Come sono fatti e come incidono ulla guida delle moto. Terza puntata del nostro viaggio nel pianeta due ruote
In questa puntata siamo costretti ad abbandonare ma solo temporaneamente, gli scooter, per semplici motivi di spazio. Parleremo infatti dei motori utilizzati sulle moto, iniziando con quelli a cilindro singolo e a due cilindri. Questo argomento, se sviluppato anche solo in parte, farebbe sembrare la Treccani una pubblicazione ¡°pocket¡± pi¨´ piccola di Urania. Torneremo sugli scooter presto ma i motori di cui parleremo in questa puntata sono utilizzati anche sugli scooter, in diversa configurazione naturalmente. Pensando anche a chi non si ¨¨ mai interessato a questi argomenti, illustreremo i ¡°fondamentali¡± del motore a scoppio ma non solo, perch¨¦ ci addentreremo nei misteri della tecnica pi¨´ recente. Prima dentro, partiamo!
Il motore a scoppio non esplode
¡ª ?Con ¡°scoppio¡± si intende l¡¯espansione, per quanto molto energetica e ¡°violenta¡±, della miscela aria/benzina all¡¯interno di un motore a pistoni. La definizione corretta ¨¨ ¡°motore endotermico alternativo¡±, dato che l¡¯energia chimica contenuta nella benzina viene trasformata, passando per alcune ¡°fasi¡± termodinamiche, in energia cinetica. L¡¯energia cinetica ¨¨ riferita al movimento, nel nostro caso a quello dei pistoni che scorrono all¡¯interno dei cilindri. I pistoni si muovono di moto rettilineo, su ¨¨ gi¨´ per i cilindri: il loro movimento viene infine trasformato in rotatorio tramite un meccanismo, composto da una biella che collega i pistoni a un albero rotante e finalmente l¡¯energia prodotta dalla combustione dll benzina ¨¨ trasportata, tramite degli ingranaggi alla ruota motrice. Pensandoci bene, il motore ¨¨ un meccanismo complicato e numerose sono le dispersioni di energia dal serbatoio alla ruota motrice: principalmente tramite attriti ma non solo. Un motore moderno riesce a convertire in ¡°movimento¡± utile circa il 25% con punte del 30% dell¡¯energia contenuta nel combustibile. Praticamente buttiamo il 70% dell¡¯energia disponibile inizialmente nel carburante. Vien da pensare che in un secolo di sviluppo tecnologico, forse si poteva trovare qualche soluzione un po¡¯ pi¨´ efficiente.
Ne ¨¨ rimasto soltanto uno
¡ª ?Esclusi progetti poco pi¨´ che prototipali, esistono due tipi di motori a pistoni: si differenziano per i cicli di funzionamento, a ¡°2 Tempi¡± e a ¡°4 Tempi¡±. Il 2 Tempi per motivi praticamente irrisolvibili, inquina troppo ed ¨¨ stato quasi del tutto abbandonato a favore del pi¨´ complicato meccanicamente ma meno ¡°fumoso¡±, 4T. Il 4 Tempi si chiama cos¨¬ perch¨¦ il suo ciclo di lavoro completo si realizza in 4 fasi. Aspirazione/iniezione della benzina miscelata all¡¯aria necessaria alla combustione; compressione di tale miscela semi gassosa; espansione (scoppio...) della miscela incendiata dalla scintilla di una candela; scarico dei gas combusti. Lo schema costruttivo comprende una testata, dotata di condotti di aspirazione e scarico, la cui apertura e chiusura ¨¨ regolata da valvole. La testata ¨¨ montata superiormente a un cilindro e lo sigilla completamente dall¡¯ambiente esterno. All¡¯interno del cilindro scorre, in moto alternato, il pistone, collegato tramite un biella a un albero motore. Nella testata ¨¨ ricavata una camera di combustione con tre pareti fisse, (testa e cilindro) e una mobile, rappresentata dalla parte superiore del pistone. La miscela aria-benzina ¨¨ incendiata da una candela: durante la combustione questa miscela di gas si espande ¡°spingendo¡± con notevole energia sulle pareti della camera di combustione. L¡¯unica parete mobile ¨¨ quella del cielo del pistone che viene spinto dalla massa gassosa infuocata. In questo istante l¡¯energia termica dei gas si converte in energia cinetica rappresentata dal movimento del pistone che mette a sua volta in movimento la biella. Questo componente fondamentale si muove in parte di moto rettilineo (la parte collegata al pistone) e in parte rotatorio mettendo in movimento l¡¯albero motore. Ripetiamo, vi viene in mente un sistema pi¨´ astruso per far ruotare un albero motore? Mah, questo ¨¨ un mistero lungo un secolo che di certo non trover¨¤ qui adeguata risposta.
