Questo documento fornisce una descrizione degli elementi essenziali coinvolti nella progettazione di una biella in alluminio a 2 tempi. Iniziamo descrivendo cos’è una biella, i problemi storici associati alla progettazione di una biella a 2 tempi e perché questa biella è importante. Il lettore viene introdotto ai componenti principali della progettazione di una biella, dai processi di lavorazione alle nuove tecnologie disponibili, tra cui la selezione dei materiali, le considerazioni sulla lubrificazione, i progressi del rivestimento e i trattamenti dei materiali. Inoltre, in tutto il documento ascolti esperti del settore che esprimono le loro opinioni sul fatto che questa canna possa essere costruita e utilizzata con i progressi di oggi.
Gli alti e bassi della progettazione di una biella a 2 tempi
Era la gara del campionato, una gara che avrebbe conferito al vincitore il riconoscimento del titolo mondiale e un milione di dollari di paga. Rodney Steele era pronto e aveva un’arma segreta: una rivoluzionaria biella in lega di alluminio MSV Racing che era stata installata nella sua moto da corsa a 2 tempi CR5OOR. Questa tecnologia innovativa consentirebbe al suo motore di girare più rapidamente, produrre più potenza grazie al minor peso alternativo, oltre a ridurre le vibrazioni, rallentando la fatica di Steele mentre correva.
I corridori erano pronti sulla linea di partenza, accendendo i motori — “braap braaaaapp!”
Steele si sentiva sicuro delle sue capacità e della sua macchina. La bandiera verde è caduta e la gara è iniziata! Steele è stato in grado di entrare nella fascia di potenza all’istante, accelerando il suo nemico alla prima curva, prendendo il tiro in buca. I piloti hanno girato la prima curva e, ancora una volta, è stato in grado di sbaragliare la concorrenza. Con il progredire della gara ha continuato ad aumentare il suo vantaggio.
All’ultimo giro della gara, Steele aveva un vantaggio di mezzo giro sui suoi compagni di gara. Ha tagliato il traguardo alzando il pugno in segno di vittoria. Alla conferenza stampa del vincitore, Steele ha ringraziato la federazione, i suoi allenatori, gli sponsor e, soprattutto, MSV Racing, per aver costruito la sua moto che domina il mondo.
I fanatici accaniti delle moto, in particolare delle moto a 2 tempi, sono sempre alla ricerca di modi per personalizzare, aggiornare e migliorare le prestazioni delle loro moto. Circa 10 anni fa, chi scrive si chiedeva perché nessuno producesse bielle in alluminio per motori a 2 tempi a grandezza naturale.
Durante la ricerca dell’argomento online e le richieste di informazioni ad amici e conoscenti del settore, il consenso era che non poteva essere fatto in quel momento. Come afferma Ensign (2015), “l’attrito, l’espansione termica e la resistenza dell’estremità dello stelo sono le considerazioni più importanti…” Passarono molti anni e si resero disponibili le conoscenze sui recenti progressi nelle leghe di alluminio, nei rivestimenti e nei processi di trattamento dei metalli. Ciò ha sollevato la vecchia domanda: una persona può progettare una biella a 2 tempi in alluminio che funzioni per un determinato periodo di tempo? Millar (2015) afferma, “rivestimenti, leghe e trattamenti criogenici stanno avanzando rapidamente, ci sono sicuramente buone probabilità che con questi processi avanzati sia realizzabile”. Ensign (2015) è d’accordo, affermando: “Sì, penso che la scienza dei materiali stia progredendo ogni giorno, ci sono molte leghe di alluminio ad altissima resistenza prontamente disponibili al pubblico in generale, così come opzioni di trattamento dei materiali secondari. Sembra una combinazione di moderni materiali, rivestimenti e/o finiture si tradurrebbero in un’asta utilizzabile in alluminio a 2 tempi.” Poiché questa conoscenza è ora disponibile, l’idea di creare questa canna può ora essere portata a compimento.
