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Le Lamelle

Chiunque abbia messo le mani su un motore a due tempi, prima o poi ha avuto a che fare con le lamelle!

Questo componente apparentemente semplice, che spesso viene trascurato ,riveste una grande importanza per il motore ,pertanto andrebbe studiato e scelto con cura per far rendere al meglio il motore.

In questo articolo vi vogliamo far capire un po’ di più cosa c’è dietro alle tante parole che si sentono, materiale, spessore, colore … ecco una cosa possiamo già dirvela… il colore non conta niente, ma magari fa vendere di più!

Prima dell’introduzione del pacco lamellare, la fase di aspirazione era comandata da una luce gestita dal pistone, o da un disco rotante, il limite di queste tipologie di ammissione era che funzionavano correttamente solo in un range limitato di giri, infatti a seconda delle fasature scelte si aveva l’accordatura fluidodinamica solo ad alcuni regimi, e agli altri vi erano inevitabili riflussi che riducevano drasticamente il riempimento e quindi le prestazioni del motore.

Il pacco lamellare nasce proprio per ovviare a questa problematica, infatti è studiato per fare in modo che il fluido entri nel motore quando ci sono le condizioni di pressione favorevoli, ma non rifluisca quando le condizioni diventano sfavorevoli, tutto ciò avviene grazie alle lamelle.



PRESSIONE FAVOREVOLE – VALVOLA APERTA






PRESSIONE SFAVOREVOLE – VALVOLA CHIUSA
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È chiaro quindi quanto le lamelle siano fondamentali per far lavorare adeguatamente il pacco lamellare e quindi il motore.

Tralasciamo per ora il dimensionamento e la fluidodinamica del pacco lamellare, di cui magari parleremo in un prossimo articolo, e concentriamoci sulle lamelle.

Come detto ,le lamelle svolgono la funzione di aprire e chiudere la valvola (pacco lamellare) in base alle condizioni di pressione che ci sono a monte (carburatore) e valle (carter) del pacco.

Le lamelle devono avere quindi delle caratteristiche meccaniche che in base alle condizioni di pressione che ci sono di aprirsi adeguatamente per far entrare quanto più fluido possibile e poi di richiudersi bloccando il riflusso.

La difficoltà del dimensionamento delle lamelle nasce dal fatto che le condizioni di pressione cambiano continuamente durante il ciclo motore e durante i regimi, e soprattutto variabili da motore a motore.

La determinazione delle condizioni in cui si troveranno a lavorare le lamelle è fondamentale per affrontare lo studio, ma è tutt’altro che semplice, infatti si dovrebbero rilevare durante il ciclo motore le pressioni a monte e valle del pacco lamellare, in tutti i regimi di rotazione di interesse, e ciò all’atto pratico risulta molto complesso e dispendioso, Fortunatamente conoscendo le caratteristiche del motore, le prestazioni del motore, ed i regimi di rotazione, con appositi software si riescono ad avere delle stime precise delle condizioni di pressione che si avranno in funzionamento e quindi si potrà affrontare il dimensionamento in maniera corretta.

In primo luogo è necessario capire in quale range di condizioni si troverà a lavorare la lamella, infatti il motore non lavora ad un solo regime di rotazione, ma ha un campo di utilizzo e quindi è necessario trovare il miglior compromesso per tutta l’area di funzionamento.

Individuate queste condizioni bisogna dimensionare le lamelle affinché riescano a svolgere adeguatamente le seguenti funzioni:

  • scoprire il più possibile le finestre del pacco nelle diverse condizioni di pressione;
  • avere una resistenza strutturale tale da resistere ai cicli di apertura e chiusura che avvengono ogni giro motore;
  • avere una frequenza propria che eviti condizioni di risonanza con le frequenze del motore.
  

Note le condizioni si può studiare il dimensionamento per raggiungere gli obiettivi sopraccitati, e qui viene il bello!

Infatti il problema principale è quello di dover soddisfare tante necessità agendo in buona sostanza solo su due parametri, il materiale e lo spessore della lamella! In realtà oltre a questi, c’è una terza via, quella di abbinare balestrini, distanziali, ecc., ma la cosa si complicherebbe ancora di più e magari ne parleremo in un articolo dedicato.

