Breve descrizione degli o-ring

Partiamo dalla sua definizione: un o-ring è un anello di materiale elastomerico di forma toroidale che viene utilizzato come guarnizione.

E’ stato brevettato nel 1937 dal danese Niels Christensen. Esso viene geometricamente caratterizzato da un diametro interno (d1), dalla sezione del toroide (d2), dalla sua durezza e dal materiale di cui è composto.

o-ring dimension

La sua capacità di tenuta dipende da vari fattori come la natura dei fluidi con cui viene a contatto e la conseguente azione chimica sulla mescola, la temperatura massima e minima di lavoro e la finitura superficiale delle sedi che lo ospitano. Un altro fattore importante per la tenuta è il dimensionamento, ossia la dimensione interna ed il diametro del toroide. Non per ultimi il tipo della mescola e la sua durezza.

o-ring compression

A proposito di durezza, essa viene misurata in Shore (Sh) ed è un parametro che indica la capacità di resistere all’estrusione: maggiore è la durezza e maggiore sarà la capacità dell’o-ring di rimanere nella sua sede anche in condizioni di pressione elevata (quindi non essere estruso). Per questo vengono usati degli anelli anti-estrusione per evitare che l’ o-ring venga espulso dalla sua sede. A fianco una figura con l’o-ring in condizioni normali, compresso e con estrusione. La durezza varia da 0 Sh (materiale più morbido) a 100 Sh (materiale più duro); per dare un’idea, nelle applicazioni motociclistiche di mia conoscenza gli o-ring hanno una durezza tra i 70 Sh ed i 90 Sh..

Tenuta statica/dinamica e compressione assiale/radiale

Si definisce tenuta dinamica quando c’è movimento tra le parti che sono a contatto con l’anello e tenuta statica quando non c’è movimento tra le parti del sistema (in ambito motociclistico la quasi totalità delle volte l’o-ring viene usato in condizioni di tenuta statica).

A causa della sua forma toroidale, l’o-ring può fare tenuta sia con sollecitazione radiale che con sollecitazione assiale:

o-rinx axial                   o-ring radial

o-ring pistono-ring boreo-ring flangia

In base alle parti che compongono il sistema, possiamo classificare la tenuta in tre diverse famiglie:

  • Tenuta cilindro: o-ring precaricato radialmente
  • Tenuta pistone: o-ring precaricato radialmente
  • Tenuta flangia: o-ring precaricato assialmente

Nelle applicazioni di nostro interesse, ossia nel campo motociclistico, la quasi totalità delle applicazioni degli o-ring sono nel capo della tenuta statica, per cui d’ora in poi considereremo solo questo tipo. Per la sua progettazione esistono delle linee guida che andremo ad analizzare.

Nelle condizioni di tenuta l’o-ring viene compresso nella sua sede; il valore di tale schiacciamento deve essere attentamente calcolato in modo da garantire la corretta tenuta ed il buon funzionamento nel tempo. Sotto un grafico che mette in relazione lo schiacciamento percentuale con la sezione dell’o-ring. Si tenga conto che aumentando l’elasticità del materiale si deve aumentare lo schiacciamento percentuale per garantire una buona tenuta. Come si può vedere la compressione varia dal 10% al 30% e dipende dalla sezione dell’o-ring e dalla sua durezza.

o-ring compression

Per quanto riguarda il diametro interno si raccomanda che sia leggermente più piccolo del diametro della sede. Tipicamente il valore di “stretching” varia dall’ 1% al 8% nel caso di applicazioni statiche. Di conseguenza il valore dell’o-ring si può facilmente calcolare moltiplicando per 0.98 il diametro della sua sede..

