Restringere le scelte dei pistoni

Slugging The Hole

Vedi tutte le 7 fotoRandy BoligwriterMahle PistonsphotographerMar 25, 2014

Siete al punto del vostro progetto in cui è giunto il momento di iniziare a costruire il motore della vostra auto. Stai cercando online per vedere quali pistoni e kit di ricostruzione sono disponibili, ma la prima cosa che scopri è che ci sono molte scelte disponibili quando si tratta di pistoni. La decisione può essere scoraggiante, ed è probabilmente per questo che molti lettori ci mandano un sacco di email, chiedendoci quali pistoni dovrebbero usare nel loro motore. Visto che l’avete chiesto, abbiamo deciso di scrivere questo articolo sulla selezione dei pistoni e su come scegliere quello giusto per la vostra applicazione individuale. Non c’è modo per noi di determinare quale pistone pensiate sia il migliore, ma una cosa da tenere a mente è che il pistone che scegliete è soggetto a violente esplosioni, temperature estremamente elevate, e se il vostro motore non funziona correttamente, situazioni che sono simili al vostro pistone che viene colpito da un martello da slitta.

I pistoni automobilistici sono un pezzo straordinario di design. Nel giro di pochi secondi, durante la combustione, sono sottoposti a temperature che raggiungono i 1.000 gradi, per poi essere immediatamente sottoposti ad un soffio d’aria fredda ad ogni colpo di aspirazione. Raggiungono velocità di circa 7.000 giri al minuto e devono sopportare carichi laterali che cercano di spingerli attraverso la parete del cilindro. Dire che si abusa di un pistone è un eufemismo. Allora, come fanno a sopravvivere? Se usati in un’applicazione impropria, non sopravvivono. Prendiamo ad esempio, se si installa un pistone fuso in un’applicazione che vedrà pressioni del cilindro più elevate rispetto al normale a causa di un turbocompressore, un sovralimentatore o un protossido di azoto. Potete stare certi che vedrete l’interno del vostro motore diventare esterno. Ma perché? Per comprendere appieno, dobbiamo spiegare quali sono i diversi pistoni, e quando è il momento giusto per usare quale.

Determinare gli obiettivi di potenza

Un fattore importante da considerare nella scelta di un pistone è l’equilibrio sulla linea sottile tra forza e prezzo. Prima di poter decidere di quale tipo di pistone ha bisogno il vostro motore, è necessario sapere quanta potenza avete intenzione di produrre prima di acquistare i pistoni. Ovviamente, più potenza si costruisce nel motore, più costoso sarà il pistone richiesto. Anche il modo in cui decidete di produrre quella potenza è un fattore enorme. Userete il protossido di azoto? Forse un soffiatore è nel vostro futuro. Questi sono tutti aspetti che devono essere considerati.

Cast vs. Hypereutectic vs. Forged

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I due modi più popolari in cui un pistone viene prodotto sono il pistone fuso o il pistone forgiato. Abbiamo tutti sentito queste nomenclature applicate ai pistoni, ma cosa significa, qual è la differenza? La differenza si trova nel modo in cui il pistone viene effettivamente prodotto. Un pistone fuso è costruito proprio come viene chiamato. Durante il processo di fusione, la lega di alluminio fuso viene versata in uno stampo che, una volta raffreddato dopo il riempimento, si ottiene un “vuoto” simile a quello del pistone. La fusione di un pistone ha alcuni vantaggi rispetto alla forgiatura durante la produzione. Gli utensili di colata sono generalmente progettati per produrre una colata quasi netta. Questa forma quasi netta riduce al minimo la lavorazione di finitura complessiva necessaria, riducendone il costo. I pistoni fusi offrono anche eccellenti caratteristiche di usura e termiche. Ciò consente una lunga durata dell’anello di terra e della gonna, nonché la capacità di mantenere più strette le distanze laterali dalle pareti per un funzionamento silenzioso. Il principale svantaggio dei pistoni fusi in esecuzione è che l’alluminio fuso è limitato nella sua duttilità. La duttilità è la capacità di un materiale solido di deformarsi sotto sforzo di trazione. Ciò significa che un pistone fuso sottoposto a sollecitazioni eccessive può cedere più rapidamente.