Rimanendo al caso di lamella singola, sia la larghezza, sia la lunghezza dipendono dalle dimensioni delle finestre del pacco, quindi per quanto riguarda le dimensioni si può variare il solo spessore, e se ciò non è sufficiente, come dicevamo, non rimane altro che cambiare il materiale.,’ quindi è chiaro come il materiale della lamella, sia il punto chiave su cui lavorare per ottenere il risultato ottimale.

Tecnicamente parlando il materiale interviene sugli obiettivi che deve raggiungere la lamella principalmente per tre proprietà fisiche:

  • modulo di elasticità o di Young;
  • densità;
  • resistenza meccanica;

Il modulo di elasticità determina assieme al momento d’inerzia, di quanto si solleva la lamella sotto una certa differenza di pressione, e quindi è direttamente influente per soddisfare la necessità di scoprire il più possibile le finestre del pacco lamellare in base alle condizioni create dal motore.

Per ciò che concerne la frequenza propria che la lamella deve avere per non andare in risonanza con la frequenza del motore, oltre al modulo di elasticità, l’altra proprietà che interviene è la densità del materiale.

Infine la resistenza meccanica è fondamentale per evitare rotture durante il funzionamento e per garantire un’adeguata durata in funzione delle necessità.

Come abbiamo visto, a parte il discorso di resistenza meccanica, il materiale deve avere due proprietà che si sposino correttamente per soddisfare le necessità, infatti avere un corretto modulo di Young, ma una densità errata, e/o viceversa, non permetterebbe di ottenere il risultato richiesto in tutti i suoi aspetti.

Ovviamente i materiali tradizionali hanno proprie caratteristiche fisiche che non si possono modificare a piacimento e quindi le loro caratteristiche hanno un range molto limitato.

Il primo materiale che è stato usato per le lamelle era l’acciaio armonico, che come è noto, ha caratteristiche di elasticità e di densità che cambiano di poco da un tipo all’altro, pertanto la principale variabile su cui si interveniva quando si usava questo materiale, era lo spessore, che variava a seconda delle caratteristiche del motore e dei regimi di utilizzo.

Ovviamente questo era molto limitante, soprattutto quando nel tempo la crescita di prestazioni e regimi di rotazione dei motori ha portato a trovarsi in condizioni di funzionamento più critiche, a cui era difficile far fronte col solo spessore o con piccole variazioni di elasticità e di densità.

La svolta tecnica da questo punto di vista è stata con l’avvento dei materiali compositi,

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il composito per come è concepito permette di sperimentare con le fibre e le matrici modificando le proprietà fisiche del materiale finale, quello di cui si ha bisogno nella progettazione delle lamelle.

Il grafico mostra quanto detto per i materiali, con l’acciaio (azzurro) che ha un limitato campo di manovra a confronto con i compositi in fibre di vetro (verde) e quelli in fibre di carbonio (rosso).

Se da un punto di visto tecnico, appare quindi più facile trovare grazie ai compositi il materiale che soddisfi le necessità nelle diverse situazioni, da un punto di vista pratico, non è così.

Facciamo un esempio per capire meglio:

Come abbiamo appena visto nel grafico precedente,  il carbonio permette un campo di manovra più ampio , per cui sperimentando con le varie  fibre e matrici , possiamo ottenere a parità di spessore differenti caratteristiche,  nell’esempio riportato , i due materiali ottenuti dalla nostra sperimentazione  avranno sia caratteristiche  differenti ,sia  differenti  applicazioni finali  in base al tipo di  cilindrata, utilizzo e pacco lamellare che si presenti.. tutto questo pur essendo dello stesso spessore

Ecco cosa accade istallando i materiali appena descritti sul medesimo motore e pacco lamellare a parità di condizioni di pressione generate dal motore in esame…

Con un altro esempio, installiamo sul medesimo motore e valvola lamellare due materiali  aventi sia proprietà fisiche differenti, ed in questo caso anche di spessore.

Come si potrà notare, modificando le proprietà fisiche del materiale finale, lo spessore maggiore in questo caso offre migliori risultati rispetto al minor spessore …!!!????