O-ring calculator

Qui di seguito il link ad un programma di calcolo dei valori dimensionali. I valori da inserire sono il diametro della sede dell’o-ring (groove diameter) ed il diametro del foro (bore diameter) dove fare la tenuta. I valori preimpostati della compressione sono tra il 20% ed il 30% ma possono essere modificati.

o-ring calculator

Sollecitazioni

Vediamo adesso le sollecitazioni chimico e fisiche a cui è sottoposto un o-ring e che devono essere considerate per poter scegliere la mescola più adatta. Tali sollecitazioni possono influenzare la caratteristiche elastiche del materiale e di conseguenza la sua funzione di tenuta.

o-ring estrusione

Compression set: con questo termine si identifica la deformazione permanente a seguito di una compressione. Esso è influenzato dalle condizioni di utilizzo dell’o-ring e da tutte quelle azioni che modificano in modo permanente l’elasticità della mescola. Il fattore principale che influenza il comportamento elastico è l’invecchiamento che comporta una variazione della struttura molecolare e di conseguenza una riduzione delle proprietà elastiche. Come vedremo dopo, uno dei fattori che velocizza l’invecchiamento sono l alte temperature a cui può essere sottoposto l’o-ring. Un buon valore di compression set indica una stabile capacità di tenuta nel tempo. Sotto un disegno esplicativo del concetto di compression set: h0 è la dimensione iniziale, h1 è la dimensione sotto compressione , h2 è la misura una volta che la compressione è rilasciata.

Invecchiamento: l’invecchiamento dell’elastomero ha una grande influenza sulle prestazioni dell’o-ring. Oltre alla già citata temperatura anche le azioni meccaniche e gli agenti atmosferici aumentano l’invecchiamento del materiale. Questo perché i legami tra le molecole si vanno a modificare cambiando di conseguenza la caratteristica della mescola.

Temperatura: la temperatura ha un impatto sull’elasticità del materiale, oltre che essere uno dei fattori determinanti all’invecchiamento. Ogni mescola ha un coefficiente di dilatazione termica diverso: alle basse temperature perde elasticità e quindi la capacità di fare tenuta ed alle alte temperature si ammorbidisce aderendo meglio alle temperature ma risultando più soggetto all’estrusione.

Fluidi a contatto: i fluidi a contatto possono provocare sia un aumento di volume che una diminuzione. Nel primo caso il fluido penetra all’interno della mescola che ne fa aumentare di volume: questo può causare una modifica della struttura molecolare e di conseguenza una variazione dell’elasticità. Nel secondo caso il fluido si comporta come solvente disgregando i legami molecolari.

Materiali

Esistono vari tipi di materiale: NBR, FKM (conosciuto anche come VITON che però è il nome commerciale brevettato dalla DuPont Performance Elastomers L.L.C..), gomma siliconica, etc ed ognuno ha differenti caratteristiche di resistenza alla temperatura ad agli agenti chimici; inoltre, a seconda della mescola usata, avremo un anello più o meno resistente all’invecchiamento. Vediamo quelli maggiormente usati nelle nostre motociclette.

FKM: questo materiale è rinomato per l’elevata resistenza alle temperature e alle sostanze chimiche. Altri vantaggi rilevanti sono l’eccellente resistenza all’invecchiamento, agli agenti atmosferici, il basso compression set e l’ottimo comportamento a contatto con la benzina.

Limiti applicativi di temperatura:  -15 °C -> +200/250 °C

NBR: questa mescola ha buone caratteristiche meccaniche quali: l’elevata resistenza all’abrasione, buona resistenza ai lubrificanti e ai grassi a base di oli minerali, agli idrocarburi alifatici, ai grassi ed agli oli siliconici. Buon comportamento a contatto con la benzina.

Limiti applicativi di temperatura:  -20/-30 °C -> +100 °C

Di seguito alcune considerazioni:

  1. Quando sostituire un o-ring pulire attentamente le superfici di contatto: il canale deve essere ripulito dai residui del vecchio o-ring ed in generale da tutto lo sporco che si è depositato nel tempo.
  2. Gentilezza in fase di montaggio! Usare grasso al silicone e stare molto attenti al non lacerare il toroide durante l’installazione. In alcuni casi, ad esempio nei getti , è bene evitare che l’o-ring entri a contatto con la parte “affilata” della filettatura; questo può essere evitato mettendo un giro di scotch sul filetto oppure un paio di giri di nastro di Teflon (quello usato in idraulica). Una volta montato verificare che non ci siano segni di torsione (questo può accadere più facilmente nel caso di OR di grandi dimensioni).

