Tune up: i cuscinetti di biella

Come sono fatti, come funzionano e come ottenere il massimo dai vostri cuscinetti di biella

I cuscinetti del piede e della testa di biella spesso non sono presi in considerazione dai preparatori meno esperti come dovrebbero: ecco una sere di utili informazioni per chi volesse approfondire l’argomento

Abbiamo avuto modo di approfondire la tematica relativa alle bielle dei motori 2 tempi da competizione, analizzando tecniche costruttive, materiali, lavorazioni, dimensionamenti e selezione dei migliori componenti per i nostri motori. E’ ora giunto il momento di prendere in considerazione dei componenti che, il più delle volte, vengono erroneamente sottovalutati: i cuscinetti di biella. E’ incredibile come in alcune discipline motoristiche ci sia una ricerca spasmodica del migliore accoppiamento asse/cuscinetto/biella (karting) e in altre (come nel mondo degli scooter) ciò non avvenga. Eppure, per poter contare su un motore affidabile e sufficientemente scorrevole, questi cuscinetti hanno la stessa importanza di quelli di banco!

Detto questo, iniziamo a ripetere alcune definizioni di importanza fondamentale per non perdere il bandolo della matassa andando avanti con il nostro discorso. Per prima cosa chiameremo testa di biella il foro in cui viene inserito il perno di manovella, ovvero il perno che collega la biella stessa all’albero motore; chiameremo invece piede di biella il foro che serve a connettere la biella al pistone. Durante il funzionamento di un motore l’asse inserito nel piede di biella compie soltanto delle oscillazioni, mentre quello della testa di biella compie delle rotazioni complete. Qualcuno potrebbe pensare, a questo punto, che il cuscinetto della testa di biella è quello maggiormente stressato tra i due: può anche essere vero, ma molto dipende dalla tipologia costruttiva del motore e poi, soprattutto, bisogna tenere in considerazione il fatto che il cuscinetto della testa di biella è molto più grande e meglio supportato di quanto non avvenga per il cuscinetto del piede. E’ anche importante ricordare che il cuscinetto del piede di biella sopporta dei carichi più elevati relativamente alle sue dimensioni di quanto faccia il cuscinetto della testa di biella. I cuscinetti di biella dei motori 2 tempi sono costituiti da gabbie a rulli; i fori di biella e i perni (spinotto pistone e asse dell’albero motore) sono le piste su cui scorrono i rulli stessi: basta una piccola ovalizzazione, una finitura superficiale non idonea, un trattamento termico non adeguato o un disallineamento tra i fori di biella per portare i cuscinetti a non lavorare nel migliore dei modi e a distruggere le gabbie (con conseguenze drammatiche per il motore) in breve tempo.

La cementazione, ovvero il trattamento termico volto ad incrementare la durezza e la scorrevolezza delle parti su cui lavorano i rulli dei cuscinetti, raggiungono una durezza superiore ai 60 punti Rockwell (fino ad una profondità di circa 1 mm per la testa di biella e 0,5 mm per il piede di biella) ed una rugosità superficiale Ra prossima ai 15 micron. Per quanto riguarda la selezione delle bielle, è di fondamentale importanza che in un motore destinato alle competizioni l’ovalità non superi i 5/1000 di mm e la conicità i 3/1000 di mm.

Le soluzioni dello spinotto montato su rulli sciolti o su boccole di bronzo sono ormai state abbandonate.

Le gabbie a rulli, che possono essere del tipo a rulli trattenuti o non trattenuti (soluzione utilizzata sui cuscinetti di biella dei motori da competizione), sono costituite da una gabbia in acciaio nitrurato (spesso sottoposta ad argentatura per migliorare la scorrevolezza e ridurre al massimo i rischi di avvitamento e/o grippaggio) in cui sono contenuti dei rulli in acciaio con funzione di corpi volventi.

