La biella, spesso chiamata "biella", è un componente che svolge un ruolo fondamentale nel motore a combustione interna. Questa parte funge da collegamento cruciale tra il pistone e l'albero motore e ha il compito di convertire il moto lineare in forza rotazionale. In questo articolo, spiegheremo cos'è una biella, come funziona, i vari tipi e materiali utilizzati, come è realizzata e cosa succede in caso di guasto.
Contenuti
Funzioni della biella
Oltre a essere un semplice ponte di collegamento tra le parti, la biella svolge diverse funzioni importanti nel motore.
Trasmissione della forza
Durante la combustione, il pistone viene spinto verso il basso, generando una forza che viene trasmessa direttamente all'albero motore dalla biella. Questo trasforma il moto alternato in coppia, agendo così come una leva meccanica.
Conversione del movimento
La biella funziona principalmente come mezzo che converte il moto lineare (alternativo) del pistone nel moto rotatorio dell'albero motore. Ciò significa che consente la rotazione sull'estremità del pistone e la rotazione sull'estremità dell'albero.
Mantiene la fasatura e l'equilibrio del motore
Le bielle contribuiscono anche a mantenere sincronizzato il movimento e la fasatura tra il motore e altri componenti, come l'albero a camme.
Gestione del carico
Durante la combustione, la biella è sottoposta a pressioni sia di compressione che di trazione. Una singola corsa può esercitare una forza enorme e la biella deve sopportarla, a volte per migliaia di volte al minuto.
Tipi di bielle
Le bielle svolgono la stessa funzione primaria; tuttavia, sono disponibili in diverse forme e design. I vari tipi sono adatti ad applicazioni specifiche in base a determinati requisiti.
Aste a I-Beam
Si tratta dei tipi di biella più comunemente utilizzati nei motori automobilistici. Le bielle a I hanno una sezione trasversale a forma di "I", con un equilibrio tra peso e resistenza. Queste bielle sono adatte alla guida quotidiana e ad applicazioni con prestazioni moderate. Le bielle a I sono leggere, resistenti ed economiche. Sono utilizzate nelle autovetture e nei camion leggeri.
Barre a trave ad H
Queste barre hanno una superficie maggiore, sono più resistenti delle travi a I e durano più a lungo. La loro sezione trasversale a "H" le rende più rigide e in grado di gestire ambienti ad alto stress. Le barre a H sono estremamente resistenti e possono gestire elevati regimi di rotazione al minuto (RPM). Sono ideali per auto da corsa e motori turbocompressi.
Aste a raggi X
Un tipo ibrido di biella costituito da un mix di travi a I e travi a H, con i relativi vantaggi. Le bielle a X hanno una sezione trasversale ampia; pertanto, offrono un buon equilibrio tra elevata resistenza, leggerezza e resistenza alle crepe. Queste bielle sono adatte alle corse ad alte prestazioni.
Materiali della biella
La scelta del materiale può influire sulla resistenza della biella, sul peso e sul costo. Per progettare un motore, la scelta del materiale si basa sul tipo di motore, sulle prestazioni previste e sulle condizioni di carico.
Leghe di acciaio
Per la progettazione di motori ad alte prestazioni, l'acciaio forgiato è solitamente la scelta migliore e il materiale più comunemente utilizzato per le bielle. Le bielle in acciaio sono resistenti, relativamente economiche e adatte alla maggior parte delle applicazioni automobilistiche.
Tipi comuni di acciaio
Alcuni tipi di leghe di acciaio sono materiali ideali per la produzione di bielle:
- Il tipo 4340, contenente cromo, molibdeno e nichel, è ideale per la sua elevata resistenza e durevolezza.
- Il tipo 1045, un acciaio al carbonio semplice, è ideale per la sua moderata resistenza e buona resistenza all'usura.