Cos’è una biella? In un motore a pistoni a combustione interna, una biella è il collegamento che trasferisce il movimento avanti e indietro del pistone in un movimento alternativo alla manovella. Questo movimento rotatorio si trasferisce quindi dalla manovella alla frizione e viene quindi moltiplicato nella scatola del cambio. Infine, questo movimento si sposta dal motore alle ruote posteriori tramite la catena e le ruote dentate. A seconda del peso della biella, il modo in cui il motore reagisce può essere drasticamente modificato. Worbes (2015) afferma che “il peso è ovviamente il più grande vantaggio nell’usare un’asta di alluminio”. Millar (2015) ritiene che “le caratteristiche prestazionali del motore sarebbero il vantaggio dell’asta di alluminio. Alleggerire il peso del bob ridurrebbe l’inerzia e l’armonica del motore. L’asta può anche smorzare l’effetto di detonazione.” Ensign (2015) è d’accordo e osserva: “Penso che sarebbe ragionevole aspettarsi alcuni miglioramenti della risposta dell’acceleratore, nonché un aumento della potenza del motore a causa della massa alternativa inferiore”. Un’asta più leggera riduce il peso alternativo, consentendo al motore di girare più rapidamente e assorbendo meno potenza per far girare la pedivella. Ciò consente al motore di aumentare la potenza più rapidamente senza altre modifiche.
La maggior parte delle bielle è realizzata in acciaio cementato. Nelle applicazioni ad altissime prestazioni e ad alto numero di giri, è necessaria una riduzione del peso, quindi alluminio (Al), titanio (Ti) o composito a matrice metallica (MMC) sono i materiali di riferimento. Al è il metallo preferito in molti casi. È forte, più leggero e molto meno costoso di Ti e MMC, oltre a essere molto più facile da lavorare. Al è il 60% più leggero dell’acciaio, il 40% più leggero del Ti e il 15% più leggero dell’MMC. Questo enorme risparmio di peso riduce notevolmente il peso alternativo, il che può portare a una guida più veloce ed efficiente.
Tuttavia, ci sono anche problemi con l’alluminio puro. È considerato un metallo tenero e non può essere utilizzato nella maggior parte delle applicazioni senza l’aggiunta di altri metalli come rame, magnesio e zinco, solo per citarne alcuni che creano leghe di alluminio. Con le leghe di Al che non sono resistenti come l’acciaio, generalmente è necessaria più lega di Al per compensare la resistenza e considerazioni speciali prese quando è richiesta la durezza. Ciò consente ancora una canna notevolmente più leggera, ma occupa più spazio.
La maggior parte delle bielle in lega di alluminio sono realizzate in 7075-T6511. Si tratta di una lega di Al molto resistente utilizzata in molte applicazioni di trasporto, da automobili, motocicli e aeroplani ad alte prestazioni, all’aerospaziale, dove sono necessarie leggerezza ed elevata resistenza. Quando si utilizza la lega di alluminio per le bielle, è necessario un trattamento termico speciale per aumentare la resistenza e di solito vengono installati inserti per proteggere l’alluminio nel punto in cui si attacca al pistone e alla manovella. È anche comune con le bielle in lega di Al trattare criogenicamente l’asta. Questo processo porta lentamente l’asta a meno 300 gradi Fahrenheit utilizzando azoto liquido per un periodo di tempo specificato, quindi riporta lentamente a temperatura ambiente. Questo processo allinea le molecole di Al in una struttura molecolare molto più stretta, aggiungendo notevolmente più forza e durezza. Roger (2015) afferma: “il tipo criogenico di trattamento della canna che effettuo renderà il rivestimento, la canna e altre parti più forti e migliorerà la resistenza della canna”.
