Cos'è una biella? Tipi, materiali e produzione

Cos'è una biella?

Cos'è una biella? In parole povere, è un componente del motore che converte il movimento verticale del pistone in movimento rotatorio. Ecco come funziona esattamente la tua... ruote per auto corsa. La biella converte il movimento e lo trasmette all'albero motore, la manovella fornisce input al cambio e il cambio trasmette all'albero motore della tua auto. 

Materiali come acciaio al carbonio, alluminio, titanio e leghe di acciaio vengono utilizzati nella produzione di bielle. Possono fornire elevata resistenza, resistenza alla fatica, rigidità e buona resistenza all'usura per sostenere le continue sollecitazioni del motore. 

Essendo un componente fondamentale nei motori automobilistici (o in qualsiasi motore alternativo), la biella deve essere progettata, realizzata e rifinita tenendo conto di diverse considerazioni. Analizziamo quindi questo aspetto nel dettaglio.

Cos'è una biella?

Iniziamo con la definizione di biella: è un componente strutturale che collega il pistone all'albero motore e converte il moto alternato del pistone in moto rotatorio. Sostiene carichi ciclici di trazione e compressione, resistendo al contempo a deformazione e flessione.

Questo componente meccanico influisce direttamente sulle prestazioni, sulle vibrazioni e sulla durata del motore. Bielle poco resistenti e pesanti riducono la coppia erogata, mentre una progettazione e una lunghezza errate possono causare guasti. 

Inoltre, ci sono varie parti della biella, come l'estremità piccola, il gambo, la testa di biella, la boccola metallica e il perno di manovella.

Parti di una biella

• Cuscinetto di biella: È la parte circolare più piccola che contiene una boccola o un cuscinetto a rulli, mentre lo spinotto collega il pistone e la biella a questa estremità. 
• Fascio: È anche noto come gambo o corpo, in genere con sezione trasversale a I o a H tra due estremità.
• Cuscinetto di biella: L'estremità più grande che collega l'albero motore alla biella. Il cappello esterno è imbullonato insieme tramite un perno di manovella. 
• Dado e bullone: Elementi di fissaggio che uniscono il cappello di biella al corpo della biella attorno al perno di manovella. 

Poiché la biella è associata al pistone e all'albero motore, Comprensione della funzione dell'albero motore e dei fattori di costo, e le caratteristiche del pistone sono essenziali. Pertanto, l'ottimizzazione complessiva dei componenti di biella, albero motore, pistone e testata contribuisce a far funzionare il motore in modo efficiente. Se sei interessato a saperne di più, leggi Miglioramento delle prestazioni del motore con la lavorazione della testata del cilindro cliccando sul link qui. 

Come funziona la biella e le sue funzioni

Funzionamento della biella

La biella è composta da due estremità circolari e da un gambo. Il cuscinetto di biella è collegato al pistone, mentre quello di biella è collegato all'albero motore. La boccola metallica (cuscinetto a rulli) sull'estremità di biella è collegata al pistone tramite lo spinotto. D'altra parte,

Il cuscinetto di biella è diviso in due sezioni e imbullonato insieme al perno di manovella dell'albero motore. Nel frattempo, i gusci del cuscinetto nella testa di biella contribuiscono al corretto allineamento con il pistone. 

Quando il pistone si muove verso il basso dopo la combustione, le bielle trasmettono la forza al perno di manovella con una certa angolazione. Lo sfalsamento del perno di manovella converte la forza verso il basso in una forza rotazionale mentre viene trasmessa all'albero. Quindi, la manovella spinge il pistone verso l'alto mentre gira.

Oltre alla conversione del movimento, le altre funzioni delle bielle sono: 

• Resiste a sollecitazioni elevate di trazione, compressione e flessione. 
• Allinea il pistone e l'albero motore consentendo un percorso stabile per il pistone. 
• Riduce le vibrazioni.
• La biella aiuta anche a ottenere una fasatura e una sincronizzazione precise del motore con il albero a camme. 
• Le bielle ottimizzate, essendo uno dei componenti che determinano la potenza erogata, contribuiscono all'efficienza del motore.

Quali sono i tipi di bielle? 

Tipi di bielle

Poiché ogni tipologia presenta caratteristiche e casi d'uso specifici, è essenziale scegliere il tipo di biella più adatto per ottenere prestazioni e durata migliori. La scelta dipende dai requisiti funzionali finali, come limite di peso, resistenza alla flessione e alla trazione.

