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» LUBRIFICAZIONE

Lubrificanti settore automotive - I°Parte - a cura di www.raceporter.com

Considerazioni generali

La lubrificazione svolge un compito fondamentale nelle diverse applicazioni presenti nel settore automotive : motore,trasmissione,differenziale,sterzo,giunto,sospensione,ogni gruppo necessita di un olio o grasso  lubrificante studiato appositamente con specifiche caratteristiche. Senza un'adeguata lubrificazione  si registrerebbe un aumento della temperatura di lavoro a causa dell'elevato attrito meccanico tra le parti in movimento con progressivo logoramento e conseguente rottura o distruzione dei componenti in gioco .Si evince che la principale funzione di un lubrificante è quella  di non permettere il contatto diretto tra gli organi interessati per non innescare il fenomeno di usura meccanica e creare un film protettivo il più resistente e sottile possibile riducendo al minimo l'attrito per garantire il massimo rendimento dell'applicazione lubrificata e controllare le temperature di funzionamento.
I concetti di temperatura, attrito e logoramento sono strettamente vincolati tra di loro , un incremento di valore di una di queste variabili porta all'aumento delle altre. Ottenere il minor attrito possibile con l'utilizzo di un  lubrificante di ottima e specifica qualità significa recuperare lavoro perso ,che si manifesterebbe con la generazione di maggiore temperatura dissipata per effetto Joule e quindi minor rendimento della motorizzazione, e rendere maggiormente performante in termini di potenza resa disponibile l'applicazione lubrificata.
Tutti i motori sono soggetti alle leggi della termodinamica, di riflesso forniranno un lavoro,una resa totale minore dell'energia contenuta nel combustibile perchè una parte viene spesa per il loro funzionamento. Il rapporto fra il lavoro fornito da un motore e l'energia spesa (quella contenuta nel combustibile) è il suo rendimento compresa la
quantità di energia spesa per il funzionamento interno del motore stesso, Esso è sempre inferiore al rendimento termodinamico, ossia quello calcolato per un motore "ideale" dove non viene considerata la dissipazione energetica interna. Sintetizzando il  rendimento di un motore è legato alla temperatura iniziale e finale di un ciclo completo di lavoro che sarà comunque sempre  inferiore a quello del ciclo di Carnot a parità di variazione di temparatura dove il lavoro meccanico che può dare la macchina  ideale di Carnot è: L = Q2 - Q1,  Q2  è la quantità di calore a temperatura finale di un ciclo e Q1 è la quantità di calore a temperatura iniziale dello stesso ciclo.

Prima di addentrarci nella spiegazione di che cos’è un olio lubrificante ,delle sue caratteristiche a seconda dell’impiego e delle varie classificazioni internazionali, ed affrontare la tematica su quali soluzioni e compromessi adottare nel Motorsport su una monoposto o su una vettura che deve affrontare una competizione di durata è fondamentale approfondire le definizioni inerenti al rendimento meccanico , termico e volumetrico di un motore , in tutti e tre i rendimenti giocano un ruolo fondamentale gli attriti e le temperature , di conseguenza l’utilizzo di lubrificanti con determinate caratteristiche che possono influenzare sensibilmente queste grandezze è estremamente importante soprattutto se la ricerca delle massime prestazioni, come è nel motorsport, sono l’obbiettivo principale. Le informazioni e le problematiche che verranno affrontate negli articoli successivi vogliono raccogliere l'interesse sia degli addetti ai lavori che degli appassionati che seguono il mondo del Motorsport, da questa necessità cercheremo di usare il giusto mix tecnico/descrittivo.

Rendimento di un motore

I rendimenti di un motore sono classificabili in :

- Rendimento meccanico
- Rendimento volumetrico
- Rendimento termico

influiscono sensibilmente su prestazioni e consumi : materiali, soluzioni tecniche adottate, progettazione, motormanagement, lubrificazione e sistemi di raffreddamento incidono sui valori di questi rendimenti, lo studio approfondito di ogni singola  voce concorre ad aumentare il rendimento complessivo della motorizzazione .

Il rendimento meccanico è definito come la potenza rilevata in uscita dell’albero motore e la potenza disponibile all’interno del cilindro generata dalla scoppio della miscela in camera di combustione. Solo una parte dell’energia presente nel cilindro viene trasferita in uscita dell’albero a gomiti a causa degli attriti generati da tutti gli organi in movimento nel motore e dagli attriti dei fluidi che si manifestano con la generazione di temperature maggiori, le perdite generate da questi attriti aumentano con l’aumentare del regime di rotazione e ridurle risulta difficile. Le perdite di rendimento sono riconducibili all’attrito volvente dei cuscinetti di banco e di biella dell’albero motore, all’attrito dovuto al trascinamento del gruppo distribuzione (principalmente costituita da cinghia o catena di distribuzione,cuscinetti della distribuzione, alberi a camme), a quello generato da pompa olio e pompa acqua, complesso cambio e differenziale, attrito da fluido per sbattimento dell’olio, ed infine alle perdite di pompaggio che si generano nella fase di aspirazione e scarico dovute principalmente al complesso pistone-segmenti-pareti del cilindro. Quest’ultime sono quelle che tendono maggiormente ad aumentare con il numero di giri motore e che incidono sensibilmente sulla resa di un motore.