Per l’asta Al di Rodney Steele, è stato utilizzato un tipo più recente di lega Al-7068-T6511. Questa lega di alluminio è considerevolmente più forte e più dura della 7075-T651. La pubblicità di Kaiser Aluminium (2000) informa i potenziali utenti che “i dati del settore documentati mostrano che 7068-T6511 ha un carico di rottura tipico di 103 ksi rispetto a un prodotto simile prodotto da 7075-T6511 che avrebbe un carico di rottura tipico di 93 ksi. ” E poiché 7068-T6511 richiede meno materiale per resistenza e durata, l’asta è ancora più piccola e leggera di una canna 7075-T6511 comparabile. Anche l’asta di Steele è stata trattata criogenicamente.
Affinché 7068-T6511 possa vivere come una biella a 2 tempi, deve avere i fori dei cuscinetti rivestiti con Diamond Like Carbon (DLC). Il DLC è un materiale in carbonio che mostra alcune delle caratteristiche del diamante. I principali fattori di DLC sono durezza, scorrevolezza e resistenza all’usura. Non tutti i rivestimenti DLC sono uguali e l’asta in lega Al di Steele aveva una versione speciale. Bikram (2015) spiega che “i DLC (rivestimenti molto duri) in generale non sono adatti a substrati morbidi come l’Al. Lo speciale DLC di Richter è stato progettato per ridurre al minimo le sollecitazioni interne e migliorare l’adesione ai substrati come l’AL”.
Le bielle in lega di alluminio sono utilizzate da molti anni nelle applicazioni a 4 tempi. La moto da corsa di Steele è stata la prima volta che è stata utilizzata con successo in un’applicazione da corsa a 2 tempi. Questo nuovo design dell’asta in alluminio a 2 tempi ha la capacità di migliorare notevolmente le prestazioni di qualsiasi applicazione a 2 tempi tra cui, ma non solo, Supermoto, Motocross, Sand Drags, Ice Racing, Circle Track, Karting e Snowmobile Racing.
Ci sono molti ostacoli da superare quando si progetta una biella in alluminio a 2 tempi. Innanzitutto, è necessario capire come funziona un sistema di lubrificazione del motore a 2 tempi. Un motore a 2 tempi non ha olio motore in una padella che viene forzata attraverso il motore con una pompa dell’olio come un motore a 4 tempi. Come osserva Ensign (2015), “il basamento non ha un sistema di alimentazione dell’olio pressurizzato”. Le fasce elastiche di un 2 tempi, l’alesaggio del cilindro, i cuscinetti dell’asta e i cuscinetti della manovella sono tutti lubrificati dall’olio miscelato nel carburante. Two Stroke Tuner’s Handbook (1973) fornisce informazioni sul miglioramento dell’oliatura dei cuscinetti delle bielle affermando che “… a volte si può migliorare l’affidabilità dei cuscinetti aprendo leggermente i canali dell’olio alle estremità della biella e smussando i bordi del canale dell’olio”.
Una normale biella a 2 tempi è realizzata in acciaio cementato e presenta cuscinetti ad aghi sull’estremità di attacco del pistone (perno di polso) e sull’estremità di attacco della manovella (perno di manovella). Millar (2015) afferma che “anche la resistenza del materiale per supportare i cuscinetti a rullini all’interno dell’alluminio può rappresentare un problema”. La biella di Steele ha eliminato questi cuscinetti utilizzando uno speciale rivestimento DLC sui fori del cuscinetto dell’asta, sul perno da polso e sul perno di manovella, rendendo l’asta più forte e in grado di gestire ancora gli 11.000 giri/min che vedrebbe il suo motore. 7068T6511 doveva essere usato a causa della sua grande resistenza ed era abbastanza duro dopo il suo trattamento criogenico da essere il materiale di supporto per il DLC estremamente duro, ma fragile.