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Il bellissimo ¡°accrocchio¡±
¡ª ?Innegabile che uno ¡°sbaglio¡± pu¨° essere gustoso e cos¨¬ ¨¨ il motore a 4 Tempi: nonostante le complicazioni meccaniche e il ridicolo rendimento, ¨¨ sicuramente esaltante una volta installato in un veicolo. Da sempre regala emozioni forti, soprattutto nelle versioni sportive, cio¨¨ per noi motociclisti, praticamente tutti: qualsiasi moto, infatti, per quanto con ¡°indole¡± di progetto ¡°tranquilla¡± ¨¨ sempre una ¡°belva¡± se paragonata ad un auto: accelerazione, dinamica della guida, sono distanti anni luce dal piatto, apprezzabile, asettico comfort di un¡¯automobile moderna. Prima che ci prendiate per talebani delle due ruote considerate le Supercar pi¨´ potenti, quelle del ¡°club dei 4 secondi¡±, cio¨¨ auto in grado di scendere sotto i 4 secondi nella prova 0-100 km/h con partenza da fermo. Parliamo di auto che costano come una villa sul lago di Lecco dotate di non meno di 700 Cv, pochissimi modelli per pochissimi milionari. Ora, se entrate nel primo concessionario di moto, di qualsiasi marca e sborsate non pi¨´ di 17-18.000 euro per una qualsiasi ¡°mille¡± o ¡°750¡± sportiva, avrete tra le mani un missile che i 0-100 se li beve in 2,9 secondi, tutto chiaro? Prestazioni al top del top, alla portata di molti, la moto ¨¨ la democrazia della potenza.
Il motore ¡°tuttofare¡± di una moto
¡ª ?Come ripetuto pi¨´ volte, lo spazio e il peso su una moto valgono oro. Non si parla di cm ma di mm e mai di kg bens¨¬ di grammi. Per questo il propulsore ¨¨ spesso sfruttato come componente strutturale del telaio: la rigidezza necessaria a contenerne la potenza e la coppia motrice sono una manna da sfruttare. Esistono comunque telai come quelli da cross che non richiedono rigidezze elevate, anzi, per cui il motore ¨¨ semplicemente appoggiato su uno o due tubi sottili che si distaccano da quello principale. Per capire con quanto amore i progettisti definiscano i loro progetti, chiamano questi telai ¡°a culla¡± o ¡°doppia culla¡±. che tenerezza anche nella meccanica.
I primi motori motociclistici
¡ª ?Sono moltissime le interpretazioni e gli schemi utilizzati per i motori da moto, in modo da ottenere le migliori performance. Le moto sono influenzate moltissimo da posizione, ingombro, erogazione della potenza del motore. In questa puntata prenderemo in considerazione i monocilindrici e i bicilindrici a V: questo per darvi l¡¯idea i quanto sia esteso l¡¯argomento anche valutando solo le principali caratteristiche.
