In qualità di "guardiani del cuore" di un motore a combustione interna, le fasce elastiche in ghisa svolgono una funzione di tenuta cruciale in condizioni estreme di alta temperatura, alta pressione e alta velocità. Lavorando in perfetta sinergia con cilindro e pistone, garantiscono il funzionamento efficiente e stabile del motore. Grazie alle loro eccellenti prestazioni complessive, le fasce elastiche in ghisa sono diventate la tipologia più utilizzata.
I. Funzioni principali: tenuta, controllo dell'olio, conduzione del calore e supporto
Gli anelli dei pistoni in ghisa svolgono quattro ruoli chiave indispensabili in un motore:
- Funzione di sigillatura (compito primario):
- Impedisce efficacemente ai gas ad alta temperatura e alta pressione provenienti dalla camera di combustione di fuoriuscire nel basamento, riducendo al minimo assoluto le perdite di gas.
- Stadiazione della pressione: Il primo anello di compressione sopporta circa il 76% della pressione del gas, questa scende al 20% nel secondo anello e solo circa il 4% rimane nel terzo anello, creando un'efficiente tenuta "passo dopo passo".
- Funzione di controllo dell'olio:
- L'anello di lubrificazione ha il compito di raschiare con precisione l'olio lubrificante in eccesso dalle pareti del cilindro, lasciando al contempo un film d'olio ultrasottile che garantisce una lubrificazione adeguata e ne controlla il consumo. Questa funzione è fondamentale nei moderni motori ad alta velocità.
- Funzione di conduzione del calore:
- Il 70-80% del calore proveniente dal cielo del pistone viene trasferito attraverso le fasce elastiche alle pareti del cilindro per la dissipazione. Questo è fondamentale per mantenere il gruppo pistone a una temperatura di esercizio adeguata e prevenire danni da surriscaldamento.
- Funzione di supporto:
- Impedisce il contatto diretto tra il pistone e la parete del cilindro, garantendo un movimento fluido del pistone, riducendo l'attrito e prevenendo lo "sbattimento del pistone".
II. Proprietà eccezionali del materiale in ghisa
La ghisa è il materiale ideale per le fasce elastiche dei pistoni, grazie al perfetto allineamento delle sue proprietà uniche con i severi requisiti del motore:
- Autolubrificazione: La grafite presente nella ghisa agisce come un lubrificante solido naturale, assorbendo l'olio lubrificante e garantendo proprietà autolubrificanti superiori in condizioni di lubrificazione limite.
- Eccellenti proprietà meccaniche: L'elevato modulo di elasticità, la bassa deformazione permanente, la necessaria resistenza alla fatica da flessione e la durezza adeguata soddisfano i requisiti prestazionali di un componente elastico.
- Tipi di materiale:
- Ghisa grigia: Il materiale di base è in genere composto da carbonio 3,1-3,5%, silicio 1,6-2,1%, manganese 0,6-1,0%, con piccole quantità di elementi di lega come cromo e rame.
- Ghisa legata: L'aggiunta di elementi come rame, cromo e molibdeno garantisce una migliore resistenza al calore, all'usura e alla corrosione.
- Ghisa duttile: Presenta una resistenza alla flessione (80-120 kg/mm²) e un modulo elastico (15.000-17.000 kg/mm) molto più elevati rispetto alla ghisa comune, offrendo un'elevata resistenza agli urti.
III. Processi di fabbricazione e trattamenti superficiali
Processi di produzione precisi sono fondamentali per le prestazioni degli anelli dei pistoni:
- Processi di fusione:
- I metodi principali includono la fusione in un unico pezzo, la fusione a barile e la fusione ellittica avanzata (ad esempio, il processo tedesco Goetze); quest'ultima elimina efficacemente i difetti di restringimento del nucleo nel pezzo grezzo.
- Tecnologie chiave per il trattamento delle superfici:
- Cromatura: Elevata durezza (700-1000 HV), basso coefficiente di attrito, elevata resistenza alla corrosione; può prolungare la durata dell'anello superiore di 3-5 volte.