Il prossimo ostacolo da considerare è la costruzione dell’asta. Dovrebbe essere fuso, ricavato dal pieno o forgiato? Con la colata, l’alluminio fuso viene versato in uno stampo, lasciato raffreddare e quindi lavorato secondo le specifiche. Questo sistema funziona bene per costruire una grande quantità di componenti Al con un determinato budget. Tuttavia, lo svantaggio è che tendono a non essere forti come forgiati o billet. Forgiato è quando un pezzo di alluminio riscaldato viene martellato nella forma desiderata da uno stampo di forgia che utilizza centinaia di migliaia di libbre di forza. Questo metodo crea parti molto resistenti mantenendo intatta la struttura del grano Al, ma è molto costoso. La canna di Steele è billetta. L’asta di alluminio billet è stata lavorata da un blocco solido di 7068-T6511. Questo processo consente lavorazioni estremamente precise e dettagliate.
Un altro ostacolo alla creazione di una biella in alluminio a 2 tempi è la mancanza di spazio per l’asta nel motore. Ensign (2015) spiega: “lo spazio molto ristretto potrebbe rivelarsi un problema”. In un motore a 2 tempi, lo spazio tra la parte inferiore della biella e il carter motore al punto morto inferiore (PMI), (dove il pistone è più lontano dalla candela) è di pochi millimetri. Questo è un altro motivo per cui è molto difficile usare Al ed è il motivo principale per rimuovere i cuscinetti a rullini. Ciò consente di ridurre i fori dei cuscinetti dell’asta consentendo l’aggiunta di più materiale Al aumentando la resistenza.
Ultimo ma non meno importante è la crescita dell’asta di Al. Maley (2015) afferma che “i tassi di espansione saranno un problema enorme”. Quando la lega di alluminio si riscalda, si espande molto più dell’acciaio. Viene presa molta considerazione per garantire che il gioco tra biella e perno del pistone, tra biella e perno di manovella e la lunghezza complessiva dello stelo sia sufficiente per non creare un accoppiamento fuori specifica e il pistone non si avvicini troppo alla testata del cilindro. Un vantaggio del 2 tempi è che lo stelo non si surriscalda come un 4 tempi perché non tocca l’olio motore caldo ed è raffreddato dalla miscela aria fresca/carburante che si verifica ad ogni corsa del pistone.
Il tasso calcolato per l’espansione termica di Al 7068-T6511, per trovare la crescita complessiva dell’asta in lunghezza è 0,0000014 pollici (espansione termica di Al) / pollici (lunghezza dell’asta da centro a centro) F. (temperatura media asta). Tipicamente questo calcolo usa 200*F per una canna a 4 tempi doveva essere calcolato, ma per un 2 tempi si usa 160*F. Ciò significa che per il calcolo dell’asta di Steele .000014″ x 5,67″ x 160*F = .012″ di crescita complessiva dell’asta. Ciò è stato ulteriormente verificato mettendo l’asta in lega AL di Steele in un forno a 160*F per 1 ora e misurando la lunghezza complessiva dell’asta e la crescita dei fori del cuscinetto. Questo ha permesso a MSV Racing di calcolare e progettare da vicino la canna per funzionare al meglio, garantendo lunga durata e massime prestazioni. Worbes (2015) osserva inoltre, “…Penso che l’alluminio sia ancora un vantaggio perché dissipa il calore più velocemente. Non credo che vedrà le alte temperature come un motore a 4 tempi.”
La progettazione e la costruzione della biella MSV Racing Al di Steele sono state eseguite in Solid Works, un programma di modellazione e disegno assistito da computer (CAD) che consente di costruire e testare l’asta tramite un software di simulazione. Con un software di simulazione chiamato Finite Element Analysis (FEA), è possibile applicare sollecitazioni programmate all’asta virtuale e il computer esegue simulazioni per trovare i punti deboli. Ciò consente di progettare e testare l’asta prima che venga lavorata e installata nel motore, riducendo notevolmente la possibilità di guasto. Ensign (2015) fornisce una panoramica del suo processo di progettazione di un’asta affermando: “Passerei molto tempo a elaborare qualsiasi risultato di progettazione fornisca il design più forte all’estremità dell’albero motore dell’asta”.
