Cilindro (meccanica)
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Il cilindro è un componente utilizzato in meccanica per creare moto lineare o rotativo (nel caso di cilindri rotativi tipo Wankel).
Indice |
[modifica] Introduzione
Questo componente per poter essere utilizzato, ha caratteristiche definite ed è accompagnato da altri componenti fondamentali:
- un corpo cavo chiamato camicia di forma cilindrica (tronco-conica a motore freddo) per problemi di tenuta, anche se sono stati creati cilindri ovali (Honda NR), così come anche come per i motori rotativi
- uno stantuffo che vi scorre all'interno in maniera ermetica
- uno stelo collegato allo stantuffo e utilizzato per trasmettere il moto ad un organo esterno
- le testate (che nel caso di motori endotermici alternativi è una sola).
lo stantuffo divide la camera cilindrica in due parti. Variando la pressione nelle due camere è possibile indurre lo spostamento del piattello e del relativo stelo a lui collegato.
All'interno del cilindro si possono usare fluidi diversi a seconda delle necessità e dell'impiego, dove i più usati sono l'aria e in questo caso si parla di cilindro pneumatico oppure si usa l'olio e in questo caso si parla cilindro idraulico.
[modifica] Pistoni fluidici
I pistoni a fluido, meglio noti come cilindri, vengono utilizzati per trasformare la pressione di un fluido (aria compressa, olio, ecc.) in una forza.
I cilindri pneumatici (detti anche pistoni pneumatici o attuatori pneumatici) vengono utilizzati per la movimentazione nella automazione industriale, utilizzano aria compressa a bassa pressione (normalmente da 2 a 10 bar) e possono raggiungere dimensioni contenute (da 7 a 220 mm di diametro e oltre). La forza di spinta varia con l'alesaggio e con la pressione di alimentazione. Si va, quindi, da qualche centinaio di grammi a 4 ton.
Questi attuatori possono essere a semplice, a doppio effetto oppure rotanti. Si dicono semplici nel caso in cui la spinta sia attuabile da una sola direzione. Questi possono essere muniti di molla per il ritorno automatico dello stantuffo.
Si definiscono a doppio effetto se possono compiere lavoro da entrambe le direzioni.
Sia a semplice che a doppio effetto si possono avere cilindri multi stadi e telescopici, in cui lo stelo è cavo e diventa cilindro per lo stadio successivo. Questi ultimi sono generalmente a semplice effetto e senza molla di ritorno.
Se si crea una azione rotante allora i cilindri sono detti rotativi e possono generare moto facendo sì che il fluido compresso vada a lavorare su una palmola collegata all'asse di rotazione.
I pistoni idraulici sono in grado di compiere lavori più gravosi rispetto ai fratelli pneumatici e possono raggiungere dimensioni decisamente maggiori.
[modifica] Motori volumetrici
Nel motore endotermico a movimento alternativo, il cilindro è un corpo cavo è ricavato all'interno del monoblocco, o viene impiantato successivamente, dove al suo interno vi scorre il pistone, lo stelo è chiamato biella e quest'ultima è collegata all'albero a gomito che trasforma il moto traslatorio in moto rotatorio.
In campo automobilistico e motociclistico, il numero di cilindri all'interno di un motore varia tra uno e sedici (come ad esempio la Bugatti Veyron o la Cadillac V16). La numerazione dei cilindri parte dal lato distribuzione. Nonostante vengano prediletti motori con numero pari di cilindri, per l'efficienza e la rotondità di funzionamento, esistono casi di motori automobilistici con 3 o 5 cilindri, mentre soluzioni con numero dispari di cilindri più elevato non sono attualmente adottate in propulsori per automobili e mezzi terrestri generici (sebbene non siano mancati in passato studi e prototipi per competizioni).