Quando si tratta di scegliere i pistoni fusi aftermarket, le scelte iniziano con quelli che chiameremo pistoni di ricambio a basso costo. Questi pistoni sono considerati come sostituzioni dirette, e sono di solito bilanciati strettamente al peso dei pistoni di stock. Questo viene fatto in modo che “in teoria” non è necessario alcun bilanciamento quando si ricostruisce. Se state costruendo un motore basato sulle prestazioni, questi pistoni non fanno per voi. Con i pistoni di tipo OE replacement style, si possono dimenticare caratteristiche come le tacche delle valvole per il gioco per far funzionare camme più alte rispetto a quelle di serie. Sarà anche difficile ottenere un’altezza di compressione adeguata per la costruzione di qualsiasi rapporto di compressione ragionevole. Se si costruisce con la speranza di ottenere un motore ad alte prestazioni, questi pistoni sono quasi sempre un acquisto rischioso. Ma, se si costruisce un motore a basso numero di giri, a guida giornaliera, questi potrebbero essere proprio quello che si sta cercando.

Un’opzione che molti considerano leggermente migliore per le applicazioni di prestazioni rispetto ai pistoni fusi sono ipereutetici. La parola ipereutettica deriva il suo nome dalla lega di alluminio utilizzata durante il processo di produzione. Mentre le leghe per pistoni fusi utilizzano il silicio, che aumenta la resistenza all’usura, la durata e le caratteristiche termiche dell’alluminio, c’è un limite a quanto silicio può essere utilizzato in modo che sia distribuito uniformemente senza che si formino grandi nodi di silicio. Questo livello, che è chiamato il punto eutettico, è di circa il 12 per cento. Ipereutettica significa spingere questo livello di silicio oltre la normale quantità che può essere semplicemente miscelata nel metallo. L’alluminio ipereutettico avrà tipicamente tra il 16-18 per cento di silicio nella lega. Anche se i pistoni ipereutettici sono ancora un pistone fuso, l’aggiunta di questo materiale di silicio in più dà diversi vantaggi rispetto ai pistoni fusi convenzionali. Per cominciare, il pistone è intrinsecamente più forte, con caratteristiche termiche, lubrificazione e resistenza allo sfregamento maggiori. È anche più resistente alla corrosione, ha caratteristiche di espansione più controllate e una migliore resistenza alle alte temperature. Mentre sono più forti di un tipico pistone fuso, se spinti oltre i loro limiti di sopravvivenza, si romperanno in modo simile ad un pistone fuso convenzionale. I pistoni fusi e i pistoni ipereutetici sono ideali per i motori che sono testimoni di un grande utilizzo in strada con la sola occasionale visita di dragstrip nel fine settimana. Se si aggiunge una vipera di potenza come nitroso, turbo o sovralimentatore, si consiglia di evitare l’uso di un pistone fuso o ipereutettico.

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I pistoni forgiati sono sempre considerati un upgrade ai pistoni fusi e ipereutetici. Essi hanno intrinsecamente caratteristiche metallurgiche che differiscono dalle loro parti di controfusione. La ragione di ciò è che invece di essere fusi e versati in uno stampo, gli sbozzi per i pistoni forgiati sono creati da una billetta di lega di alluminio estruso. Questa billetta è sottoposta ad una pressione molto estrema, poiché la lega viene compressa in pesanti stampi di forgiatura che creano la forma grezza del pistone – il pezzo grezzo del pistone. Questo processo di forgiatura dà come risultato un pistone più denso e duttile. Ma, poiché lo stampo è fatto da due metà a specchio, questo elimina la possibilità di progettare l’area interna nella forgiatura grezza. Per questo motivo, un pezzo grezzo forgiato ha bisogno di molta più lavorazione per creare il pistone vero e proprio. Ma, questo materiale più denso e duttile significa che un pistone forgiato è intrinsecamente più forte e più indulgente quando i suoi limiti vengono superati.