  3. cercare di ritardare, per quanto possibile, l’invecchiamento limitando il contatto con agenti atmosferici; utilizzare mescole adatte a temperature più elevate  (dove le applicazioni lo richiedono) ed avere la cura di lasciare un velo di grasso al silicone in fase di montaggio (ovviamente per un o-ring all’interno di un carburatore a contatto con la benzina a poco serve tale grasso).

  4. A volte sento dire: “vai alla ferramenta e vedrai che un o-ring ce l’ha”! A meno che non si sappia esattamente la misura ed il tipo di mescola da usare è una minchiata andare dal panettiere sotto casa! Ovviamente dipende da dove vano montati e quanto costerebbe rifare il lavoro per sostituirli di nuovo dopo pochi mesi.
  5. Valutare attentamente quali sono i fluidi che entreranno a contatto con l’OR. Nelle applicazioni motociclistiche tipicamente i fluidi sono la benzina e l’olio.

FONTI:

  • Altre informazioni sono disponibili sul sito della Elastotech
  • Le immagini sono state prese dal sito della Trelleborg

Super MotoTecnica

Mototecnica, o meglio, Super Mototecnica è una rivista (qui il link) uscita in edicola a Dicembre del 1987.

Come spiega nel primo editoriale il direttore Bruno Del Prato, il nome della rivista doveva essere semplicemente Mototecnica ma purtroppo qualche furbone (bollato da Del Prato come “meschinello” ) gli rubò il nome e l’editore fu costretto ad aggiungere, scritto piccolo sulla T di MOTO, questo superlativo.

super mototecnica 1987

Guardando la composizione della redazione si legge la collaborazione di Massimo Clarke, che, a distanza di qualche anno, sarebbe diventato direttore della rivista.

Io al tempo avevo 14 anni e la rivista, ovviamente, mi passò inosservata; in quel periodo ero combattuto tra Motosprint e Starter (chi se la ricorda? 😉 ), ma la scoprii molti anni dopo rimanendone da subito affascinato. Ogni numero conteneva molti articoli: si spaziava dalla tecnica motoristica ai telai, dalle monografie alle guide di revisione dei motori. Il tutto spiegato minuziosamente. Se proprio vogliamo trovare un difetto gli articoli di pura teoria erano pieni di formule matematiche e grafici ed immagino che a molti potevano rimanere indigesti… (mentre io, con gli studi ingegneristici alle spalle, andavo in brodo di giuggiole).

Qualche anno fa decido di mettermi alla ricerca dei numeri che ritenevo più interessanti, ossia i primi 10 anni, dal 1987 al 1997. Dopo molti mesi mi imbatto un annuncio di un tizio che vendeva le annate complete dal 1987 a tutto il 2008 (!!!!) ad un prezzo di circa 400€…lo chiamo intenzionato a provare a portare via solo mezza collezione.  Il signore era un simpatico 65enne che si era “rotto le balle” di stare in Italia ed aveva deciso di trasferisti in Brasile. “Vado in culo a tutti, vendo casa e mi trasferisco in Brasile (con la nuova compagna) e con la mia pensione faccio una vita da signore!”. Il tipo era veramente convinto, stava vendendo un pò tutto, pure una collezione Treccani (“ragazzo, se vuoi ti vendo anche quella!”). Ci mettiamo a parlare del più e del meno e stiamo al telefono per quasi 45 minuti (ma che cosa ci saremmo mai detti???) e mi spiegò che il primo numero lo aveva acquistato nel 1987 quando fu ricoverato in ospedale per una gamba rotta e da allora, e per i successivi 20 anni, aveva fatto l’abbonamento annuale alla rivista.