Monocilindrico, il solitario
¡ª ?L¡¯unico cilindro ¨¨ posizionato in verticale o pi¨´ spesso leggermente inclinato in avanti. La tendenza a spostare il peso dei motori verso l¡¯anteriore ¨¨ giustificata dall¡¯esigenza di trasferire carico sul pneumatico. La forza generata dal pneumatico infatti ¨¨ espressa da una formula del tipo FA= u FT dove FA ¨¨ la forza generata dall¡¯attrito con l¡¯asfalto u ¨¨ il coefficiente di attrito e FT la forza perpendicolare che ¡°carica¡± il pneumatico. Osservando questa formuletta, ¨¨ evidente che possiamo aumentare l¡¯aderenza montando pneumatici con maggior coefficiente d¡¯attrito (quello che si fa in gara con le ¡°soft¡± che per¨° durano meno) oppure aumentando il carico verticale che agisce sulla gomma. Spostando in avanti pi¨´ masse possibili, si aumenter¨¤ quindi la tenuta della gomma anteriore, cosa graditissima da ogni motociclista. Ci siamo dilungati in questa spiegazione per mostrare quanto conti qualche mm di spostamento del motore sulla dinamica di una moto. Il motore a cilindro singolo ¨¨ in grado di erogare con estrema prontezza un¡¯ottima spinta ai bassi regimi, anche se a costo di qualche ¡°strappo¡± di trasmissione. Fino ai medi regimi il mono esprime un¡¯eccellente coppia motrice ma poi la spinta sfuma salendo di giri. Queste caratteristiche, assieme alla compattezza, lo rendono perfetto per le applicazioni in offroad, cross, enduro, trial e per le cilindrate pi¨´ piccole, oltre ad essere scelto per i pochi motori 2 Tempi in circolazione. Vibra parecchio e richiede per questo due contralberi di bilanciamento.
Bicilindrico, ¨¨ lui il migliore?
¡ª ?Molti tecnici e motociclisti sostengono sia la costruzione perfetta per l¡¯uso motociclistico. Un esempio per tutti i ¡°twin¡±, il motore Pantah di Ducati degli Anni 70: questo bicilindrico (da 500 e 600 cc) a ¡°L¡± cio¨¨ a V longitudinale di 90¡ã, due valvole pr cilindro, alimentato a carburatori e raffreddato ad aria, ha dominato in pista nei campionati TT1 e TT2, dedicati alle derivate di serie, grazie alle fenomenali performance ma anche al loro peso piuma. Questo grazie a un progetto lineare che ha sempre perseguito semplicit¨¤ e affidabilit¨¤. Questi motori dalle moto da pista sono passati a spingere le ¡°navi del deserto¡±, moto velocissime protagoniste nella Parigi Dakar e nelle gare ¡°africane¡± dei primi tempi, competizioni durissime in cui la meccanica subiva una demolizione progressiva nei 10.000 km dei deserti attraversati. Il Pantah nelle sue evoluzioni ¨¨ arrivato a spingere le Cagiva a oltre 200 km/h sulle dune per poi tornare, in versione ulteriormente evoluta ma solo in piccoli dettagli, sulle sportive bolognesi da pista in tempi pi¨´ recenti. Gli ingombri trasversali di poco superiori a quelli di un grosso monociclindrico consentono di realizzare moto molto strette e quindi dalla buona penetrazione aerodinamica, elevata come la maneggevolezza. I bicilindrici, siano essi trasversali (Moto Guzzi) sia longitudinali, variano moltissimo le loro dimensioni e prestazioni anche in base agli angoli tra i cilindri. Si va dai 45¡ã di motori Harley-Davidson, passando per i 56¡ã utilizzati da alcuni costruttori Usa, ai 60¡ã (Aprilia), 72¡ã (Moto Morini), 90¡ã (Moto Guzzi trasversali, Ducati longitudinali), 180¡ã (Bmw, il cui schema con i cilindri ¡°piatti¡± ¨¨ detto anche ¡°Boxer¡±). I 45¡ã scelti da Harley limitano la misura dell¡¯alesaggio dei pistoni, dato che aumentandolo si arriverebbe al contatto delle basi