Un’altra decisione da considerare è che ci sono diverse leghe usate nei pistoni forgiati. Le leghe più comuni sono 2618 (un alluminio a basso contenuto di silicio), e 4032 (una lega con circa l’11 per cento di silicio). La lega 4032 è un materiale più rigido, e ha meno conducibilità termica e velocità di espansione. Contiene anche una grande resistenza all’usura. Il 4032 è tipicamente la lega preferita nelle applicazioni stradali. È stata scelta per la capacità di ridurre il gioco tra pistone e parete grazie alla minore velocità di espansione. Un altro vantaggio è la maggiore durata della gonna e della cinghia ad anello offerta dalla maggiore resistenza all’usura della lega a più alto contenuto di silicio.

La lega 2618 ha un basso contenuto di silicio. Anche se rinuncia ad alcuni dei benefici ottenuti dal silicio, è comunemente accettato come il miglior materiale per pistoni per brutali applicazioni di corsa a tutto campo. La lega a basso contenuto di silicio ha una densità e una resistenza alla trazione superiori a 4032, e ha una duttilità e una resistenza alla frattura molto maggiori. Un pistone in lega 2618 può essere battuto in piano, prima di rompersi. L’alto tasso di conducibilità termica della lega 2618 permetterà il trasferimento di più calore nelle gonne. Si tenga presente che il più alto tasso di espansione di questo materiale significa in genere una maggiore libertà di alesaggio (da pistone a parete). Il pistone 2618 è più soggetto ad usura nei terreni ad anello e nei gonnellini. I pistoni in lega 2618 sono progettati per essere pistoni da corsa. Non installateli nella vostra auto o camion e aspettatevi di percorrere oltre 100.000 miglia. Se il piano richiede un serio azoto, una spinta, o giri al minuto, e a prova di proiettile è quello che stai cercando, un pistone 2618 è la scelta giusta. Le attuali tecnologie di lavorazione e progettazione hanno portato a un design più sofisticato della gonna. I produttori che si sono avvalsi di questi progressi sono stati in grado di ridurre considerevolmente il gioco dell’alesaggio rispetto ai requisiti tradizionali.

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Piston-to-Cylinder Wall Clearance

Indipendentemente dal pistone scelto, il gioco da pistone a cilindro è un fattore importante per il montaggio dei pistoni sui cilindri. Le caratteristiche di lavoro sia dei pistoni forgiati che di quelli fusi variano considerevolmente a seconda del materiale specifico e dei processi coinvolti nella loro produzione. Ciò significa che non tutti i pistoni fusi vengono creati uguali. Lo stesso si può dire dei pistoni forgiati. Quando si decide se un certo tipo di pistone è adatto ad una specifica applicazione, è conveniente parlare con il produttore. I pistoni forgiati sono suggeriti ogni volta che ci si aspetta che i giri siano alti, che il rapporto di compressione sia aumentato e che vengano utilizzate delle ventose di potenza. Spessori diversi della gonna si espanderanno a velocità diverse, anche all’interno dello stesso design del pistone. Altri aspetti che influenzeranno il tasso di espansione del pistone sono la lunghezza della gonna del pistone, lo spessore della cinghia ad anello (area tra la parte superiore del pistone e il perno del polso) e le caratteristiche di raffreddamento del motore. Tutti i produttori danno una distanza nominale tra il pistone e la parete che vogliono farvi passare. Nella maggior parte dei casi, il produttore finirà di rifinire il diametro del pistone per includere il gioco per il diametro del foro dato. Un pistone con alesaggio di 4,030 pollici uscirebbe dalla scatola con un diametro di 4,026 pollici se il gioco consigliato fosse di 0,004 pollici.

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Quando si osservano le leghe e i loro tassi di espansione termica, ricordate che tutti i metalli hanno delle soglie. Mentre tutti i pistoni si espanderanno ad un dato tasso, ci sono anche temperature raggiungibili che possono raggiungere e che li porteranno a non seguire il tasso di espansione “standard” dato. I pistoni reagiranno in modo diverso a causa della variazione della massa, dello spessore e dell’esposizione al calore. Sebbene non siano percepibili ad occhio nudo, la maggior parte dei pistoni non hanno una parete laterale “piatta”. I pistoni hanno quella che viene chiamata forma o profilo a camma. La forma a camma è il disegno della gonna che lo rende oblungo dove cavalca sulla parete del cilindro. Se si dispone di una gonna più lunga, renderà la forma della camma più lunga o più corta a seconda della scala che viene utilizzata. Per questo motivo, è imperativo che il suggerimento del produttore sulle distanze sia rispettato.

