa (tre di tenuta ed uno raschiaolio a feritoia) consuma parecchio olio, pur essendo ancora buona la tenuta alla compressione, si può sostituire il terzo anello di tenuta con un raschiaolio a scalino. In tal modo l'olio raschiato da questo viene ripreso dal raschiaolio a feritoia ed inviato nella coppa; la tenuta sarà ugualmente buona. Si è già parlato di rispettare un gioco nel taglio del segmento e gra segmento e cava del pistone. Accenniamo ora ad alcuni accorgimenti finali di montaggio. Anzitutto le superfici piane del segmento devono essere perfettamente lisce. Qualora non lo fossero possono essere spianate passando l'anello sopra un piano levigato spalmato di smeriglio e facendo ad esso compiere continui giri su se stesso in modo da avere un'asportazione di materiale uniforme su tutta la circonferenza. Può presentarsi il caso che il gioco fra segmento e cava non sia sufficiente. Allora montato il segmento sul pistone con interposizione di smeriglio si potrebbe muoverlo fino ad ottenere la misura voluta. Non è però un metodo giusto in quanto lo smeriglio asporterebbe materiale sia dal segmneto che dal pistone, ed arriverebbe ad incastrarsi nell'alluminio a tal punto da non poterlo rimuovere anche con energici lavaggi e ripuliture con stracci. La presenza di tale smeriglio provocherebbe l'usura rapidissima del segmento. E' pertanto meglio cercare di diminuire lo spessore smerigliandolo come detto per la spianatura delle superifici. E' bene ripassare con una limetta, a taglio molto sottile o meglio al carborundum, tutti gli spigoli del segmento in modo da conferire alle superfici una specie di minimo accordo. Gli angoli acuti provocano attrito, rigatura e maggiore consumo delle canne. Nei pistoni con ferma-segmneti si deve fare attenzione che il segmento abbia un sufficiente gioco sul taglio superiore ove non esiste il fermo. E' da tener presente che il diametro interno del cavo di alloggiamento del segmento deve essere inferiore al diametro interno del segmento a taglio chiuso, altrimenti esso non potrebbe più avere elasticità. Tale gioco deve essere dell'ordine di 0,3-0,4 mm. Alcune case consigliano l'uso di segmenti recanti ancora i segni minimi delle torniture sulla superficie cilindrica esterna; non si pensi che sia mancanza di accuratezza nella finitura; il segmento in tal modo si assesta più rapidamente ed esattamente in quanto la superficie da lisciare è minore. Si tenga presente che il gioco del taglio nel segmento nuovo di tal tipo deve essere minore altrimenti ad assestamento avvenuto diverrebbe eccessivo. A questo punto si possono dedurre alcune considerazioni sulle dimensioni, sul numero e sui materiali dei segmenti. L'altezza: deve essere minima se (con ottima tenuta) si vuol avere un minor attrito; deve essere massima se si vuol avere maggior durata. Numero: è evidente che più segmenti permettono una maggiore tenuta, ma generano maggior attrito e quindi riscaldamento, usure, ecc. E' preferibile l'uso di più segmenti molto sottili, magari anche da raschiaolio e riserva d'olio. Sono stati esperimentati segmenti a più elementi elastici con risultati buoni, ma con facilità di rottura e conseguenze deleterie. Spessore (nel senso del diametro). Un aumento in tale senso diminuirebbe il logorio delle cave in quanto si diminuisce la pressione d'appoggio, ma si aumenta la rigidità del segmento stesso con conseguente scarsa adattabilità alla canna: si avrebbero però cave profonde con conseguente necessità di forti spessori delle teste del pistone. Ciò in alcuni casi non è un male perchè si disperderebbe meglio il calore, ma è sempre un aggravio di peso su organi dotati di moto alterno.


figura 59


Materiali: il materiale costituente il segmento è, normalmente, ghisa di notevole durezza per resistere all'usura e di buona elasticità per consentire una uniforme distribuzione della pressione su tutta la circonferenza. E' evidente che tali caratteristiche devono essere fissate tenendo presente quelle della canna ed è buon criterio che il primo a logorarsi sia il segmento e non già la canna per evidenti ragioni economiche. Tutto quanto sopra esposto è solo a carattere di impostazione del problema. Nella scelta dei vari sistemi, dimensioni, tipi ecc. l'optimum risulta normalmente da un compromesso che concili quanto più possibile le esigenze tecniche, le prestazioni, i costi ecc. Lo smontaggio dei segmenti richiede una certa sensibilità dato la fragilità del materiale. Si è costretti ad agire con le mani cercando di far uscire dapprima una estremità a indi ruotare in modo che il segmento salga a spirale fino a far uscire anche l'altra estremità. Si possono anche immettere dei sottili lamierini che liberando il segmento dalla cava permettendo il suo smontaggio (fig. 60-61).