Il cuscinetto del piede biella (o gabbia a rulli)

Generalmente i motori scooter 50 cc 2 tempi impiegano pistoni con spinotti di diametro 10 o 12 mm. Queste soluzioni garantiscono vantaggi e svantaggi a seconda del tipo di impiego. Uno spinotto 10 mm è solitamente più leggero e consente di impiegare una biella dotata di un foro del piede più piccolo e una gabbia a rulli a sua volta più leggera. Su un motore stradale da 50 cc con un pistone diametro 40 mm, uno spinotto da10 mm è più che sufficiente e, grazie alla riduzione del peso del complessivo biella, spinotto e gabbia a rulli, potrà avere qualche vantaggio (anche se minimo…) in termini di rapidità nella risposta e nella riduzione delle masse del manovellismo.

I problemi cominciano ad esserci quando i motori con pistoni spinotto 10 mm vengono elaborati in modo radicale. In questi casi si può montare una gabbia a rulli tubolare, nettamente più resistente di quelle convenzionali (come la Pinasco), oppure montare una biella ed un pistone con spinotto 12 mm. Alcuni costruttori, nelle più recenti evoluzione dei kit racing, hanno adottato uno spinotto da 13 mm in abbinamento ad una nuova gabbia a rulli, in grado di assicurare una maggiore rigidità complessiva a favore di una migliore affidabilità e una migliore scorrevolezza ai regimi di rotazione più elevati.

La soluzione della boccola in bronzo piantata nel piede di biella, alesata e forata per la lubrificazione dopo l’innesto per interferenza e ampiamente utilizzata su alcuni motori 50 cc elaborati negli anni ’70 e ’80 (Franco Morini UC4 e UC6, Piaggio Ciao, ecc…) è stata nel tempo abbandonata. E’ stata altresì abbandonata la soluzione dei rulli montati senza gabbia di trattenimento nel piede di biella, soluzione spesso foriera di rotture per via dei contatti che si generavano tra rullo e rullo (generati dai moti discordi di questi elementi volventi durante il funzionamento del motore).

Dida

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Due gabbie a rulli per pistoni spinotto 10 mm: una standard (a sinistra) e una tubolare Pinasco (a destra). La tubolare assicura una maggiore affidabilità rispetto alla gabbia standard su motori elaborati anche in modo piuttosto spinto. Su motori trofeo, invece, è obbligatorio impiegare pistoni con spinotto 12 mm.

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Differenza dimensionale tra una gabbia per spinotto 10 mm e una per spinotto 12 mm.

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La prova di scorrevolezza effettuata facendo ruotare lo spinotto all’interno della gabbia a rulli montata sulla biella è uno dei modi più semplici per selezionare un buon accoppiamento. Non tutte le gabbie, una volta montate, assicurano la stessa scorrevolezza

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Un esempio di accoppiamento del piede di biella: l’occhio di biella e lo spinotto fungono da piste del cuscinetto, i rulli da elemento volvente e la gabbia da elemento di trattenimento.

Il cuscinetto della testa di biella

Come accennato, compiendo delle rotazioni complete piuttosto che delle oscillazioni come il cuscinetto del piede di biella, la gabbia a rulli della testa di biella è quella che subisce il maggiore stress. Un cattivo accoppiamento perno/gabbia/biella si manifesta immediatamente con l’avvitamento e la rottura della gabbia. Per questa ragione occorre sempre essere estremamente precisi nella selezione dei cuscinetti (ed eventualmente dei rulli). Una cattiva o insufficiente lubrificazione, poi, tende sempre a manifestarsi con il danneggiamento di questo cuscinetto: se l’accoppiamento canna/pistone può lavorare anche con percentuali di miscelazione benzina/olio inferiori all’1%, ciò non accade per i cuscinetti di biella e, soprattutto, per quello del piede di biella!