Leghe di alluminio
Le bielle in alluminio sono più leggere dell'acciaio; questo contribuisce a ridurre il peso complessivo del motore e a migliorarne la reattività. Tuttavia, poiché si usurano più rapidamente, sono ideali per l'uso in motori da corsa ad alta velocità. Sono particolarmente adatte alle gare di accelerazione e agli eventi di breve durata.
Leghe di titanio
Le barre in titanio sono note per il loro elevato rapporto resistenza/peso e offrono il meglio di entrambi i mondi, ma a un costo più elevato. Sono resistenti alla fatica e al calore e sono ideali per motori che richiedono prestazioni di alto livello.
Materiali della metallurgia delle polveri
Alcuni degli materiali di metallurgia delle polveri Vengono utilizzate in alcuni motori moderni per garantire una qualità costante e ridurre i tempi di lavorazione. Sebbene presentino una resistenza alla trazione e alla fatica inferiore rispetto all'acciaio forgiato, sono convenienti, soprattutto per la produzione di massa. Le bielle in polvere metallica vengono realizzate comprimendo polveri metalliche ad alta pressione e sinterizzandole. Sono ideali per motori prodotti in serie che richiedono precisione e controllo dei costi.
Metodi di produzione
Il processo di fabbricazione di una biella determina in larga misura le sue prestazioni e la sua affidabilità. Ogni metodo di fabbricazione presenta vantaggi e svantaggi diversi.
Casting
Nel metodo di fusione, un metallo fuso viene colato in uno stampo per creare la forma della biella, per poi essere rimosso dopo la solidificazione. Questo processo inizia con la creazione di un modello nella forma della biella desiderata utilizzando un metallo ad alta precisione, che viene posto in un cilindro e riempito con sabbia compattata per la formatura. Il metallo fuso fuso nel forno viene colato nello stampo alla temperatura corretta per la solidificazione e, una volta completamente formato e raffreddato, viene rimosso dal getto.
Se necessario, vengono eseguite fasi di post-lavorazione finali per ottenere la biella desiderata. Si tratta di un metodo economico, ma generalmente produce bielle più deboli a causa di un flusso di grano non uniforme. Questo metodo è adatto per motori a basso stress e a basso consumo energetico.
Forgiatura
La prima fase è la tranciatura, durante la quale il materiale grezzo viene tagliato nella forma e nelle dimensioni desiderate per la biella. Successivamente, viene riscaldato a una temperatura superiore a quella di ricristallizzazione per garantirne la malleabilità, utilizzando un riscaldamento a induzione a media frequenza. Il pezzo grezzo malleabile viene fatto passare attraverso rulli per la formatura, quindi inserito in uno stampo per comprimerlo nella forma finale.
Il materiale in eccesso viene rifilato, forato e la biella forgiata viene sottoposta a trattamento termico per migliorarne resistenza e tenacità. Le impurità vengono rimosse tramite granigliatura e vengono apportate le ultime modifiche per produrre la biella finale secondo le specifiche desiderate.
La forgiatura è la tecnica migliore per la produzione di bielle utilizzate nei motori ad alte prestazioni e per impieghi gravosi.
Lavorazione meccanica (barre di billetta)
Questo metodo inizia con la lavorazione di sgrossatura, durante la quale il materiale in eccesso viene rimosso dal pezzo forgiato per dare la forma corretta alla biella. Questo processo include operazioni come alesatura, foratura e tornitura, eseguite utilizzando macchine a controllo numerico computerizzato (CNC). La fase successiva è la lavorazione di precisione, che comprende processi di alesatura, levigatura, rettifica, fresatura e foratura.
Queste operazioni servono a levigare le superfici, perfezionare la geometria e migliorare la precisione, assicurando che determinate caratteristiche della biella soddisfino le specifiche desiderate. Il trattamento termico viene applicato per migliorarne le proprietà meccaniche, dopodiché vengono eseguite le operazioni finali per rimuovere le bave in preparazione all'assemblaggio finale. Questo metodo consente un'estrema personalizzazione e precisione, ma è anche costoso. È adatto all'uso in motori personalizzati ad alte prestazioni.