Smontaggio anelli


Il montaggio può essere effettuato con metodo razionale usando apposite pinze di montaggio (fig. 62). Tolleranze: per il taglio degli anelli elastici introdotti nella camera nuova o comunque usurata: giochi montaggio: 0,1-0,3 mm, limite usura: 0,6 mm. Giochi dell'anello nella scanalatura del pistone: 0,1-0,3 mm.


Spinotto

Lo spinotto è un perno cavo in acciaio, generalmente al cromo-nichel, cementato, temperato e rettificato che attraversando diametralmente il pistone collega questo ultimo con la biella. La lungheza dello spinotto deve essere inferiore al diametro del pistone in modo che, dopo averlo opportunamente fissato non possa sporgere dal pistone e rigare la canna del cilindro. Il collegamento dello spinotto coi mozzetti del pistone e col piede di biella può essere fatto in tre diversi modi:

1) Spinotto fisso al pistone e libero di ruotare nel piede di biella. In questo caso lo spinotto è cilindrico nella parte centrale, pure cilindrico, ma di maggior diametro, ad una estremità e tronco conico dall'altra. Il bloccaggio viene eseguito con una vite passante in corrispondenza, di uno o di entrambi i mozzetti (fig. 63A). Tale sistema è ormai in disuso.

2) Spinotto fino al piede di biella e libero di oscillare nei mozzetti del pistone Lo spinotto è ad un unico diametro e centralmente porta un ribasso o una tacca in cui fa riscontro un bullone passante, montato sul piede di biella (fig. 63B).

3) Spinotto libero di ruotare sia nei mozzetti del pistone che nel piede di biella (fipo full floating - fig. 63C). Ad evitare che lo spinotto possa sfilarsi lateralmente e rigare il cilindro vengono applicati alle estremità appositi sistemi di ritegno che possono consistere o nelle così dette pastiglie (in bronzo) che funzionano da tappi ed evitano il contatto diretto tra acciaio e acciaio o ghise dello spinotto e della canna del cilindro (sistema ormai in disuso) o in anelli elastici di acciai (Seeger) che trovano alloggiamento in una particolare scanalatura praticata nei mozzetti del pistone. Lo spinotto può presentare ovalizzazione, rigature, grippature. Questi difetti possono essere dovuti a:

a) cattivo montaggio, biella non in quadratura;

b) tolleranza di accoppiamento troppo larga. In tal caso a motore funzionante si rilea un battito metallico caratteristico che può scomparire a motore caldo o quando venga tolta l'accensione ove sia stato accertato il difetto. Questo può diventare più rimarcato alle brusche variazioni di giri del motore;

c) tolleranza troppo stretta con conseguente grippaggio, rigature, surriscaldamento, perdita di durezza (per rinvenimento del materiale) e successiva rapidissima usura;

d) mancanza di lubrificazione;

e) lungo funzionamento del motore. Se lo spinotto controllato con micrometro risulta ovalizzato oltre 0,05 mm è necessario sostituirlo ed in tal caso si devono controllare anche i fori dei mozzetti del pistone e della boccola del piede biella. Se l'ovalizzazione egrave; localizzata pressochè tutta sullo spinotto, basta sostituirlo o lasciare i fori come sono. Il caso non è molto frequente! Normalmnete anche i fori risultano deformati; se tale usura è ad esempio dell'ordine di 0,50 mm, si acquista uno spinotto maggiorato ed a mezzo di alesatore registrabile si allargano i fori fino ad ottenere le tolleranze di montaggio sia nel pistone che nella biella. E' sempre necessario, dopo tale operazione, controllare la quadratura delle bielle a pistone montato, in quanto l'alesatore non assicura il mantenimento della centratura nell'allargamento.


Spinotto


Si possono dare alcuni balori per i giochi di montaggio ed i limiti di usura, foro del pistone e spinotto, foro del piede di biella e spinotto. Fra foro del pistone e spinotto: gioco montaggio: 0,005; limite usura:: 0,08. Tale gioco è negativo in fase di montaggio in quanto prevede una forzatura con interferenza. Per montare occorre riscaldare con vapore o in olio a 70° il pistone in modo che si dilati e lo spinotto entri liberamente. In tal caso lo spinotto risulterà scorrevole con motore a regime. Fra il foro della boccola della biella e lo spinotto: gioco montaggio: 0,01-0,03 mm, limite usura: 0,08 mm. La lunghezza dello spinotto può avere una tolleranza massima di 0,2 mm.