Questo, a discapito di quello che solitamente si vocifera, significa che non sempre il maggior spessore è sinonimo di ” necessariamente più rigida “…

Da ciò possiamo capire che nella ricerca e sviluppo dei materiali in fibra di carbonio, lo spessore sia in realtà solamente un numero…Pertanto, senza un adeguato studio dei componenti di alimentazione sulla base del motore in esame, non si può stabilire a priori quale sia lo spessore corretto da adottare, ed altre caratteristiche che devono avere le lamelle per ogni singolo motore.

Sebbene l’utilizzo di materiali compositi sia sempre crescente, le produzioni adatte all’utilizzo nelle lamelle è limitata.

Nella maggior parte dei casi ci affidiamo al materiale che troviamo in commercio sotto forma di fogli o lastre, ma viste le innumerevoli cilindrate esistenti, varie tipologie di valvole lamellari ecc., il materiale acquistato può risultare idoneo ad un caso piuttosto che ad un altro.

Altra problematica che si incontra con i materiali compositi per lamelle in commercio è che le caratteristiche fisico-meccaniche non vengo mai dichiarate, pertanto la scelta avviene per tentativi con il classico metodo trial & error, ed alla fine non si ha mai la certezza di aver trovato il meglio per il nostro motore.

Per questo motivo, MotoMeccanica con un proprio strumento abbinato ad un apposito programma, consente di determinare le caratteristiche fisico-meccaniche dei materiali e delle lamelle in commercio, ciò le permette di valutare con cognizione di causa se un materiale commerciale può essere adatto o meno alle specifiche necessità di ogni motore e pacco lamellare che di volta in volta si presenta.

Tuttavia può accadere che tra tutto quanto vi è in commercio, non ci sia davvero l’ottimale, pertanto MotoMeccanica in base alle caratteristiche che appaiono necessarie dai calcoli e dalle prove sperimentali che effettua per ogni singolo sviluppo, richiede ai costruttori di compositi specifiche caratteristiche, lavorando sulle trame, spessori, tipologia delle fibre, e sul materiale della matrice, al fine di ottenere il materiale idoneo per il nostro motore.

Come avete visto in questo articolo dietro ad una semplice lamella si nasconde tanta tecnica, ed ancora molto altro ci sarebbe da dire, ma questo lo faremo in un prossimo articolo.

Area Sviluppo

La passione per la tecnica e per le evoluzioni motoristiche hanno consentito a MotoMeccanica di accumulare nel corso degli anni molta esperienza anche in questo ambito.

Con motori e componenti sempre più evoluti è stato però indispensabile unire alla propria esperienza e competenza, un metodo di lavoro che consenta in primo luogo di studiare lo sviluppo ed in secondo luogo di testarlo in maniera efficace.

MotoMeccanica si è quindi dotata di software e strumenti per analizzare e studiare il motore ed i suoi componenti e quindi poter affrontare lo sviluppo nella corretta direzione ed in base alle specifiche necessità del cliente.

Ad esempio per quanto riguarda il motore a 2 tempi, MotoMeccanica si è specializzata nello sviluppo dei carburatori per migliorarne l’efficienza e ridurre le perdite fluidodinamiche. Si è quindi dotata di un software per la determinazione della geometria ottimale del cornetto d’imbocco in base alle condizioni di funzionamento e all’applicazione che avrà il carburatore.

Esempio cornetti calcolati per carburatore Dellorto VHST

Stesso discorso per il pacco lamellare, dove le problematiche principali sono lo studio dell’inserto e la scelta delle lamelle. Per il primo aspetto MotoMeccanica si è dotata di un software a base fluidodinamica che in base alle caratteristiche del pacco lamellare, fornisce la geometria primaria che dovrebbe avere l’inserto per ridurre le perdite. Per il secondo MotoMeccanica è andata oltre, infatti spesso i costruttori di lamelle non ne forniscono le caratteristiche, quindi, dato che prima di evolvere, bisogna conoscere, MotoMeccanica si è sviluppata uno strumento artigianale che consente di individuare le caratteristiche tecniche principali delle lamelle o del materiale disponibile sul mercato. Conoscendo le caratteristiche delle lamelle, MotoMeccanica grazie ad un apposito software ne studia poi il comportamento sul pacco lamellare e procede allo sviluppo in relazione alle caratteristiche e alle esigenze del motore su cui è applicato.