Il rendimento termico è il rapporto tra il calore trasformato in energia meccanica ed il calore sviluppato dalla combustione, infatti migliore sarà il rendimento termico di un motore, tanto maggiore sarà la sua efficienza, riuscendo ad sfruttare al meglio l’energia disponibile. Tale rendimento è influenzato da molti fattori ,sicuramente tra i principali possiamo menzionare il grado di anticipo dell'accensione, i disegni delle camere di combustione che influiscono sulla rapidità e qualità di propagazione della combustione, il rapporto di compressione, la preparazione e dosatura della miscela aria-combustibile, il rendimento aumenta all'aumentare della potenza sviluppata a parità di quantità di combustibile impiegato,fondamentale è la riduzione degli attriti che giocano un ruolo molto importante , all'aumetare di questi aumenta la temperatura generata che deve essere dissipata con lo scambio termico, questo ultimo fattore è molto influenzato dal tipo di chimica utilizzata per la lubrificazione meccanica dei vari gruppi e l'efficienza del circuito di raffreddamento .

Il rendimento volumetrico è costituito dalla quantità di miscela aria-combustibile aspirata ad ogni ciclo, e quella corrispondente al volume generato dalla corsa del pistone tra PMS (punto morto superiore) e PMI (punto morto inferiore), la cosiddetta cilindrata di un motore, a questo rendimento ne dipende la potenza che il motore è in grado di generare. Il rendimento volumetrico è legato al regime del motore, all'aumentare dei giri motore diminuisce il tempo utile della fase di aspirazione della miscela ed aumenta la velocità di quest'ultima generando una aumento degli attriti contro le pareti dei condotti generando perdite di carico, l'ingegneristica  motoristica continua a sviluppare nuovi sistemi di fasatura delle valvole e geometrie dei condotti per diminuire il fenomeno appena citato.

Diamo ora la definizione di attrito meccanico e scambio termico.

L'attrito è definibile come la forza che si esercita tra due superfici a contatto tra loro e si oppone al loro moto relativo, si distingue in attrito statico e dinamico, il primo tra superfici ferme tra loro, il secondo tra superfici in moto relativo.

L'attrito è classificabile ancora in:

Attrito radente: si verifica su superfici piane in seguito a strisciamento, è dato dal coefficiente di attrito radente (il coefficiente d'attrito è una grandezza adimensionale e dipende dai materiali delle due superfici a contatto e dalla loro lavorazione) per la componente perpendicolare al piano di appoggio della risultante delle forze agenti sul corpo. Un esempio di attrito radente è la fascia elastica che scorre sulle pareti del cilindro.

Attrito volvente: si verifica in presenza di superfici curve in seguito a rotolamento ,è in definitiva un corpo cilindrico rotola su una superficie senza strisciare, il non strisciare ma rotolare indica la presenza di attrito volvente e non radente, è dato dal coefficiente di attrito volvente, diverso per materiale, moltiplicato per la componente perpendicolare al piano di appoggio della risultante delle forze agenti sul corpo. Un esempio di attrito volvente è rappresentato da un cuscinetto a sfere o a rulli, una bronzina di banco o di biella, uno spinotto flottante sul pistone.

Attrito viscoso: si verifica quando un corpo si muove all'interno di un fluido,si tratta di una forza di attrito dovuta all'interazione del corpo con le molecole del fluido. Questo attrito dipende dalla viscosità (resistenza allo scorrimento) del fluido, dalla grandezza del corpo immerso nel fluido, dalla velocità del corpo. Un esempio di attrito viscoso è il movimento degli ingranaggi del cambio o differenziale immersi nel lubrificante.

Scambio termico: per definire lo scambio termico possiamo citare il principio zero della termodinamica il quale stabilisce che: se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo B, e il corpo B è a sua volta in equilibrio termico con un altro corpo C, allora A è senz'altro in equilibrio termico con il corpo C. Due corpi in equilibrio tra di loro sono alla stessa temperatura, ossia non avviene scambio termico, se invece i due corpi si trovano a temperature diverse si scambiano energia a causa delle differenza di temperatura, ossia si scambiano calore. Lo scambio termico avviene praticamente tra tutti i corpi presenti in un motore e trasmissione, la facilità di dissipare calore dipende dai materiali che compongono le varie parti e dai fluidi utilizzati ,quindi lubrificanti e liquidi raffreddamento, particolare importanza acquista la capacità dei sistemi di non  generare bolle di vapore e schiume nei vari circuiti, una bolla di vapore che si crea all'interno di un circuito di raffreddamento si comporta come un isolante tra parete del condotto e fluido refrigerante, questo porta ad una situazione peggiorativa di scambio termico e quindi di raffreddamento della motorizzazione perchè viene persa superficie utile di scambio termico, viene peggiorata l'efficienza del sistema, l'utilizzo di agenti chimici che agiscano sulla tensione superficiale permette di alleviare il fenomemo della creazione di bolle di vapore e schiume recuperando notevolmente la capacità di asportazione di calore dei sistemi e quindi lo scambio termico tra di loro, la tecnologia chimica di lubrificanti ed additivi specifici ha una notevole importanza sulla resa termica dei motori e trasmissioni se pensiamo nuovamente alle leggi della termodimanica come abbiamo menzionato in questo articolo. Particolare importanza hanno anche i profili dei vari componenti che hanno una funzione attiva nello scambio termico come ad esempio un radiatore di raffreddamento, sarà oggetto di discussione in articoli successivi.

Nel prossimo articolo daremo la definizione di viscosità e densità di un fluido, e vedremo quando un olio lubrificante è sintetico, semi-sintetico, minerale e come spesso viene travisato il termine sintetico parlando di un olio.

Lo Staff www.raceporter.com

Data: 26 mar 2007 (15:11)


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