Albero a camme

Gli alberi a camme sono realizzati in metallo e sono solitamente solidi, anche se a volte vengono utilizzati alberi a camme cavi. I materiali utilizzati per un albero a camme sono di solito o:

• Fusione di ferro: Comunemente usati nella produzione di grandi volumi, gli alberi a camme in ghisa raffreddata hanno una buona resistenza all’usura poiché il processo di raffreddamento li indurisce. Altri elementi sono aggiunti al ferro prima della fusione per rendere il materiale più adatto alla sua applicazione.
• Acciaio al billet: Quando è richiesto un albero a camme di alta qualità o una produzione a basso volume, i costruttori di motori e i produttori di alberi a camme scelgono l’acciaio billet. Questo è un processo che richiede molto più tempo ed è generalmente più costoso di altri metodi. Il metodo di costruzione è di solito la forgiatura, la lavorazione (utilizzando un tornio o una fresatrice per metalli), la fusione o l’idroformatura. Si possono usare diversi tipi di barre d’acciaio, un esempio è l’EN40b. Quando si produce un albero a camme in EN40b, l’albero a camme viene anche trattato termicamente tramite nitrurazione a gas, che modifica la microstruttura del materiale. Si ottiene una durezza superficiale di 55-60 HRC, adatta per l’uso in motori ad alte prestazioni.

Layout della distribuzioneModifica

La maggior parte dei primi motori a combustione interna usava un layout cam-in-block (come le valvole in testa), dove l’albero a camme è situato all’interno del blocco motore vicino al fondo del motore. Con l’aumento della velocità del motore nel 20° secolo, i motori a singolo albero a camme in testa (SOHC) – dove l’albero a camme si trova nella testata del cilindro vicino alla parte superiore del motore – sono diventati sempre più comuni, seguiti dai motori a doppio albero a camme in testa (DOHC) negli anni più recenti.

Il layout del gruppo valvole è definito in base al numero di alberi a camme per banco cilindri. Perciò un motore V6 con un totale di quattro alberi a camme (due per banco cilindri) è di solito indicato come un motore a doppio albero a camme in testa, anche se colloquialmente sono talvolta indicati come motori “quad-cam”.

In un motore a valvole in testa, l’albero a camme preme su un’asta di spinta che trasferisce il movimento alla parte superiore del motore, dove un bilanciere apre la valvola di aspirazione/scarico. Nei motori OHC e DOHC, l’albero a camme aziona la valvola direttamente o tramite un bilanciere corto.

Sistemi di trasmissioneModifica

Un controllo accurato della posizione e della velocità dell’albero a camme è di fondamentale importanza per il corretto funzionamento del motore. L’albero a camme è azionato dall’albero a gomiti o direttamente, di solito tramite una cinghia di distribuzione in gomma dentata o una catena a rulli in acciaio (chiamata catena di distribuzione). Occasionalmente sono stati usati anche ingranaggi per azionare l’albero a camme. In alcuni progetti l’albero a camme aziona anche lo spinterogeno, la pompa dell’olio, la pompa del carburante e occasionalmente la pompa del servosterzo.

Un’alternativa usata nei primi tempi dei motori OHC era di azionare l’albero o gli alberi a camme tramite un albero verticale con ingranaggi conici ad ogni estremità. Questo sistema era, per esempio, usato sulle auto Peugeot e Mercedes Grand Prix prima della prima guerra mondiale. Un’altra opzione era quella di usare un triplo eccentrico con bielle; questi erano usati su certi motori progettati da W.O. Bentley e anche sul Leyland Eight.

In un motore a due tempi che usa un albero a camme, ogni valvola è aperta una volta per ogni rotazione dell’albero motore; in questi motori, l’albero a camme ruota alla stessa velocità dell’albero motore. In un motore a quattro tempi, le valvole vengono aperte solo la metà della frequenza; quindi, per ogni rotazione dell’albero a camme si verificano due rotazioni complete dell’albero a gomiti.