Forgiatura a polvere
Forgiatura a polvere è un metodo di produzione che combina processo convenzionale di metallurgia delle polveri con processo di forgiatura per produrre componenti ad alta resistenza e di forma quasi netta. Il processo inizia con la pressatura di polvere metallica prelegata o legata per diffusione in una preforma compattata mediante una pressa meccanica. Questa preforma presenta la geometria di base della biella finale, ma conserva una certa porosità e una resistenza limitata.
Il patto verde è quindi sinterizzato in un'atmosfera controllata, solitamente a base di idrogeno o azoto, a temperature comprese tra 1120 e 1140 gradi Celsius. La sinterizzazione lega le particelle metalliche e conferisce alla preforma un'integrità sufficiente per la successiva forgiatura. Dopo la sinterizzazione, il pezzo viene riscaldato nuovamente fino alla temperatura di forgiatura, in genere compresa tra 1050 e 1150 gradi Celsius, a seconda della lega utilizzata.
In questa fase, la preforma sinterizzata viene forgiata a caldo utilizzando una pressa meccanica o idraulica per raggiungere una densità quasi completa e migliorare le proprietà meccaniche. Il processo di forgiatura elimina i pori residui e migliora la resistenza alla fatica affinando la struttura dei grani e generando un flusso di fibre favorevole. Una biella forgiata mediante polverizzazione offre i vantaggi di elevate prestazioni, design leggero e bassi costi di produzione.
Bielle: modalità di guasto e cause comuni
Fallimento per fatica
I cicli di stress a lungo termine possono creare crepe che si espandono e portano alla rottura delle bielle. Tra i segnali più comuni ci sono il battito in testa del motore e la presenza di detriti metallici nell'olio.
Usura dei cuscinetti
Una lubrificazione insufficiente causa un attrito eccessivo, con conseguente usura o grippaggio dei cuscinetti. Ciò può causare una bassa pressione dell'olio e rumori di battito.
Piegare o allungare
La detonazione o il sovraccarico del motore possono deformare l'asta, compromettendo la fasatura e la compressione. Un sintomo tipico è la perdita di potenza.
Screpolatura
Le crepe possono essere causate da difetti di fabbricazione, trattamento termico improprio o surriscaldamento. Crepe visibili e rumori anomali del motore sono segnali chiave.
BLUE è un'azienda certificata ISO 9001:2015 produttore di metallurgia delle polveri Con oltre 20 anni di esperienza, siamo specializzati in bielle forgiate a polvere per motori a benzina e diesel. Forniamo bielle standard senza costi di attrezzaggio e supportiamo progetti personalizzati per esigenze specifiche.
FAQ
Cosa significano "Big End" e "Small End" su una biella?
- Fine piccola: La parte superiore dell'asta che si collega allo spinotto del pistone (spinotto).
- grande fine: La parte inferiore dell'asta che si collega al perno dell'albero motore.
Come si mantiene o si prolunga la durata di una biella?
- Cambi d'olio regolari.
- Utilizzare lubrificanti di alta qualità secondo le istruzioni del produttore.
- Assicurare la corretta messa a punto del motore (per evitare la detonazione).
- Controllare regolarmente bulloni, dadi e cuscinetti per verificarne l'usura.
Cos'è il rapporto biella e perché è importante nella progettazione del motore?
Il rapporto di biella è il rapporto tra la lunghezza della biella e la corsa dell'albero motore, espresso matematicamente come:
Rapporto asta = Lunghezza asta / Corsa.
Il rapporto di biella influenza l'angolazione tra la biella e l'albero motore per una determinata rotazione. Un rapporto di biella più elevato comporta un'angolazione ridotta, un minore attrito sulle pareti del cilindro e migliori prestazioni ad alti regimi, e viceversa.