dei cilindri. Anche, ma non solo, per questo l¡¯aumento di cilindrata di questi motori ad aste e bilancieri (che comandano l¡¯apertura delle valvole) ¨¨ stato conseguito aumentando la corsa, cio¨¨ la distanza percorsa dai pistoni all¡¯interno dei cilindri. La corsa pi¨´ lunga permette di sfruttare completamente l¡¯espansione della miscela aria benzina in combustione ma limita il numero di giri raggiungibile, dato che la velocit¨¤ del pistone all¡¯interno del cilindro raggiungerebbe valori cos¨¬ elevati da mettere in crisi bielle, pistoni e altre parti meccaniche. In compenso ne guadagna la spinta ai medi regimi e non ¨¨ una novit¨¤ se vi ¨¨ capitato di vedere un¡¯Harley ¡°dare gas¡± partendo da un semaforo. Il V2 longitudinale permette di contenere gli ingombri trasversali della moto, guadagnando in penetrazione aerodinamica ma perch¨¦ la moto non sia troppo lunga ¨¨ necessario ¡°chiudere¡± l¡¯angolo della V tra i cilindri. Ma come accade con la nota coperta troppo corta, avvicinando i cilindri il motore sar¨¤ piuttosto alto, alzando anche il baricentro della moto. Una moto con il baricentro alto sar¨¤ in linea di massima rapida nello scendere in piega ma lenta nel rialzarsi quando ¨¨ molto inclinata. Inoltre, in particolare durante le frenate pi¨´ potenti (o quelle di emergenza su strada) il trasferimento di carico dal posteriore verso l¡¯avantreno sar¨¤ pi¨´ accentuato. Alt, non preoccupatevi ci fermiamo qui, per ora: abbiamo solo voluto mostrare con un esempio concreto quanto si incida su molte caratteristiche della moto, variando un singolo parametro. Per questo, passando al nostro spettacolare sport, durante un weekend di gara pu¨° capitare che le prestazioni di due ottimi piloti, dello stesso team, dotati della stessa moto, siano agli antipodi. Tornando al bicilindrico longitudinale a ¡°V stretto¡±, va sottolineato che la disposizione di cilindri, allontanandosi dall¡¯unica configurazione naturalmente bilanciata, il V2 di 90¡ã, richiede a presenza di due contralberi per contenere le vibrazioni. Non si tratta di cosa da poco: pensate di avere davanti a voi, appoggiato su un tavolo, un motore a V di 60¡ã da 1000 cc e immaginate, magari colpendolo con un martello di gomma pesante, di metterlo in vibrazione come se fosse acceso. Immaginate la forza, l¡¯energia necessaria? Bene, dato che l¡¯unica energia prodotta su una moto ¨¨ quella creata dal motore, le vibrazioni ne sottrarranno una buon parte per mettere in ¡°inutile movimento¡± il rigido blocco di alluminio dell¡¯insieme del motore. Sono Cv che se ne vanno senza produrre lavoro utile, sotto forma di calore che si disperder¨¤ nell¡¯aria. Quindi i contralberi riducono le vibrazioni e questo ¨¨ un bene (alla lunga anche i carter cedono sotto la forza vibrante) ma sono un rimedio che ha un prezzo in termini di potenza persa per strada. Un prezzo che evidentemente i progettisti sono disposti a pagare a fronte di altri vantaggi. Ducati infatti sui propri bicilindrici a V di 90¡ã non monta contralberi, risparmiando sia sui costi vivi dei contralberi e del comando che li aziona e sui costi di produzione, dato che si eliminano parti da assemblare. Infine il carter motore risulta pi¨´ compatto e non si devono prevedere circuiti di lubrificazione aggiuntivi, per concludere con un buon risparmio di peso che quantifichiamo in un paio di kg, almeno. Non ¨¨ roba da niente, pensandoci bene, se in pi¨´ si considera il detto che recita ¡°quel che non c¡¯¨¨, non si rompe¡±.