Per farla breve alla fine ho preso tutti e 20 anni delle riviste ad un prezzo… molto buono…. 🙂

I tre pacchi sono arrivati in pochi giorni e dopo aver controllato tutto mi sono subito reso conto che non mancava nemmeno mezzo numero, tutto era conservato perfettamente! Non solo, tutti i numeri erano imbustati ed alcuni addirittura erano ancora nel cellophane mai aperti. Ecco una foto con tutti gli anni impilati e con le riviste nelle buste di plastica:super mototecnica

Per quanto riguarda il materiale cartaceo è quello a cui tengo più di tutto. Ogni tanto mi apro l’indice generale e scelgo un argomento più o meno a caso, vado nella libreria e tiro fuori la rivista. 🙂

A proposito di indice, qua la pagina dove si può trovare l’indice di tutti gli argomenti trattati da MotoTecnica del 1987 fino al 2008; è un file excel che ho compilato a “mano”  estrapolando i dati forniti sul sito di MotoTecnica (che adesso non sono più disponibili) che sono stati messi in un file Excel, scaricatelo e fatevi un’idea di quanto materiale è stato trattato in 20 anni di pubblicazioni.

Minarelli Compact System

Minarelli Compact System – Sottotitolo: come spendere mezzo stipendio in preda a manie di acquisto compulsivo su internet 😉

Ricordo benissimo i miei 14 anni quando andavo in giro per la mia città con un motorino Malanca il cui telaio era stato segato per ospitare un Minarelli P6 con gruppo termico Compact System. Se questo motorino lo avessi oggi probabilmente rimarrei deluso, ma mi piace ricordarlo come  un gran motore (al tempo ovviamente si andava in giro con il 19-19 della dell’Orto e la Giannelli… 🙂 ).

Passati più di venti anni ritrovo su Ebay, quasi per caso, un blocco motore simile al mio anche se completamente alluvionato; non fa nulla, lo acquisto (per una cifra insensatamente alta) e me lo faccio spedire a casa. La faccio breve, il blocco motore è stato completamente smontato e rifatto nuovo, tutto, senza badare a spese come se dovesse “andare in pista” il giorno dopo.

Sotto una foto del risultato finale, a questo indirizzo il report completo del restauro >>>

Buona lettura! 😉

minarelli compact system

Testa Desmo Ducati

Ho visitato spesse volte il sito di Carlo Leoncini (che è questo qua) ed ho sempre ammirato la precisione e la passione dei suoi lavori. La conferma l’ho avuta qualche anno fa quando passai a trovarlo nella sua officina, o forse è meglio dire “santuario” :). Officina ordinatissima, pulita e piena di strumenti di lavoro; per intendersi non è il classico meccanico che porta la testa in officina di rettifica oppure la spedisce in capo al mondo per farla lavorare, fa tutto da sé!

Andando nella pagina restauri ci sono centinaia di foto sui vari lavori da lui eseguiti, ad esempio guardatevi la documentazione fotografica del restauro del motore Ducati 250 e rimarrete allibiti….quando si dice “un lavoro fatto bene”!

Qualche giorno fa sono ricapitato nuovamente sul sito ed ho trovato un bellissimo reportage su restauro di una testa Desmo Ducati. Il link alla galleria è questo; sperando di non fargli gran dispetto pubblico alcune sue foto con lo scopo di invogliare i miei lettori a fare una visita virtuale (e non) alla sua Officina.

E’ ben noto il principio di funzionamento di una testata Desmodromica: la molla di richiamo che fa chiudere la valvola è stata tolta ed al suo posto viene usato un secondo bilanciere (per intendersi quello in basso fatto a “forchetta”) che provvede a tirare su la valvola al posto della molla. Nelle prime due foto si vedono i due bilancieri (quello di chiusura e l’altro di apertura) e la valvola (faccio notare che lo stelo della valvola deve essere ancora lavorato per poterci ancorare i bicchierini su cui appoggiano i “diti” dei bilancieri; inoltre manca la molla che tiene il bilanciere inferiore sempre appoggiato all’albero a camme).