Rivestimenti a pistone

I rivestimenti dei pistoni possono aiutare a contenere i problemi di usura, calore, attrito e corrosione. Alcuni rivestimenti ad alte prestazioni includono barriere termiche in ceramica, lubrificanti a film secco, rivestimenti di scarico in ceramica, rivestimenti per lo smaltimento dell’olio e diversi altri rivestimenti per migliorare le prestazioni e/o la durata delle parti ad alte prestazioni.

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I pistoni possono essere rivestiti con tre diversi tipi di rivestimenti: lubrificanti a film secco, barriere termiche e rivestimenti a dispersione di olio. I rivestimenti barriera termica aiutano a proteggere la parte superiore del pistone da un dannoso trasferimento di calore, riducendo al minimo la quantità di calore che viene trattenuta sulla superficie del pistone. Questo rivestimento permette anche al calore in superficie di muoversi più uniformemente sulla superficie, riducendo i punti caldi o addirittura riflettendo il calore nella camera per una combustione più efficiente del combustibile e una minore espansione termica grazie alla riduzione del calore assorbito. Un rivestimento a film secco è tipicamente applicato sulla gonna del pistone. Questo film secco aiuta a ridurre l’attrito e inibisce anche l’incrinatura durante il rodaggio iniziale. Un rivestimento a velo d’olio può essere applicato sul lato inferiore del pistone. Questo rivestimento ha lo scopo di respingere l’olio più rapidamente di una parte non trattata.

Determinare il rapporto di compressione

Non si può costruire un motore e non si può tenere conto del rapporto di compressione. Dovrete poi determinare quali sono i pistoni di compressione che meglio si adattano ai vostri obiettivi. Per questa sezione, rimuoviamo l’aspetto cast vs. ipereutettico vs. forgiato, e concentriamoci solo sull’utilizzo. Una regola generale è che è possibile eseguire un rapporto di compressione più alto per tutte le applicazioni a motore, normalmente aspirate, e se si aggiungono adders di potenza come un turbocompressore o un sovralimentatore, è necessario un rapporto di compressione più basso.

I rapporti di compressione più diffusi per le auto normalmente aspirate vanno da 9,5:1 in su. Anche in questo caso, un rapporto di compressione più alto renderà un motore più reattivo e potente, ma è anche più soggetto a problemi di detonazione se la melodia non è accurata. Inoltre, un più alto numero di ottani è solitamente richiesto quando si passa a pistoni a compressione più elevata per impedire la detonazione. I rapporti di compressione più diffusi per applicazioni turbo o sovralimentate vanno da 8,0:1 a 9,5:1. Più alto è il rapporto di compressione, migliore deve essere la vostra sintonia per evitare la detonazione del motore.

Prima di selezionare i vostri pistoni, dovete conoscere l’altezza di compressione desiderata di tale pistone, in modo da poter arrivare al rapporto di compressione effettivo del motore. L’altezza di compressione è la distanza tra la linea centrale dell’alesaggio del perno del polso e la parte superiore del pistone. Quando si usa un pistone con la parte superiore piatta, questa può essere una semplice matematica. Ma, aggiungere tacche di valvola o una cupola “pop-up”, e ora è necessario utilizzare la zucca. Il volume della cupola del pistone è tipicamente qualcosa che il produttore pubblicherà, ma se per qualche motivo, si sta utilizzando swap-meet di provenienza pistoni, avrete bisogno di capire le cose da soli. Per fare questo, il volume è composto dalla cupola (materiale sopra il ponte del pistone), meno le tacche delle valvole. Questo numero finale sarà o un negativo o un positivo. Se il volume della cupola è maggiore del volume delle tacche (tipico), allora si ha un’altezza positiva della cupola. I pistoni a cupola diminuiranno il volume della camera di combustione poiché la cupola occupa spazio sopra la coperta del pistone e nella camera della testa del cilindro. Con i pistoni a testa piatta, il volume considerato è solo il gioco delle tacche delle valvole, se così dentellate. Se i pistoni sono stati massaggiati con tagli o profilature personalizzate sulle cupole, l’unico modo per ottenere con precisione il volume cc è quello di misurare direttamente le cupole.

