Design del pistone di taglio

I pistoni asimmetrici migliorano la potenza e la longevità. Ecco come hanno portato in strada questa tecnologia da corsa!

Vedi tutte le 10 fotoChristopher CampbellwriterJE PistonsphotographerMay 20, 2014

I pistoni giocano il ruolo definitivo in un motore, ma nonostante questo, è ancora difficile comprendere appieno tutte le forze in gioco. Ci sono un sacco di parti in movimento in un motore a combustione interna, ma basta riflettere un attimo sulla violenza di taglio che un pistone deve sopportare. Un motore è una pompa ad aria compressa azionata da un’esplosione, e sono i pistoni che devono sopportare l’esplosione e convertirla in energia cinetica significativa. È abbastanza semplice immaginare il processo al rallentatore, ma provate a pensarci a 6.000 giri al minuto, o sotto pressione di induzione forzata.

È facile capire che i pistoni sono sottoposti a un’enorme quantità di stress, ed è per questo che la qualità e il design sono così importanti. Se si guarda ad uno scenario di carico di sparo, che è un’istanza specifica nel tempo e nell’angolo di manovella quando la pressione del cilindro è al suo massimo, abbiamo diverse forze che agiscono sul pistone. Il maggiore contributo è la pressione del cilindro che agisce sulla corona del pistone e sulla scanalatura dell’anello superiore, ma il pistone vedrà anche i carichi aggiuntivi esercitati su di esso a causa dell’oscillazione e della rotazione dell’asta.

Conosciute come le facce di spinta maggiori e minori, si trovano sul lato del pistone e sono sottoprodotti del ciclo di cottura. Il carico esercitato sulla gonna di un pistone, denominato “lato di spinta maggiore” (sul lato destro quando si osserva il motore dall’estremità del volano con l’albero a gomiti che ruota in senso antiorario) può essere fino a 10 volte superiore al carico esercitato dalla gonna opposta, denominato “lato di spinta minore”. La disparità nel carico della gonna varia di grandezza a seconda delle variabili chiave, tra cui la corsa del motore, la lunghezza dell’asta e il picco di pressione del cilindro.

In un design tradizionale, un pistone è simmetrico da un lato all’altro, e il perno che tiene il perno che unisce il pistone alla biella si trova al centro della cupola. Questa può essere stata la regola generale, ma se si considerano tutte le sollecitazioni in gioco non è quasi mai il setup ideale. Si dà il caso che sia il più facile da progettare e produrre e che funzioni in modo accettabile nella maggior parte delle applicazioni.

Un design accettabile non è quello che vogliamo dai componenti per motori ad alta potenza ad alto numero di giri. Anche se non sono comuni a livello standard, i pistoni asimmetrici e gli stessi perni di offset non sono un concetto nuovo; sono stati impiegati in serie da corsa come la Formula 1, l’ALMS e la NASCAR per decenni. Asimmetrico, in questo caso, significa che le gonne dei pistoni non si rispecchiano l’una con l’altra. Combinato con uno spinotto del pistone correttamente sfalsato, il design offre diversi vantaggi che possono creare più cavalli in modo più affidabile, e anche tradursi in una maggiore longevità del motore. Come tale, i costruttori di automobili hanno preso atto del successo di tali progetti nelle corse e recentemente hanno iniziato ad integrare i progetti di pistoni asimmetrici e gli spinotti sfalsati in alcuni motori di produzione. Un grande esempio è l’LS7; il pistone OEM è asimmetrico!

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JE ha riconosciuto che c’era un grande divario tecnologico nell’aftermarket per le hot roders e i piloti di livello inferiore, specialmente nel mercato delle LS ad alta potenza. Il livello di potenza sia nell’aspirazione naturale che nell’induzione forzata che è diventato comune e atteso nella comunità LS è ben al di sopra delle centinaia e persino delle migliaia di cavalli nelle auto soffiate. Il problema principale che JE ha visto qui è che quasi tutti i pistoni LS aftermarket erano ancora vagamente basati su vecchi modelli Chevy a blocco piccolo.

Optando per un approccio a foglio pulito, JE ha deciso di creare un pistone che ha mostrato vantaggi per tutti i livelli di appassionati di LS. Abbiamo chiesto all’ingegnere di JE, Dane Kalinowski, cosa stavano considerando esattamente quando hanno deciso come avvicinarsi alla nuova posizione del perno e alle gonne asimmetriche.

“Abbiamo iniziato guardando alle aspettative del mercato per quanto riguarda la produzione di energia elettrica nella comunità ad alte prestazioni. È diventato chiaro che le aspettative di potenza affidabile sono molto alte tra i costruttori di motori LS, così abbiamo deciso di creare un progetto che potesse funzionare bene in quell’ambiente”, ha spiegato Kalinowski. “Quello che facciamo è risolvere i carichi calcolati nel nostro sistema di coordinate definito – dato che siamo interessati al pistone, l’origine sarebbe all’interasse dei pin – e sommarli in base a quale scenario di carico stiamo guardando. Stiamo creando un diagramma a corpo libero per il pistone. Mentre la manovella ruota, l’offset dello spinotto è in sostanza il precarico della faccia principale della gonna, riducendo così il rumore causato dal rimbalzo del pistone che rimbalza avanti e indietro tra le pareti. Questo precarico aumenta i livelli di sollecitazione del pistone sulla faccia della gonna principale e sui montanti rispetto ad un pistone senza offset dello spinotto e con gli stessi carichi. Il pistone risultante è caratterizzato da un’ampia area della gonna sul lato di spinta maggiore fortemente caricato e da una piccola area della gonna sul lato di spinta minore meno caricato. Il risultato è un design del pistone che non solo è meglio equipaggiato per i carichi di spinta, ma è anche più forte, ma anche più leggero, rispetto ai design precedenti”.