[modifica] Motori 4 tempi
In questi motori i cilindri hanno la forma della canna circolare, inoltre per evitare che la temperatura sviluppata durante le varie fasi del ciclo termodinamico sia troppo elevata, vengono muniti di vari sistemi di raffreddamento, che possono essere ad aria, a liquido o entrambi.
[modifica] Motori 2 tempi
In questi motori i cilindri hanno, oltre le caratteristiche del cilindro per motore a quattro tempi, speciali condotti chiamati travasi, fondamentali per il funzionamento del motore.
[modifica] Motori Wankel
Questi cilindri hanno le stesse caratteristiche del cilindro 2 tempi, ma con una forma della canna diversa da quella circolare, ma è di tipo epitrocoide, questo dato dal funzionamento del motore, dove il pistone non ha un moto alternato, ma di tipo planetario.
[modifica] Motori aeronautici stellari: esempi
Nonostante la rarità, esistono motori stellari aeronautici con numero dispari di cilindri. Ne è un esempio il motore Siemens-Halske Sh III 11 cilindri contro-rotanti da 160 hp, raffreddato ad aria, montato sul caccia Siemens-Schuckert D.III (prodotto dal 1918).
Con 13 cilindri, c'è o più cilindri in configurazione stellare sono state adottate in numerosi motori aeronautici, uno tra questi il Napier Sabre, 24 cilindri in configurazione ad H.
[modifica] Raffreddamento del cilindro
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Per approfondire, vedi la voce impianto di raffreddamento. |
Il raffreddamento del cilindro è essenziale, perché raffreddando il cilindro si evita che il calore eccessivo, che andrebbe altrimenti immagazzinato, provochi un grippaggio del pistone durante il suo libero scorrere nel cilindro, i tipi di raffreddamento più usati sono:
- raffreddamento a liquido, questo tipo di raffreddamento prevede la presenza di condotti dell'acqua coassiali al cilindro, che viene raffreddato cedendo calore al liquido. Il liquido solitamente circola all'interno di un circuito che può essere chiuso (nella maggiorparte delle applicazioni terrestri) o aperto (questa soluzione è principalmente utilizzata nelle applicazioni marine). Nel caso del circuito chiuso per raffreddare il liquido si fa spesso uso di radiatori o di soluzioni che abbassino fisicamente la temperatura del liquido stesso (indicativamente intorno al 30%), mentre nelle applicazioni che prevedono il circuito aperto come per esempio nei motori che equipaggiano imbarcazioni il liquido nel quale è immerso il mezzo (di locomozione) funge egli stesso da refrigerante, la relativa pompa infatti si occupa di pescare il liquido, mandarlo in circolazione nel circuito e reimmetterlo per esempio nel mare o nel lago che sia.
- Raffreddamento ad aria, questo tipo di raffreddamento prevede la presenza di alette metalliche che estendono la superficie esterna del cilindro, in modo da migliorare lo scambio termico tra cilindro e aria. Questo tipo di raffreddamento nonostante la semplicità ha un minore rendimento rispetto al raffreddamento a liquido, soprattutto nei motori di medie-grosse dimensioni. Ad oggi trova comunque utilizzo nei piccoli motori come per esempio quelli utilizzati nel modellismo o in tutte quelle applicazioni nelle quali il guadagno in termini di rendimento ipotizzabile con l'utilizzo di altre soluzioni non ripagherebbe lo svantaggio in termini di complessità e peso. Viene inoltre ancor'oggi utilizzato in piccoli motori utilizzati nell'aviazione nel quale l'elica oltre a fungere da elemento propulsivo funge altresì da raffreddamento forzato, aspirando l'aria calda spingendo quella fredda direttamente sul cilindro a seconda che lo stesso sia posizionato davanti o dietro l'elica. Questo particolare tipo di raffreddamento ad aria prende infatti il nome di raffreddamento ad aria forzata.