In base alla sezione trasversale della trave utilizzata nel gambo, è possibile trovare tre tipi di bielle: trave a I, trave a H e trave a X. 

Approfondiamoli ulteriormente.  

Bielle a I-Beam 

Il motivo di questo nome è la sezione trasversale a I del gambo. Queste bielle leggere ed economiche sono semplici nel design, ma offrono una buona resistenza alla fatica, alla trazione e alla compressione. Pertanto, le bielle a I sono utilizzate in diverse marche di motociclette, automobili e veicoli per il trasporto di passeggeri. Oltre ai motori a combustione interna, sono adatte anche per altri macchinari e sistemi di potenza inferiore a 1000 cavalli. 

Bielle a trave ad H 

Nella trave a H, una trave trasversale al centro di due travi verticali assume la forma di una "H". Questa geometria rende la biella più pesante, rigida e resistente. Le bielle a H sono adatte a pressioni estreme, regimi elevati e carichi torsionali. Tuttavia, in caso di disallineamento, i cuscinetti devono sopportare carichi maggiori. 

Vengono solitamente utilizzati nei motori ad alte prestazioni e nei macchinari pesanti, tra cui motori diesel industriali, autovetture, moto sportive, auto da corsa, auto turbocompresse e V8 sovralimentati. 

Inoltre, l'acciaio, il titanio o le leghe ad alta resistenza sono materiali standard per le bielle delle travi a H. 

Bielle a X 

La sezione trasversale a X consente di sfruttare i vantaggi delle travi a I e a H. Questo design riduce il peso ma offre comunque elevata resistenza, resistenza alle crepe e flessibilità. È possibile utilizzarli in motori ad alte prestazioni ed efficienti. Inoltre, sono adatti per bassi regimi e requisiti di coppia elevati.  

Alcuni tipici casi di utilizzo delle bielle X-beam sono i motori da corsa, le auto di lusso e i motori diesel personalizzati. 

Materiali della biella 

Poiché la biella può alterare il funzionamento e l'efficienza del veicolo (o del sistema), il materiale deve essere scelto con cura. È possibile confrontare le proprietà fisiche e meccaniche, la lavorabilità e il costo delle opzioni disponibili per selezionare il materiale ottimale per le proprie esigenze.

Materiali della biella 

I materiali più comuni per le barre sono acciaio, leghe di acciaio, ghisa, leghe di alluminio e titanio. La tabella seguente illustra le loro caratteristiche principali ed esempi di applicazione. 

Metodi per la fabbricazione di bielle 

Una volta scelto il materiale giusto per la biella, è necessario decidere quale metodo di produzione sia più adatto. A volte è necessario applicare più di un processo di produzione per ottenere risultati ottimali.

I metodi più comuni per la produzione delle bielle includono la forgiatura, la lavorazione CNC e la fusione. Inoltre, potrebbero richiedere una finitura superficiale e un trattamento termico finale. 

1. Forgiatura

Bielle forgiate

Nella forgiatura, le billette di alluminio o acciaio inossidabile vengono pressate all'interno di uno stampo avente la forma della biella desiderata. I metalli vengono anche riscaldati per migliorare il flusso e la struttura dei grani nei pezzi forgiati. Questo metodo migliora anche la resistenza meccanica. 

A volte le bielle forgiate vengono ulteriormente lavorate per ottenere una maggiore precisione e finitura. Sono adatte a carichi pesanti come i motori da corsa.

2. Lavorazione CNC 

Lavorazione delle bielle 

Questo metodo utilizza codici computerizzati per tagliare con precisione le bielle nella forma desiderata da blocchi di materiale. Se sono necessarie tolleranze ristrette e un'eccellente ripetibilità, il CNC è la soluzione migliore. Inoltre, è anche conveniente realizzare prototipi di bielle.

Il movimento preciso dell'utensile consente di sagomare con precisione i fori terminali. La lavorazione CNC garantisce inoltre una finitura migliore rispetto ad altri metodi. 

3. Die Casting 

Biella pressofusa 

In genere, le leghe di alluminio vengono pressofuse per realizzare le bielle, ma a volte vengono utilizzati anche altri materiali. Il processo prevede innanzitutto la creazione di uno stampo con una cavità, assicurandosi che la geometria della cavità sia identica alla superficie esterna della biella. Successivamente, il metallo fuso viene versato nella cavità dello stampo ad alta pressione, dove fluisce e assume la forma desiderata. Infine, lo stampo viene aperto per estrarre la biella. 