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Secondo JE, questi nuovi pistoni asimmetrici LS rappresentano l’inizio di un completo cambiamento nella loro filosofia ingegneristica verso tali falsificazioni che tengono conto di tutti questi parametri. In sostanza, ciò a cui JE sta lavorando è la creazione di un’intera linea di pistoni di livello consumer che hanno lo stesso grado di ingegneria di gara a livello professionale dei migliori team finanziati, ma che l’appassionato medio può acquistare per il suo progetto. Finora, JE ha aggiunto 160 nuovi numeri di parte alla sua lineup, e ne stanno arrivando altri. JE è stato così gentile da fornire immagini CAD e FEA dei pistoni asimmetrici LS, quindi date un’occhiata alle didascalie e alle foto per una rappresentazione più visiva della teoria e alcuni vantaggi aggiuntivi al design dei pin asimmetrici e offset di JE.

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Ecco una vista laterale della gonna sul lato di spinta principale del pistone asimmetrico LS di JE. Si noti il suo design più standard della gonna.

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Confrontatelo con l’aspetto smerlato del lato di spinta minore. Non c’è bisogno di materiale extra qui, quindi JE risparmia un peso significativo. Questa caratteristica contribuisce ad un risparmio di peso di circa 60 grammi per pistone in media.

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Proprio come ogni gonna del pistone, la corona del pistone è esposta a diversi carichi meccanici e termici in ogni zona. Il livello più alto di sollecitazione termica (calore) e meccanica (pressione) è concentrato vicino al centro della corona del pistone. JE ha trovato il modo migliore per gestire questi carichi è quello di creare una corona del pistone che sia sagomata in base a questi livelli di sollecitazione. Nella posizione in cui la sollecitazione è alta (il centro) la corona è più spessa; nelle zone a bassa sollecitazione la corona è molto più sottile. Questo approccio progettuale è uno dei motivi per cui i pistoni asimmetrici di JE sono sia robusti che leggeri.

JE non solo compensa lo spinotto del pistone, ma lo rende più corto. Tutti i pistoni asimmetrici JE sono progettati per utilizzare uno spinotto da 2.250 pollici, mentre la maggior parte degli altri design richiede uno spinotto da 2.500 pollici o addirittura da 2.750 pollici. Poiché le perni da polso sono in acciaio, una piccola riduzione può fare una grande differenza nel peso complessivo. Nella maggior parte dei casi, la spina da polso più corta riduce il peso di circa 10 grammi per cilindro, riducendo al contempo il potenziale di flessione e rottura del perno.

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Si tratta di una rappresentazione grafica dei vari carichi sperimentati da un pistone LS7 con riferimento ai gradi di angolo della manovella. Kalinowski dice: “L’offset dello spinotto ha un effetto minimo sulla forza di carico laterale che agisce sul pistone ed è principalmente una funzione della geometria del motore, della pressione del cilindro, dell’angolo di manovella, ecc. Quindi, nel caso LS, c’è un carico laterale di spinta maggiore fisso e un carico laterale di spinta minore fisso che agisce sul pistone in base ai calcoli. L’offset dello spinotto influisce sulla sollecitazione interna del pistone, anche se si tratta di un cambiamento strutturale”.

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Per ottimizzare i profili della gonna per i motori da corsa, JE ha eseguito test basati su applicazioni ad induzione forzata ad altissima pressione dei cilindri di oltre 1.000 CV. Per questi pistoni LS, hanno modellato uno scenario di 4.100 pollici di corsa, 6.125 pollici di pressione di picco dello stelo. Qui possiamo vedere che il carico di spinta maggiore è vicino a 12.000N (Newton), mentre il carico di spinta minore è appena 3.000N.

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Dopo aver sviluppato una struttura di progettazione asimmetrica iniziale in SolidWorks, JE ha eseguito la progettazione attraverso diverse iterazioni di analisi agli elementi finiti che consistono in più casi di carico termico e meccanico. Questa immagine FEA mostra lo stress su una faccia e una corona di spinta maggiore LS asimmetrica.

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Dopo diversi perfezionamenti, JE è arrivato a un progetto finale che ha mostrato una riduzione dello stress, una migliore gestione del calore e un’elevata tolleranza di potenza. Questa immagine FEA mostra lo stress su una faccia di spinta asimmetrica LS LSX minore.

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JE ha eseguito con successo i prototipi del nuovo design in tutto, dalle auto stradali a quattro cilindri turbo da 250 CV alle auto turbo da 2.000 CV. Qui vediamo la pressione di contatto sulla faccia della spinta maggiore.

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Ma i vantaggi non sono solo per la produzione di energia; il design più leggero e bilanciato ha portato anche ad un pistone più silenzioso che mostra meno slap. Questa è la pressione di contatto sulla faccia di spinta minore.

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