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Addentriamoci nella Tecnica
¡ª ?Ora seguiteci con attenzione: se siete quasi a digiuno di tecnica motociclistica e stiamo riuscendo a incuriosirvi con questi articoli, vi avvisiamo: quel che stiamo per spiegare potr¨¤ essere un argomento con cui ¡°stendere¡± i vostri amici super esperti. L¡¯argomento potrebbe sembrar banale in principio: sia Moto Guzzi sia Ducati (portiamo le due case solo come esempio chiaro e immediato) utilizzano motori bicilindrici a V di 90¡ã. Moto Guzzi ha scelto una V trasversale, cio¨¨ a 90¡ã rispetto all¡¯asse longitudinale della moto. La V del motore Ducati ¨¨ disposta invece longitudinalmente. Senza considerare nello specifico i due marchi, le prestazioni di un bicilindrico a V di 90¡ã traversale e uno longitudinale di pari cilindrata dovrebbero essere sostanzialmente equivalenti. Invece le Superbike pi¨´ veloci e i prototipi della MotoGP con motori a V seppur a 4 cilindri, la disposizione del motore ¨¨ sempre longitudinale, senza esclusione. Come dicevamo motivi per scegliere il V longitudinale e non trasversale su moto sportive esistono, ovvio, ma uno in particolare sar¨¤ quello che, come detto, vi offrir¨¤ la giusta ¡°rivincita¡± sugli amici sapientoni. Iniziamo col dire che non c¡¯¨¨ modo di ridurre l¡¯ingombro dei cilindri di un V di 90¡ã trasversale: la soluzione era validissima ai tempi del raffreddamento ad aria, che investiva le alette in pieno durante la corsa, mentre per un motore a L si deve addirittura prevedere un diverso orientamento delle alette per ottimizzare il raffreddamento di testate e cilindri. Pi¨´ importante un negativo ¡°effetto collaterale¡±: l¡¯albero motore (ogni componente in rotazione in realt¨¤) quando varia la propria velocit¨¤ di rotazione, cio¨¨ quando il motore accelera, produce una forza, detta ¡°coppia¡± motrice orientata in modo da accelerare di conseguenza le ruote e quindi la moto, ma come reazione (la legge di azione e reazione, la ricordate?) si generer¨¤ una coppia uguale e contraria. Dato che l¡¯albero motore nel V trasversale ¨¨ disposto lungo l¡¯asse della moto, il risultato finale sar¨¤ uno spostamento della moto stessa in direzione opposta alla rotazione del motore. In sostanza, ad ogni accelerata la moto si ¡°sposter¨¤¡± di lato, lo sanno bene i proprietari di Bmw con motore Boxer e naturalmente i Guzzisti. Questa forza viene chiamata ¡°coppia di rovesciamento¡± e naturalmente ¨¨ presente anche sui motori a V trasversale come quelli a L di Ducati, ma dato che l¡¯albero motore ¨¨ disposto a 90¡ã rispetto all¡¯asse della moto, la ¡°coppia di rovesciamento¡± avr¨¤ l¡¯effetto di ¡°sollevare¡± il muso della moto (dato che nei motori motociclistici tradizionali l¡¯albero gira nello stesso senso di rotazione delle ruote). Sicuramente meno fastidioso rispetto a una moto che tenda a sollevarsi o a ¡°sdraiarsi¡± in piega durante le accelerazioni pi¨´ violente. Certo, con le potenze oggi in gioco la tendenza ad impennare durante le accelerazioni comunque disturba la guida: per questo le MotoGP hanno gli alberi motore che ruotano in verso contrario rispetto ai motori stradali: in questo moto la coppia di rovesciamento si opporr¨¤ all¡¯impennata di potenza, ¡°schiacciando¡± la ruota anteriore a terra durante le accelerazioni. Una soluzione dagli effetti efficaci adottata ormai da quasi tutte le supersportive stradali recenti che montano infatti motori ¡°contrototanti¡±. Quindi, ingombri laterali contenuti e assenza di reazioni dinamiche sgradite, due punti favore del bicilindrico a L.