[modifica] Materiali dei cilindri
I materiali utilizzati per la fabbricazione dei cilindri sono:
- Alluminio, è un materiale leggero, con un maggiore potere dissipante, ma data la sua dolcezza richiede dei trattamenti per poter supportare l'attrito con il pistone, come la cromatura o un riporto con una lega resistente come il carburo di silicio e nichel (Ni-Kasil) o la ghisa, in rari casi si utilizza una canna estraibile (generalmente motori di modellini).
- Ghisa, è un materiale pesante, ma che richiede solo poche lavorazioni e resiste bene agli stress termici, inoltre essendo un materiale molto duro e poroso, si raffredda molto velocemente, riuscendo a defluire velocemente il calore, in alcuni gruppi termici in ghisa, veniva riportata una camicia in acciaio dove scorreranno le fasce elastiche.
[modifica] Riparazione
Le riparazioni variano a seconda del tipo di materiale utilizzato per il cilindro.
- Sostituzione canna, quest'operazione è molto semplice, ma sono molto pochi i motori che adoperano questa soluzione, che generalmente è riservata ai motori di modellini.
- Lappatura, quest'operazione consiste nel far ritornare la superficie del cilindro perfettamente liscia, con una lavorazione minimale della superfice, generalmente questa lavorazione viene eseguita quando si deve cambiare il pistone o piu in generale quando la canna del cilindro perde la sua lucentezza.
- Alesatura o Rettifica, quest'operazione consiste nel far ritornare la superficie del cilindro liscia ed omogenea tramite l'asportazione di materiale, quest'operazione è tranquillamente eseguibile sui cilindri in ghisa, mentre per quanto riguarda i cilindri in alluminio si può solo alesare e si devono rispettare i limiti di lavorazione del costruttore e che sono molto restrittivi, per questo si può eseguire solo se si è leggermente rovinata la superficie della canna cilindro.
- Riporto, quest'operazione consiste nel sostituire il riporto originario (Ni-Kasil o cromatura) con uno nuovo, per far si bisogna prima rettificare e/o alesare il cilindro e poi apportare il riporto, quest'operazione è dedicata solo ai cilindri in alluminio quando questi subiscono un "grippaggio" o una "rigatura", ma è un'operazione molto costosa e che non è sempre possibile eseguire.
[modifica] Accorgimenti
Sui cilindri possono essere applicati determinati accorgimenti:
- Canna removibile, questo permette una piu facile e rapida manutenzione del motore
- Anello antidetonante, quest'anello viene utilizzato esclusivamente nelle competizioni per via del costo e consiste nell'utilizzo di un anello di bronzo che viene applicato a caldo su una sede ricavata nel cilindro, generalmente quest'anello ha un profilo quadrato di 2 millimetri.
Quest'accorgimento permette d'aumentare notevolmente il punto d'autoaccensione e ridurre le probabili detonazioni che generalmente seguono questo fenomeno. - Monoblocco, in questo caso il cilindro è tutt'uno con il basamento superiore, questo permette di ridurre i cosi, migliorare la resistenza meccanica e ridurre le vibrazioni.
- Integrazione della testata, in questo caso la testata è un unico pezzo con il cilindro, questa soluzione è utilizzata sui motori piu economici e che generalmente utilizzano il raffreddamento ad aria, questo perché permette di ridurre i costi e le vibrazioni, tale soluzione è facilmente utilizzabile sui motori a due tempi, mentre sui motori a quattro tempi risulta piu difficoltosa e richiede comunque una parte della testata scomponibile per via dei organi della distribuzione.
[modifica] Curiosità dal mondo
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Attualmente, è stata realizzata una motocicletta dalla JRL Cycles, un'azienda statunitense, propulsa da un motore radiale (in configurazione stellare) a 7 cilindri, disposto longitudinalmente. Il motore è prodotto dalla Rotec: di derivazione aeronautica, è raffreddato ad aria ed è uno dei motori più grandi mai montati su una motocicletta. Risulta in fase di studio una soluzione simile a 9 cilindri.