Testa Desmo ducati 1

Testa Desmo Ducati 2

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In queste ultime due si vedono i bicchierini (ed il distanziale calibrato per il gioco valvola).

Testa Desmo Ducati 3

Testa Desmo Ducati 4

Accensione a puntine: principio di funzionamento

Parliamo adesso dell’accensione a puntine e del suo principio di funzionamento. Vediamo prima di tutto i componenti che sono coinvolti, che sono le puntine platinate, il condensatore, la bobina e la candela.

bobina accensione

La bobina è composta da due avvolgimenti: l’avvolgimento primario e l’avvolgimento secondario; il primo è tipicamente fatto con un filo di rame di dimensioni maggiori rispetto a quello del secondario per il motivo che viene percorso da correnti di maggiore intensità. Nel mezzo c’è un avvolgimento ferroso. L’avvolgimento primario è collegato alle puntine da una parte ed alla batteria dall’altra. Il secondario è collegato alla candela da una parte ed a massa dall’altra.

Il numero di spire del secondario è tipicamente 80-100 volte quello del primario.

accensione a puntine

Il compito delle puntine (qui di fianco un esempio) è quello di interruttore meccanico. Esse vengono comandate da una camma eccentrica che le fa aprire e chiudere ad intervalli prestabiliti. Insieme alle puntine c’è sempre un condensatore che viene montato in parallelo.

Come schema di un’accensione a puntine si faccia riferimento alla figura sotto riportata.

accensione a puntine

Fin tanto che le puntine sono chiuse il condensatore è tirato fuori gioco (è in corto circuito) e l’avvolgimento primario della bobina accumula energia. Dal momento che le puntine si aprono il condensatore inizia a caricarsi fino una ben determinata tensione e successivamente si scarica entrando in oscillazione con ampiezza sempre minore. Questo transitorio fa si che il campo elettrico generato dall’avvolgimento primario, concatenandosi con il secondario, produca una tensione in uscita dalla bobina AT di diverse decine di migliaia di volt. Questo genera la scintilla sulla candela.

accensione a puntineFacciamo un ulteriore step e cerchiamo di andare un pò più nel dettaglio. A puntine chiuse, possiamo schematizzare il circuito di accensione come un circuito RL alimentato dalla batteria della moto. R è la somma della resistenza della bobina, dei fili, del contatto delle puntine etc… mentre L è l’induttanza del primario della bobina. Dal momento della chiusura delle puntine la bobina inizierà ad accumulare energia secondo la legge 12li2 e la corrente aumenterà con legge esponenziale data dalla seguente formula: iditr

Mettendo tutto in un grafico avremo il seguente andamento:ind52

accensione a puntine

Al tempo t0 le puntine si chiudono. La legge è di tipo esponenziale e la corrente tende asintoticamente a V/R (V tensione batteria e R resistenza del primario; ad esempio supponenedo di avere R=3 Ohm e V=12V, la corrente sarà 4A).

Fino adesso la scintilla sulla candela non è ancora scoccata: essa si innescherà all’apertura delle puntine, vediamo il perché.  All’apertura delle puntine la corrente che attraversava il primario si interrompe ed il campo magnetico nella bobina collassa. Effetto di questo collasso è che, per un istante di tempo molto piccolo, la corrente sul primario continua a scorrere; a differenza di quando le puntine erano chiuse, adesso c’è il condensatore che viene attraversato da questa corrente ed inizia a caricarsi fino ad una certa tensione. Da questo momento si crea un’oscillazione della tensione ai suoi capi dovuta alla carica/scarica del condensatore ed il circuito RLC formato dalla bobina e dal condensatore oscilla con ampiezza sempre più ridotta (o meglio oscilla la tensione ai capi del condensatore e la corrente che lo attraversa). Queste oscillazioni sul primario della bobina, “amplificate” dal rapporto con il numero di spire con il secondario, danno qualche decina di KVolt ai capi della candela che fanno innescare la scintilla (per rendere l’idea, grossolanamente possiamo dire che nei sistemi di accensione a 12 volt, la tensione iniziale ai capi del condensatore è dell’ordine delle centinaia di volt, circa 200v-300v che generano, sul secondari, tensioni dell’ordine dei 20-30KV).