Caratteristiche delle prestazioniModifica

DurataModifica

La durata dell’albero a camme determina per quanto tempo la valvola di aspirazione/scarico è aperta, quindi è un fattore chiave nella quantità di potenza che un motore produce. Una durata più lunga può aumentare la potenza alle alte velocità del motore (RPM), tuttavia questo può venire con il compromesso di una minore coppia prodotta ai bassi RPM.

La misura della durata di un albero a camme è influenzata dalla quantità di alzata che viene scelta come punto di inizio e fine della misura. Un valore di alzata di 0,050 in (1,3 mm) è spesso usato come procedura di misurazione standard, poiché questo è considerato il più rappresentativo della gamma di alzata che definisce la gamma di RPM in cui il motore produce il picco di potenza. Le caratteristiche di potenza e di minimo di un albero a camme con lo stesso valore di durata che è stato determinato utilizzando punti di alzata diversi (per esempio 0,006 o 0,002 pollici) potrebbero essere molto diverse da un albero a camme con una durata valutata utilizzando punti di alzata di 0,05 pollici.

Un effetto secondario dell’aumento della durata può essere un aumento della sovrapposizione, che determina la durata del tempo in cui le valvole di aspirazione e di scarico sono aperte. È l’overlap che influisce maggiormente sulla qualità del minimo, in quanto il “blow-through” della carica di aspirazione immediatamente indietro attraverso la valvola di scarico che si verifica durante l’overlap riduce l’efficienza del motore, ed è maggiore durante il funzionamento a basso regime. In generale, l’aumento della durata di un albero a camme aumenta tipicamente la sovrapposizione, a meno che l’angolo di separazione dei lobi non sia aumentato per compensare.

LiftEdit

L’alzata dell’albero a camme determina la distanza tra la valvola e la sede della valvola (cioè quanto è aperta la valvola). Più la valvola si alza dalla sua sede, più flusso d’aria può essere fornito, aumentando così la potenza prodotta. Un’alzata maggiore della valvola può avere lo stesso effetto di aumentare la potenza di picco di un aumento della durata, senza gli svantaggi causati da una maggiore sovrapposizione delle valvole. La maggior parte dei motori a valvole in testa ha un rapporto bilanciere superiore a uno, quindi la distanza che la valvola apre (l’alzata della valvola) è maggiore della distanza dal picco del lobo dell’albero a camme al cerchio di base (l’alzata dell’albero a camme).

Ci sono diversi fattori che limitano la quantità massima di alzata possibile per un dato motore. In primo luogo, l’aumento dell’alzata porta le valvole più vicine al pistone, quindi un’alzata eccessiva potrebbe far sì che le valvole vengano colpite e danneggiate dal pistone. In secondo luogo, l’aumento dell’alzata richiede un profilo dell’albero a camme più ripido, il che aumenta le forze necessarie per aprire la valvola. Un problema correlato è il galleggiamento della valvola ad alto numero di giri, dove la tensione della molla non fornisce una forza sufficiente per mantenere la valvola che segue la camma al suo apice o per evitare che la valvola rimbalzi quando ritorna alla sede della valvola. Questo potrebbe essere il risultato di un’ascesa molto ripida del lobo, dove il seguace della camma si separa dal lobo della camma (a causa dell’inerzia della trasmissione della valvola che è maggiore della forza di chiusura della molla della valvola), lasciando la valvola aperta più a lungo del previsto. Il galleggiamento della valvola causa una perdita di potenza ad alto numero di giri e in situazioni estreme può portare a una valvola piegata se viene colpita dal pistone.

TimingEdit

La temporizzazione (angolo di fase) dell’albero a camme rispetto all’albero motore può essere regolata per spostare la banda di potenza di un motore in un diverso intervallo di giri. Avanzando l’albero a camme (spostandolo in avanti rispetto alla fasatura dell’albero a gomiti) si aumenta la coppia a basso regime, mentre ritardando l’albero a camme (spostandolo dopo l’albero a gomiti) si aumenta la potenza ad alto regime. I cambiamenti richiesti sono relativamente piccoli, spesso dell’ordine di 5 gradi.