- Rivestimento al molibdeno (Moly Coating): Il molibdeno ha un punto di fusione elevato (2620°C), elevata durezza (HV>700), basso coefficiente di attrito, buona conduttività termica, resistenza all'usura e stabilità termica.
- Fosfatazione: Il rivestimento fosfatico ha buone proprietà di ritenzione dell'olio, utili per il rodaggio iniziale e una forte prevenzione della ruggine.
- Nitrurazione: Forma uno strato di nitruro duro sulla superficie, con una resistenza all'usura superiore alla cromatura; un processo alternativo più ecologico (ad esempio, nitrurazione gassosa, nitrurazione al plasma, nitrurazione in bagno di sale QPQ).
IV. Principali tipologie e caratteristiche strutturali
In base alla struttura e alla funzione, gli anelli dei pistoni si dividono principalmente in anelli di compressione e anelli di lubrificazione:
- Tipi di anelli di compressione:
- Anello rettangolare (semplice): Struttura semplice, ottima per la dissipazione del calore, ma può causare "pompaggio di olio".
- Anello con faccia affusolata: Contatto di linea, ottimo per la sigillatura e il rodaggio, raschia l'olio verso il basso e lo distribuisce verso l'alto.
- Anello di torsione torsionale: Combina i vantaggi dell'anello conico eliminando il pompaggio dell'olio. La direzione di installazione è fondamentale.
- Anello trapezoidale (chiave di volta): Buone proprietà antiaderenti e sigillanti, adatto per motori diesel ad alto carico termico.
- Anello con faccia a botte: Forma un cuneo d'olio sia durante la corsa verso l'alto che verso il basso, riducendo l'usura.
- Tipi di anelli di lubrificazione:
- Anello di tenuta in ghisa (monoblocco): Struttura semplice.
- Anello di tenuta dell'olio del segmento della rotaia in acciaio: Composto da due guide in acciaio cromato e un distanziale espansore. Elevata pressione di contatto, buona conformabilità, ampi passaggi di ritorno dell'olio ed eccellenti prestazioni di raschiamento dell'olio. Ampiamente utilizzato.
V. Punti chiave di installazione e manutenzione
Una corretta installazione e manutenzione sono fondamentali per garantire prestazioni e longevità:
- Tre autorizzazioni chiave:
- Spazio finale (spazio di testa): Tipicamente 0,25-0,50 mm.
- Gioco laterale (gioco assiale nella scanalatura): Per l'anello superiore (a causa dell'alta temperatura), solitamente 0,04-0,10 mm.
- Gioco posteriore (gioco radiale tra l'anello e il fondo della scanalatura): Tipicamente 0,50-1,0 mm.
- Linee guida per l'installazione del core:
- Gli spazi tra le estremità degli anelli devono essere sfalsati lungo la circonferenza (ad esempio, a 120° di distanza per tre anelli) per creare una tenuta a "labirinto".
- L'anello cromato è installato nella scanalatura superiore.La faccia rastremata di un anello conico deve essere rivolta verso l'alto; la smussatura o la tacca interna di un anello torsionale solitamente è rivolta verso l'alto.
- Gli spazi non devono essere allineati con l'alesaggio dello spinotto del pistone o con la direzione della depressione del vortice del pistone.
- Ispezione di manutenzione:
- Le superfici di lavoro devono essere prive di rigature, graffi o scrostature.
- La deviazione della curvatura non deve superare 0,02-0,04 mm.
- Il limite di usura standard (abbassamento nella scanalatura) non deve superare 0,15-0,25 mm.
Conclusione
Le prestazioni delle fasce elastiche in ghisa determinano direttamente l'efficienza, la durata e l'affidabilità di un motore. Grazie ai continui progressi nella scienza dei materiali e nelle tecnologie di produzione, le fasce elastiche in ghisa continueranno a fornire una solida protezione per vari macchinari in condizioni operative estreme, salvaguardando il "cuore pulsante" del motore.
Data di pubblicazione: 23-10-2025