Questo metodo può essere utilizzato per realizzare bielle leggere per diverse esigenze, come motori motociclistici a basso consumo di carburante. Tuttavia, le bielle pressofuse non sono resistenti quanto quelle forgiate.

4. Trattamento termico 

Processo di trattamento termico

Il processo di trattamento termico altera le proprietà fisiche e meccaniche modificando leggermente la microstruttura del materiale. Per le bielle, il trattamento termico di tempra e rinvenimento viene eseguito per aumentarne la durezza e la resistenza.

Le bielle trattate termicamente resistono a maggiori sollecitazioni meccaniche e termiche, diventando più resistenti all'usura e alle cricche.  

Se vuoi leggere informazioni sulla produzione di altri componenti automobilistici, clicca su Lavorazione CNC per sterzo ad alte prestazioni and Lavorazione CNC per parti di auto classiche e d'epoca qui. 

Considerazioni sulla progettazione della biella 

Progettazione della biella

Il design e la sua producibilità sono i requisiti principali per realizzare bielle precise. Durante questa fase iniziale, è possibile personalizzarne forma, dimensioni e caratteristiche. Un buon design può anche ridurre il peso e migliorarne la durata.

Le considerazioni principali includono carico, resistenza, tipo di trave, rapporto lunghezza/manovella e attrito, che vengono brevemente illustrati di seguito; 

• Spettro e forza del carico

La biella è sottoposta a sollecitazioni cicliche, quindi è importante assicurarsi che il progetto abbia un'integrità strutturale tale da resistere a carichi di compressione e trazione a lungo termine. A tal fine, è possibile eseguire l'analisi agli elementi finiti (FEA) per i test di fatica. 

• Tipo di trave 

In base ai requisiti dell'applicazione, scegli tra trave a I, a H o a X, quella che meglio si adatta al rapporto resistenza/peso desiderato. Lo stelo deve essere in grado di sostenere la spinta del pistone. 

• Rapporto lunghezza/manovella

Una lunghezza maggiore aumenta il peso della biella, il che può limitare il regime del motore. Pertanto, è necessario ottimizzare il rapporto lunghezza-manovella. È definito dal rapporto tra la lunghezza della biella e la corsa dell'albero motore. È possibile impostare questo rapporto tra 3.5 e 4.5. 

• Selezione del Materiale

La scelta del materiale giusto per la biella non solo garantisce la funzionalità desiderata, ma gioca anche un ruolo chiave nella riduzione del peso. Per applicazioni ad alte prestazioni, è possibile scegliere Ti-6Al-4V. 

• Attrito 

Durante la progettazione, tenere conto dell'attrito nei punti di giunzione delle bielle. Garantire una buona progettazione dei cuscinetti, una buona finitura e percorsi di lubrificazione per ridurre l'attrito.

Conclusione 

Una biella influenza direttamente il funzionamento, l'efficienza, l'affidabilità e la durata di qualsiasi motore a pistoni. Comprenderne la struttura e le tipologie, scegliere il materiale giusto, una produzione accurata e un trattamento termico accurato garantiscono le caratteristiche desiderate della biella. È necessario essere in grado di distinguere varianti e caratteristiche per una scelta ottimale. 

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DOMANDE FREQUENTI 

A cosa serve una biella?

È un componente strutturale dei motori che collega il pistone e l'albero motore per convertire il moto lineare in moto rotatorio.  

Cosa collega il pistone all'albero motore? 

Il pistone è collegato all'albero motore tramite la biella. L'estremità più piccola della biella collega il pistone tramite lo spinotto.

Cosa succede quando una biella si rompe?

Una biella difettosa provoca rumori come battito in testa, bassa efficienza e rumori dei cuscinetti. In caso contrario, la biella deve essere sostituita; in caso contrario, le prestazioni del motore potrebbero risultare compromesse o addirittura causare guasti. 

Quanto costa sostituire una biella?

Il costo della sostituzione di una biella dipende da fattori come dimensioni, funzione e tipo di motore. Per i motori motociclistici, può costare dai 50 ai 300 dollari, mentre per i motori per impieghi gravosi può arrivare a costare anche più di 2000 dollari. 

Biella e biella sono la stessa cosa?

Sebbene questi due termini siano usati in modo intercambiabile nei più recenti motori a combustione interna, l'asta del pistone viene citata esplicitamente più spesso nei motori a vapore, nei compressori e nei cilindri idraulici. 

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