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Versione per la lettura della velocità: Confronto dei materiali dei pistoni

Pistoni in alluminio fuso

  • Il più adatto per i motori di serie.
  • Prezzo più basso.
  • Il tipico pistone fuso viene fuso e poi versato in uno stampo che ha la forma del prodotto finito. Gli stampi a pistone sono stampi permanenti, realizzati in forme di acciaio in più pezzi. La fusione risultante richiede una lavorazione minima. I pistoni fusi costano meno e, come tali, sono progettati come un’opzione di sostituzione economica. Per questo motivo, non sono adatti per applicazioni ad alte prestazioni.

Pistoni in alluminio ipereutettico (colato)

  • Il più adatto fino a circa 600-650 cavalli di potenza in motori normalmente aspirati.
  • Al centro del punto di prezzo della strada.
  • Il pistone ipereutettico è anche un pistone fuso, ma con l’aggiunta di silicio (circa il 16%), per produrre una versione più dura e resistente all’usura del pistone fuso standard. Il silicio stesso si espande meno dell’alluminio, perché agisce anche come isolante, impedendo all’alluminio di assorbire tanto calore operativo quanto un pistone fuso standard. Un altro vantaggio dell’aggiunta di silicio è che il pistone diventa più duro e meno soggetto a graffi. Inoltre, il più alto contenuto di silicio dei pistoni ipereutetici permette una maggiore distanza da un pistone all’altro, migliorando la tenuta alla combustione grazie alla ridotta oscillazione del pistone durante la sua corsa nel cilindro.
  • A causa del maggiore contenuto di silicio, l’ipereutettica è una lega meno duttile ed è meno indulgente se usata con applicazioni potenziate e/o nitrose, il che li rende più adatti per motori normalmente aspirati.

4032 Pistoni in alluminio forgiato

  • Il più adatto per motori che producono fino a 1.000 cavalli normalmente aspirati.
  • Prezzo più alto.
  • I pistoni forgiati sono i più forti sul mercato. Il processo di produzione è diverso da quello di un pistone fuso, perché l’alluminio non è fuso come quello di un pistone fuso. Invece, un lingotto di alluminio caldo viene forzato nello stampo semplice. Il risultato è un pistone grezzo che ha bisogno di una lavorazione finale maggiore di quella di un pistone fuso prima di diventare un pistone. La lega 4032 forgiata è una lega ad alto contenuto di silicio (circa l’11%), con caratteristiche di bassa espansione. I pistoni realizzati con questa lega possono utilizzare un gioco più stretto tra il pistone e la parete, ottenendo una tenuta più stretta con meno rumore e un minor graffio rispetto al suo cugino 2618. Questa tolleranza più stretta impedisce al pistone di oscillare, creando un pistone più stabile.
  • A causa del maggiore contenuto di silicio, 4032 è una lega meno duttile. Ciò significa che è meno indulgente se usata con applicazioni potenziate e/o nitrose. Hanno una minore resistenza alla detonazione, il che li rende più adatti per motori che utilizzano quantità minime di spinta, o motori normalmente aspirati.

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2618 Pistoni in alluminio forgiato

  • Ideale per motori che producono fino a 1.200 cavalli di potenza, e ideale per i motori che utilizzano power adders.
  • Prezzo più alto.
  • Il materiale di alluminio 2618 contiene un basso contenuto di silicio (circa il 2 per cento). Questo basso contenuto di silicio crea caratteristiche di alta espansione, ed è la lega tipicamente utilizzata per applicazioni da corsa per impieghi estremi. Grazie alla sua caratteristica di alta espansione, i pistoni 2618 sono progettati per utilizzare una maggiore distanza tra il pistone e il cilindro. Ciò significa che quando si avvia il motore a freddo, i pistoni possono essere sentiti, e questo è comunemente chiamato “slap del pistone”. Una volta che il motore si riscalda, il rumore dello “schiaffo” si attenua man mano che il pistone si espande fino al suo normale gioco di funzionamento.
  • Il 2618 è una lega più duttile, e questa caratteristica conferisce una maggiore resistenza alla detonazione. Queste caratteristiche permettono al pistone di sopravvivere ad alcune delle condizioni più estreme, ma la longevità è alla fine compromessa dopo innumerevoli cicli di calore.

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