Volano alleggerito: come una semplice azione può provocare gravi problemi

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ReVenge

Tra tutti gli organi che vengono sostituiti o modificati, a seconda di quanto consentito dal regolamento tecnico, quando si procede alla trasformazione di un motore stradale in un'unità da competizione, il volano è tra quelli che solitamente ricevono le prime attenzioni.

Per capire meglio il perché di ciò richiamiamo brevemente quali sono le principali funzioni di questo semplicissimo organo.
Il volano ha il compito di assorbire l'eccesso di lavoro motore rispetto a quello resistente, sotto forma di energia cinetica, minimizzando le oscillazioni di velocità angolare.

Ciò è di fondamentale importanza in un motore a combustione interna nel quale l'irregolarità di moto è la fisica conseguenza del principio di funzionamento del motore stesso.
Le oscillazioni di velocità angolare possono, ovviamente, essere contenute quanto maggiore è il frazionamento della cilindrata del motore in modo da distribuire l'andamento alterno del momento motore (da positivo a negativo e viceversa) su un maggior numero di cilindri e, quindi, avvicinarsi ad una forma della fluttuazione di velocità più vicina possibile ad una sinusoide, con un valor medio del momento motore più elevato come mostrato nelle due immagini sotto che mettono a confronto il momento motore di un bicilindrico con quello di un sei cilindri.
 

Confronto tra momento motore di un bicilindrico e quello di un sei cilindri


La scelta del numero di cilindri è dettata principalmente da esigenze legate al peso, agli ingombri, ai costi, alla necessità di installazione della stessa unità motrice su vetture di tipologie diverse.

In particolare negli ultimi anni tutte le case auto sono andate verso un "downsizing" delle motorizzazioni che, tralasciando tutte le implicazioni di carattere economico, legate ai costi di progettazione e produzione di motori pluricilindrici e di cilindrata sopra i due litri, hanno offerto la possibilità di ridurre dimensioni e pesi delle vetture con vantaggi dal punto di vista dei consumi e, conseguentemente, delle emissioni, in particolare di CO2 per i motori benzina.

Purtroppo la riduzione di cilindrata e del numero dei cilindri, senza rinunciare alle prestazioni, ha condotto a motorizzazioni più severe dal punto di vista delle sollecitazioni e delle vibrazioni.
Ciò ha reso necessario l'utilizzo di dispositivi che potessero garantire i sempre crescenti requisiti di comfort di marcia e rumorosità con motori che, per loro caratteristiche intrinseche, peggiorano questi aspetti.

Tra i tanti possiamo citare il volano doppia massa che ha la funzione di filtrare le vibrazioni torsionali che provengono dall'albero motore e che vengono trasferite agli organi di trasmissione, dal cambio, al differenziale, sino ai semiassi ed alle ruote.
Questo dispositivo, ormai diffuso su quasi tutti i motori diesel e su gran parte dei motori benzina per autovetture, svolge la sua funzione a scapito di dimensioni assiali e soprattutto peso, di gran lunga superiori a quelli di un semplice volano monomassa e che non sono compatibili con le esigenze di peso, ingombri e coppie motore di un'applicazione corsaiola.

Ovviamente le case auto, in fase di progettazione dell'albero motore e del volano, svolgono analisi e studi dettagliati prima di definire le caratteristiche di entrambi e degli accessori e dispositivi ad essi collegati.

A questo punto torniamo a noi.

Quando si modifica un'unità motrice di serie per farne un'unità da competizione, uno dei primi interventi è la riduzione di massa del volano.
Ciò consente al motore di essere più reattivo al comando del gas ed accelerare più velocemente.
Questo perché, se andiamo ad analizzare l'equazione sotto, che descrive le modalità di accelerazione del motore in funzione dei momenti motore e resistente:

Mmot - Mres = I x Aang


è facile notare come l'accelerazione del motore dipende dal momento d'inerzia del volano: quanto più quest'ultimo è piccolo, tanto più l'accelerazione sarà elevata.

Ovviamente riducendo il momento d'inerzia del volano le irregolarità di moto cresceranno, soprattutto alle basse velocità, ma questo non è un problema per un'unità da competizione, alla quale non sono richieste particolari caratteristiche di fluidità e comfort ma solo prestazionali e ad un numero di giri ben più elevato del minimo di un motore stradale.

Purtroppo, ovviamente non è il caso dei reparti corsa ufficiali o dei preparatori più esperti, troppo spesso l'alleggerimento e la riduzione delle dimensioni del volano, con l'obiettivo di ridurre il momento d'inerzia, viene eseguito senza analizzarne totalmente le possibili conseguenze.

Per capire meglio cosa accade dobbiamo introdurre il concetto di linea elastica torsionale dell'albero motore e dei suoi modi vibrare.
Prendiamo ad esempio lo schema di un motore quattro tempi, quattro cilindri in linea come sotto illustrato.

Schema di un motore quattro tempi, quattro cilindri

A seguito delle sollecitazioni imposte dalla combustione nei diversi cilindri, l'albero avrà delle deformate torsionali a diverse frequenze.
Concentriamoci sul primo modo di vibrare dell'albero, le cui ampiezze e frequenza possono essere calcolate mediante algoritmi di una certa complessità già in fase di progettazione.

Qualitativamente la deformata, in termini di ampiezze rotazionali, presenterà un nodo sull'asse dell'albero motore molto prossimo al volano che rappresenta la massa con il momento d'inerzia più elevato.

Deformata torsionale

Cosa accade quando si alleggerisce il volano?
Una riduzione del momento d'inerzia del volano, oltre a cambiare le frequenze proprie dell'albero sui diversi modi di vibrare (argomento che verrà trattato in altro articolo), produrrà uno spostamento del nodo verso sinistra, con il conseguente aumento delle ampiezze di vibrazione lato volano (vedi figura sotto).

Deformata torsionale con volano alleggerito

L'effetto di tale modifica della linea elastica può avere diverse implicazioni:

  1. Il nodo si sposta in una zona dell'albero dove le sezioni non sono tali da poter sopportare le nuove sollecitazioni di torsione, con possibili ripercussioni sull'affidabilità dell'albero stesso
  2. Le maggiori ampiezze torsionali lato volano vengono trasmesse agli organi di trasmissione con possibili effetti negativi su cambio, differenziale e semiassi se non opportunamente contrastati
  3. Le maggiori ampiezze di vibrazione torsionali danno luogo ad un incremento delle vibrazioni flessionali dell'albero che vengono trasmesse al basamento e quindi ai punti di attacco del motore sul telaio.

A titolo di esempio, qualche anno fa, fummo incaricati di individuare la causa di strane rotture dei supporti motore, in corrispondenza dei punti di attacco al telaio, e del cambio su una vettura turismo.

Dopo un'attenta analisi dei cambiamenti apportati al motore in fase di preparazione ed aver costruito un modello di simulazione, fu abbastanza evidente come proprio il semplice alleggerimento del volano, a fini prestazionali, senza aver adottato le opportune contromisure, aveva prodotto simili effetti.

Ovviamente esistono tecniche di analisi e calcolo che consentono di prevedere gli effetti di certe modifiche, così come le eventuali azioni di contrasto, per garantire l'affidabilità dei componenti senza compromettere l'obiettivo prestazionale atteso.

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