I motori moderni che hanno una fasatura variabile delle valvole sono spesso in grado di regolare la fasatura dell’albero a camme in base al numero di giri del motore in qualsiasi momento. Questo evita il compromesso di cui sopra richiesto quando si sceglie una fasatura fissa per l’uso sia ad alti che a bassi RPM.

Angolo di separazione dei lobiModifica

L’angolo di separazione dei lobi (LSA, chiamato anche angolo della linea centrale del lobo) è l’angolo tra la linea centrale dei lobi di aspirazione e la linea centrale dei lobi di scarico. Un LSA più alto riduce la sovrapposizione, il che migliora la qualità del minimo e il vuoto di aspirazione, ma usare un LSA più ampio per compensare una durata eccessiva può ridurre la potenza e la coppia. In generale, l’LSA ottimale per un dato motore è legato al rapporto tra il volume del cilindro di aspirazione area valve.

Manutenzione e usuraModifica

Molti vecchi motori richiedevano la regolazione manuale dei bilancieri o delle aste di spinta per mantenere il corretto gioco delle valvole con l’usura del gruppo valvole (in particolare le valvole e le sedi delle valvole). Tuttavia, la maggior parte dei motori auto moderni hanno sollevatori idraulici che compensano automaticamente l’usura, eliminando la necessità di regolare il gioco delle valvole a intervalli regolari.

L’attrito di scorrimento tra la superficie della camma e il perno della camma che vi scorre sopra può essere notevole. Per ridurre l’usura in questo punto, la camma e il seguitore sono entrambi induriti in superficie, e i moderni oli per motori contengono additivi per ridurre l’attrito di scorrimento. I lobi dell’albero a camme sono di solito leggermente rastremati e le facce dei sollevatori delle valvole leggermente bombate, facendo ruotare i sollevatori per distribuire l’usura sulle parti. Le superfici della camma e del seguitore sono progettate per “consumarsi” insieme, e quindi ogni seguitore dovrebbe rimanere con il suo lobo originale e non essere mai spostato su un lobo diverso. Alcuni motori (in particolare quelli con lobi ripidi dell’albero a camme) usano punterie a rullo per ridurre l’attrito di scorrimento sull’albero a camme.

I cuscinetti degli alberi a camme, simili a quelli dell’albero motore, sono cuscinetti a strisciamento alimentati a pressione con olio. Tuttavia, i cuscinetti degli alberi a camme in testa non hanno sempre dei gusci sostituibili, nel qual caso l’intera testata deve essere sostituita se i cuscinetti sono difettosi.

AlternativeModifica

In aggiunta all’attrito meccanico, è necessaria una forza considerevole per aprire le valvole contro la resistenza fornita dalle molle delle valvole. Questo può ammontare a circa il 25% della potenza totale di un motore al minimo, riducendo l’efficienza complessiva.

I seguenti sistemi alternativi sono stati usati sui motori a combustione interna:

• Valvole desmodromiche, dove le valvole sono chiuse positivamente da una camma e da un sistema di leva piuttosto che dalle molle. Questo sistema è stato usato su varie moto da corsa e da strada Ducatti da quando è stato introdotto sulla moto da corsa Ducati 125 Desmo del 1956.
• Motore a pistoni senza camme, che usano attuatori elettromagnetici, idraulici o pneumatici. Utilizzato per la prima volta nei motori turbo Renault di Formula 1 a metà degli anni ’80 e previsto per l’uso su strada nella Koenigsegg Gemera.
• Motore Wankel, un motore rotativo che non usa né pistoni né valvole. Utilizzato in particolare da Mazda dalla Mazda Cosmo del 1967 fino a quando la Mazda RX-8 è uscita di produzione nel 2012.