Inserti guidaflussi dal pieno per pacco lamellare
Esempi di lamelle in carbonio di diversa composizione

Questi sono solo alcuni esempi delle fasi di studio che MotoMeccanica affronta, che in generale spaziano dai singoli componenti all’intero motore.

Terminata la fase di studio del componente migliorativo è fondamentale procedere a test di verifica per controllare l’efficacia degli studi fatti e per effettuare eventuali affinamenti al fine di garantire un risultato ottimale, MotoMeccanica si è quindi dotata di apposite strumentazioni.

In primo luogo dispone di un banco di flussaggio che è stato ottimizzato per analizzare nel dettaglio il flussaggio delle diverse tipologie di elementi:

  • carburatore corpi farfallati – cornetti di aspirazione;
  • pacco lamellare ed inserti;
  • condotti e luci del cilindro;
  • condotti entro-testa.
Studio e flussaggio di una testata 4t
Sviluppo condotto aspirazione / corpo farfallato 2t e flussaggio

Infine MotoMeccanica si è dotata di un banco prova motore che ha posto in una sala completamente insonorizzata , con sistema di climatizzazione e ricambio aria, al fine di mantenere una temperatura costante all’interno della stanza e quindi di poter ripetere le prove nelle stesse condizioni climatiche. Ha unito inoltre al banco prova una serie di software ed un’acquisizione dati che permettono di monitorare i vari parametri nel funzionamento del motore, potendo valutare immediatamente una serie di informazioni utili per la messa a punto ottimale del motore.

Grazie a questo banco MotoMeccanica è quindi in grado di verificare il risultato finale di tutti i lavori svolti, e di provare concretamente gli sviluppi ed i miglioramenti che vengono studiati per i vari componenti e per il motore stesso.

Curva di potenza durante una prova al banco
Esempio di uno dei software utilizzati per la messa a punto
Reparto prove motori

Come avete visto da questa breve descrizione MotoMeccanica effettua lo sviluppo dei componenti e del motore senza lasciare nulla al caso, ciò le consente di poter soddisfare le esigenze più diversificate e di effettuare studi specifici per le necessità del cliente.

La Tecnica del Flussaggio

Con questo articolo vogliamo soddisfare la curiosità dei visitatori … svelando … ahinoi … qualche piccolo segreto, che fa la differenza tra un buon flussaggio e un flussaggio!

Come ci insegna la fisica, quando un fluido attraversa un componente, inevitabilmente il flusso perde parte della sua forza, in quanto per via della forma, degli attriti, degli ostacoli che si hanno all’interno del componente, si creano delle perdite fluidodinamiche che riducono la portata.

Il motore da un punto di visto fluidodinamico, lo si può considerare un insieme di diversi componenti attraversati ciclicamente da un fluido, infatti ad ogni ciclo l’aria entra dall’aspirazione e dopo aver compiuto tutte le fasi esce dallo scarico.

Potete quindi ben capire come per ogni componente del motore sia importante ridurre le perdite fluidodinamiche, per ottenere una portata più alta e quindi migliorare le prestazioni.

Nello sviluppo di un motore, parallelamente alla ricerca dell’affidabilità meccanica, il miglioramento dell’aspetto fluidodinamico riveste uno dei ruoli chiave per giungere a livelli di prim ’ordine, sia in ambito produttivo, sia in ambito racing.

Per ciò che concerne la fluidodinamica del motore, oltre alla simulazione fluidodinamica, che consente la definizione delle geometrie, delle fasature, ecc. per trovare l’accordatura ottimale tra tutti i componenti, sfruttando al meglio le onde di pressione che si generano per via del funzionamento dinamico del motore, il flussaggio dei componenti è ancora oggi una delle fasi fondamentali per ottimizzare le prestazioni del motore.