Potenza irregolare
¡ª ?Un vantaggio del motore a V longitudinale ¨¨ la possibilit¨¤ di utilizzare vantaggiosamente una successione degli scoppi ¡°irregolare¡±: avrete sicuramente sentito la differenza tra il suono di scarico di una Ducati e di una Moto Guzzi. Entrambe sono bicilindriche, a V di 90¡ã, ma sulle Guzzi la successione degli scoppi ¨¨ distribuita a intervalli regolari lungo i due giri che l¡¯albero motore deve compiere per completare il ciclo di funzionamento. Quindi scoppia il cilindro sinistro, l¡¯albero ruota di 360¡ã+90¡ã (cio¨¨ un giro pi¨´ l¡¯angolo della V tra i cilindri) e scoppia il cilindro destro. Vi ¨¨ un lungo intervallo tra i due scoppi (e quindi tra le ¡°spinte¡± di pistoni) che per¨° sono equidistanti tra loro. Il motore a V di 90¡ã usato da Ducati invece prevede lo scoppio del cilindro verticale, seguito dopo 90¡ã (l¡¯angolo della V) dallo scoppio del secondo cilindro. Segue un lungo intervallo per arrivare alla successiva accensione del cilindro verticale. Un primo, evidente effetto ¨¨ il suono allo scarico, molto particolare sia per Guzzi e Ducati che montano motori con la stessa architettura dei cilindri. A ogni scoppio corrisponde un picco di coppia motrice, generata dalla spinta del pistone in fase ¡°attiva¡± mentre le altre fasi del ciclo 4 tempi, aspirazione, compressione e scarico sono ¡°passive¡± cio¨¨ non creano, anzi, assorbono potenza. Sui motori con distribuzione regolare degli scoppi la coppia motrice ha picchi di coppia distanziati tra loro, mentre sui motori a scoppi irregolari, i picchi di coppia ravvicinati sono seguiti da un lungo tempo in cui il motore non genera potenza. Questo, soprattutto in presenza di alti valori di coppia motrice cio¨¨ con motori molto potenti, aumenta la trazione durante la accelerazioni, contro ogni deduzione logica. Verrebbe da pensare che ¡°distanziando¡± le spinte del motore, la coppia motrice che il pneumatico posteriore deve scaricare a terra essendo pi¨´ regolare sia anche pi¨´ gestibile dalla gomma. Gli scoppi ravvicinati, ¨¨ vero, generano due picchi di coppia quasi contemporanei e la gomma posteriore in effetti pu¨° arrivare a perdere aderenza in questa fase di spinta, ma il lungo momento successivo durante il quale il motore non ¡°spinge¡± come detto, la gomma ha tempo di recuperare la massima aderenza, mentre con scoppi regolari la gomma motrice inizia a slittare sotto la spinta del motore ma non ha il tempo di recuperare aderenza se il secondo picco di coppia rimette sotto stress la gomma. Risultato, il pilota deve alleggerire il gas, cio¨¨ chiudere l¡¯acceleratore che, in soldoni questo significa accelerare meno efficacemente in uscita di curva. Si tratta di un effetto che si fa pi¨´ sensibile pi¨´ si guida la moto al limite ma anche viaggiando a velocit¨¤ stradali la situazione non cambia: in sostanza si ha una sensazione di maggior solidit¨¤ del retrotreno in accelerazione, di completa aderenza della gomma, il che influisce positivamente sulle sensazioni avvertite dal pilota che tende a ¡°fidarsi¡± maggiormente quando arriva il momento di ¡°dare gas¡± in uscita di curva, percorrendo traiettorie da manuale anche nella guida sportiva veloce. Accelerando dopo met¨¤ curva infatti la moto tende puntare il muso verso l¡¯interno, aumentando sicurezza e piacere di guida. La sensazione che si avverte guidando una moto con propulsore V2 di 90¡ã con scoppi irregolari ¨¨ di ¡°portarla¡± tra le curve in sequenza di una strada tortuosa sfruttando molto l¡¯acceleratore e poco il cambio. Alle prossime puntate il tre cilindri e sua maest¨¤, il ¡°quattro¡±, non perdetele Un lampeggio!
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