Parimenti importante a livello dello scorrimento è la selezione e l’accoppiamento dei rasamenti in lega antifrizione (bronzo o, addirittura, bronzo berillio per i motori da competizione) con il complessivo in questione. I rasamenti hanno il compito di consentire lo scorrimento della testa di biella sulle masse volaniche evitando ingranamenti: in fase di accoppiamento dell’albero è essenziale che questi rasamenti, che devono essere perfettamente rettificati, garantiscano l’esatto gioco assiale. Una eccessiva riduzione del gioco assiale può portare alla fusione del rasamento e alla rottura del motore.

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Esempio di accoppiamento del cuscinetto della testa di biella. I rasamenti in lega di bronzo servono ad evitare gli ingranamenti tra la biella e le spalle dell’albero motore, entrambi in acciaio.

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La giusta tolleranza tra biella e rasamenti è indispensabile per ottenere una perfetta affidabilità del motore.

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Esempio di gabbia a rulli non trattenuti per testa di biella. Le gabbie a rulli non trattenuti sono quelle più utilizzate su motori da competizione e sono le preferite dai preparatori in quanto permettono di selezionare dimensionalmente i rulli con un apposito calibro millesimale.

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Per riaccoppiare una gabbia a rulli non trattenuti può essere di aiuto un po’ di nastro adesivo con cui cingere la gabbia per trattenere i rulli in posizione prima di montare l’asse. Dopo il montaggio la gabbia va lavata con solvente. Si può anche utilizzare del grasso particolarmente adesivo.

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Esempio di gabbia a rulli trattenuti. La selezione di queste gabbie, qualora non fosse possibile sostituirle con altre a rulli non trattenuti, si effettua su un tornio perfettamente in piano, cercando quelle che tendono a rimanere ferme sull’asse in cui vengono inserite senza spostarsi a destra o a sinistra. Un esame della scorrevolezza manuale, girando il perno di biella, può indicare il migliore accoppiamento.

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Coppia di rasamenti di spallamento della biella. Realizzati in leghe di bronzo, servono ad evitare l’usura della spalla della biella contro l’albero motore durante il funzionamento del motore. Un’eccessiva usura di uno degli spallamenti è sintomo di una gabbia che tende a tirare da una parte, dissipando potenza in attrito e mettendo a rischio l’affidabilità del motore.

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Esempio di perno di biella usurato da un erroneo accoppiamento con la gabbia a rulli. Anche il foro della testa di biella e il cuscinetto, in questi casi, restano danneggiati.

La selezione delle gabbie a rulli

Nei motori da competizione, come ogni componente, è estremamente importante selezionare i materiali migliori, lavorati meglio e in grado di assicurare la maggiore affidabilità e le minori perdite organiche per attrito. Non fanno ovviamente eccezione a questa regola i cuscinetti di biella.

Partendo dalle gabbie a rulli trattenuti, diciamo subito che è di fondamentale importanza che la chiusura della gabbia sia stata eseguita correttamente, che i rulli non presentino nessun segno superficiale (controlli visivi da effettuare con una lente di ingrandimento “tripletta” da gemmologo) e che, fatta girare in un perno montato sul mandrino di un tornio perfettamente in bolla (ovvero in piano), tenda a rimanere ferma nella sua posizione e a non “tirare” verso destra o sinistra. Su 10 gabbie a rulli, siate pronti a sacrificarne almeno 8… Un rasamento consumato da un lato indica che la gabbia montata tirava da quel lato stesso, spingendo contemporaneamente la biella e il pistone e incrementando le perdite di potenza per attrito.

Le gabbie a rulli non trattenuti sono ovviamente migliori di quelle a rulli trattenuti, grazie al fatto che è possibile selezionare i rulli con il classico calibro millesimale e con la lente “tripletta”.

Si tratta ovviamente del più classico dei lavori da carcerato, ma la resa finale premierà sicuramente il tempo dedicato a questo tipo di selezione.

La selezione più semplice, poi, è quella che si fa montando la gabbia con lo spintotto nella biella per farla girare con le dita: se non si ha una scorrevolezza ottimale, cambiate cuscinetto prima di fare a pezzi il vostro motore!