Infatti, una volta che un motore ed i suoi componenti sono stati definiti, più si riducono le perdite e più le prestazioni aumentano, e ciò è vero per ogni motore.

Il flussaggio è una prova sperimentale, dove si crea una prefissata differenza di pressione tra ingresso e uscita del componente e si misura la portata di fluido, (in ambito motoristico aria) che attraversa il componente stesso.

Fin qui sembra tutto facile, basta vedere se il componente modificato ha più portata a parità di pressione ed il gioco è fatto. E qui invece nascono i problemi.

Innanzitutto bisogna considerare che il motore ha un funzionamento dinamico, che cambia istantaneamente ogni grado motore e che si ripete ciclicamente a tutti i numeri di giri, mentre invece il flussaggio determina condizioni stazionarie che mai si presentano nel motore.

Da qui nasce la prima domanda, i risultati del flussaggio sono attendibili e si riscontrano poi nel motore?

La risposta è si, ma …. ma solo se la prova viene eseguita in condizioni adeguate!

Infatti le perdite fluidodinamiche cambiano a seconda delle condizioni di moto che si generano (Numero di Reynolds, ecc.), pertanto se si flussa in condizioni lontane da quelle in cui poi si troverà a lavorare il componente, i risultati del flussaggio potrebbero essere fuorvianti, o addirittura opposti, basti pensare a cosa accade nelle valvole, a basse, medie e alte alzate, il filetto fluido cambia continuamente comportamento creando o meno vortici a seconda della condizione e questo vale anche per altri componenti, quindi se le condizioni di flussaggio non sono esatte, l’informazione che si ottiene dalla prova sarà errata.

MotoMeccanica si è quindi dotata di specifici software che consentano di analizzare nel dettaglio le condizioni di prova e capire quali siano le differenze di pressione da utilizzare a seconda del motore e del componente che si sta flussando.

Questo è il primo aspetto che permette di avvicinarsi il più possibile alle condizioni in cui si troverà a lavorare il componente nel funzionamento del motore, quindi se la prova di flussaggio darà un miglioramento, lo si ritroverà certamente anche nelle prestazioni del motore.

Abbiamo detto che è fondamentale cercare di ricreare al flussaggio le condizioni più simili possibile a quelle che si avranno nel motore, ed oltre alla pressione, che consente di creare un flusso simile a quello che si avrà nel motore, sarà importante anche considerare dov’è posizionato nel motore il componente che si sta flussando e cosa accade a monte e a valle del componente stesso.

Due esempi ci aiuteranno a capire meglio: quando si flussa una testata, di solito la si flussa senza applicare collettori, cornetti, ecc. questo quando si vuole vedere il comportamento dei condotti entro-testa, tutto ciò è “quasi” corretto, infatti senza saperlo si genera una perdita che nella realtà non c’è, ovvero  la perdita d’imbocco, che a volte può alterare il risultato, discorso simile quando si flussa il pacco lamellare, solitamente lo si flussa posizionandolo direttamente sul banco di flussaggio , però in tal modo a valle si crea un flusso differente da quello reale, in quanto nel carter lo spazio è definito dalla geometria del condotto stesso, ed il flusso ha modo di procedere in una direzione pressoché monodimensionale, mentre nel falso cilindro di un banco di flussaggio può crearsi un flusso tridimensionale che nella  realtà non c’è ,alterando cosi il risultato e quindi ottenere  false informazioni dalla prova.. Da questo potete chiaramente capire da dove nasce l’annosa questione… Che al flussaggio andava meglio… ma poi al banco o in pista il miglioramento non si vede…

MotoMeccanica cerca di curare le condizioni di prova di flussaggio applicando opportuni cornetti, eseguendo le prove con condotti che simulano il carburatore, inserendo falsi carter, ecc.  in modo tale che il risultato sia il più realistico possibile e che quindi lo si ritrovi in un miglioramento reale delle prestazioni del motore.

Questo è solo l’inizio dei tanti aspetti da considerare per fare prove di flussaggio che aiutino a sviluppare componenti che veramente migliorino le prestazioni del motore … seguiteci e magari prossimamente vi racconteremo qualche altro aspetto tecnico da curare!