La vittoria di Rodney Steel con l’innovativa biella in lega di alluminio a 2 tempi MSV Racing ha dimostrato che è possibile aggiungere prestazioni imbattibili a un motore a 2 tempi. Verranno depositati brevetti, verrà esplorato il marketing e MSV Racing venderà questo prodotto alle masse creando un business multimilionario. Con tutti gli ostacoli associati alla costruzione della biella in lega di alluminio a 2 tempi a grandezza naturale in questo modo, è possibile che con il nuovo progresso tecnologico, questa nuova biella possa essere realizzata.
Bibliografia
- Ensign, J. (2015, 29 luglio). Gli alti e bassi della progettazione di una biella a 2 tempi in alluminio [intervista via e-mail].
Jacob Ensign, proprietario di Rogue Energies, è un ingegnere meccanico, macchinista, proprietario di un’officina meccanica e specialista in ricerca e sviluppo. Faceva parte del team Formula SAE dell’Oregon Institutes of Technologies ed era capitano del team motori. Ensign progetta e costruisce praticamente qualsiasi cosa, da parti di motociclette speciali, tra cui ruote da corsa su strada personalizzate, bracci oscillanti e sistemi di raffreddamento specializzati, cestelli frizione e volani ricavati dal pieno e alleggeriti, per non parlare di motociclette elettriche e ATV. È anche coinvolto negli sport motoristici, progettando e costruendo molte parti personalizzate tra cui bilancieri ricavati dal pieno per motori da corsa altamente specializzati alla costruzione di veicoli diesel ibridi. - Jennings, G. (1973). Il treno a manovella. In Two-Stroke Tuner’s Handbook (1a ed., Vol. 1, p. 29). Tucson, Arizona: HP Books.
Questo libro del guru dei 2 tempi di fama mondiale Gordon Jennings è la bibbia definitiva per chiunque voglia conoscere e come mettere a punto il proprio 2 tempi per le massime prestazioni. È stato scritto nel 1973, ma molte delle informazioni sono molto rilevanti oggi.
Kaiser Aluminum. (2000). Lega ad alta resistenza e leggera 7068. Con sede a Foothill Ranch, in California, Kaiser ha 12 stabilimenti di produzione in Nord America, oltre 2.000 dipendenti, spedisce più di 500 milioni di libbre di prodotti all’anno e ha registrato entrate per oltre 1,3 miliardi di dollari nel 2012. - Kamboj, B. (2015, 28 luglio). Gli alti e bassi della progettazione di una biella a 2 tempi in alluminio [intervista via e-mail].
- Bikram Kimboj, P.Eng è Vice President of Operations (Richter Precision Inc.). Richter Precision è stata fondata nel 1978 ed è leader del settore nei rivestimenti di deposizione chimica da vapore (CVD) e deposizione fisica da vapore (PVD). Richter ha molti rivestimenti DLC speciali disponibili ed è l’unica azienda di rivestimenti DLC con un rivestimento DLC che può essere utilizzato con successo sui fori dei cuscinetti in alluminio.
- Maley, J. (2015, 28 luglio). Gli alti e bassi della progettazione di una biella a 2 tempi in alluminio [intervista via e-mail].
- Justin Maley ha un certo numero di campionati motociclistici statali e nazionali in molte discipline diverse e più di 14 anni come pilota professionista. Maley ha acquisito l’esperienza per testare moto e motori ai massimi livelli per molte aziende OEM e aftermarket. In passato ha lavorato con OEM come KTM NA e KTM Sport Motorcycle AG, HRC in Europa, Yamaha Motor Co, American Suzuki e Suzuki Canada, nonché società di Aftermarket come Akrapovic in Slovenia, Scarico Rocket, Race Tech, Tric Carbon e Caschi Bell. Maley ha anche lavorato con MTV e Discovery Channel su vari programmi e ha costruito aggeggi per Nitro Circus e Nitro Circus Live. Ha trascorso molti anni a costruire e mettere a punto motori per alcuni dei migliori team di corse del mondo. Maley è attualmente il direttore dello sviluppo del prodotto per l’American Motorsports Company (ARM) e proprietario di Maley Motorsports.
- Millar, A. (2015, 28 luglio). Gli alti e bassi della progettazione di una biella a 2 tempi in alluminio [intervista via e-mail].
- Adam Millar, della Millar Auto Machine Company, è cresciuto intorno ai motori da corsa, in particolare agli estrattori di trattori. Molti dei motori sono stati bruciati Chevrolet big block. L’azienda di famiglia aveva lavorato direttamente con i produttori dei componenti del motore che avevano ottenuto enormi guadagni in termini di potenza e durata, il che significa una notevole quantità di ricerca e sviluppo. Essendo coinvolto non solo con le parti, ma parlando di teoria con suo padre e gli altri coinvolti, ha acquisito una grande comprensione di ciò che funziona. Grazie al suo lavoro di assistenza per gli sport motoristici e al coinvolgimento nello sviluppo di motori a 2 tempi in rapido aumento, i clienti si rivolgono a lui dopo essere stati battuti o aver visto i suoi motori in uso. Adam ha realizzato motori basati su Honda CR500 per gareggiare alla massima velocità nelle saline, sulla spiaggia in Australia, motoclette convertibili Timbersled in Canada e negli Stati Uniti, supermoto, MX, cronoscalata, drag racing, gare nei boschi e innumerevoli altri clienti in tutto il mondo.
- Schiradelly, R. (2015, 28 luglio). Gli alti e bassi della progettazione di una biella a 2 tempi in alluminio [intervista via e-mail].
- Roger Schiradelly di Controlled Thermal Processing, Inc., è uno specialista nella tecnologia delle corse, con più di quarantacinque anni di esperienza nelle corse. Ha molte innovazioni da corsa al suo attivo e più di 20 anni di esperienza nella lavorazione criogenica. Ha costruito e progettato molti motori con barre di alluminio sovralimentate (carburante superiore) e ha anche lavorato con piccoli motori da corsa, motori a 2 e 4 tempi con diversi tipi di barre di alluminio e acciaio. È anche uno strumento certificato e un produttore di stampi.
- Worbes, M. (2015, 27 luglio). Gli alti e bassi della progettazione di una biella a 2 tempi in alluminio [intervista via e-mail].
Matt Worbes, proprietario di M-Tech, ha molti anni nel campo degli sport motoristici e ha un curriculum impressionante. È facile capire perché Worbes sia stato consultato per questo articolo. È stato coinvolto in molti dei migliori team di corse, incluso come meccanico di gara Yamaha; Ricerca e Sviluppo tecnologia a due tempi e sospensioni; Pro-Tec Performance Products, 1992-1996 meccanico per Chris MacCluggage, Watercraft Racing con più vittorie; meccanico ufficiale Kawasaki, 1999 per Doug Chandler con tre vittorie e secondo nel campionato AMA; Capo equipaggio per Eric Bostrom (Kawasaki Factory Team) 2001, 2002 vittorie multiple e podi, secondo posto titolo AMA 7505B, primo posto titolo 600SS e molti round del Mondiale Superbike; direttore di ricerca e sviluppo per il programma drag bike NHRA di Muzzy; Tecnico di ricerca e sviluppo per lo sviluppo del motore MotoGP a quattro tempi del Proton Team KR V5; consulente per il Rockwall Honda Race Team 2008 in Elettronica e Motori con Aaron Gobert, ottenendo i primi dieci piazzamenti in AMA Formula Extreme e 600 Supersport. Matt ha costruito il motore per la Honda CBR 1000 del 2008 guidata da Leslie Porterfield. La Honda CBR 1000 di Porterfield ha stabilito un nuovo record mondiale per la moto di serie più veloce.
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