Vediamo tutto in un grafico (fonte: [1] ), che forse si capisce meglio:

accensione a puntine

Nel grafico abbiamo i KV presenti sul secondario (asse delle ordinate) ed il tempo in millisecondi (asse delle ordinate). Il picco iniziale è quello della prima carica/scarica del condensatore (per intendersi immediatamente dopo l’apertura delle puntine). L’arco di tempo in cui la tensione rimane abbastanza stabile (intorno ai 1.8KV) è quello in cui si ha la scintilla, dopo il circuito inizia ad oscillare e, causa repentino aumento di pressione all’interno della camera di scoppio (la scintilla è scoccata in anticipo rispetto al PMS) non c’è più sufficiente tensione per forare il dielettrico dell’aria.

Abbiamo capito quindi l’importanza del condensatore che, riassumendo, ha il duplice compito di:

  • fare si che i contatti delle puntine, all’apertura, non scintillino;
  • fase si che la scintilla sia di più lunga durata.

Come dicevo prima, i contatti delle puntine sono comandati tramite una camma in fase con l’albero motore e si aprono nel punto esatto della corsa del pistone in cui deve innescarsi la combustione della miscela aria-benzina. Il limite di questo tipo di accensione risiede nel comando dei contatti, che è troppo lento ai bassi regimi, mentre agli alti provoca il saltellamento del loro martelletto. Nel primo caso l’interruzione del flusso della corrente nel primario della bobina non è repentina e sulla candela non sempre si riesce a raggiungere la tensione necessaria  per l’innesco della scintilla. Nel secondo caso il saltellamento, unito agli elevati regimi di rotazione e quindi ai piccoli tempi a disposizione, non permette un’adeguata circolazione di corrente nel primario della bobina, provocando mancate accensioni della miscela in camera di combustione.

Queste problematiche sono state risolte con l’introduzione delle accensioni elettroniche che, al posto delle puntine, hanno un pickup che genera un segnale il quale viene elaborato dalla centralina in modo tale da generare la scintilla in un ben determinato istante.

Piccola digressione sul tema: ma perché c’è bisogno di variare la fasatura di accensione? In soldoni la miscela aria/benzina (nebulizzata) che si trova in camera di combustione, al momento dello scoccare della scintilla, non esplode immediatamente ma gli ci vuole un certo tempo. Ricordiamo che la fase di scoppio genera un forte aumento di pressione (e temperatura) che va ad esercitare una forza sul cielo del pistone. E’ stato osservato che il momento ottimale (ossia l’angolo di manovella) per far partire la combustione è quello per cui al PMS si ha il 50% dell’aumento totale di pressione. Questo vuol dire che nella prima fase di combustione il pistone verrà “ostacolato” in quanto è in compressione, e nella seconda fase si avrà la conversione in lavoro utile. L’angolo di manovella in corrispondenza del quale scocca la scintilla è chiamato angolo di anticipo. E’ dimostrabile che all’aumentare del numero di giri l’angolo di anticipo deve aumentare, per questo sono stati introdotti dei dispositivi meccanici (anticipo a masse centrifughe) od elettronici (pickup e/o centraline più o meno evolute) che in funzione del numero di giri varia l’angolo di accensione della benzina.

Se volete approfondire consiglio le seguenti letture:

[1]: dtec.net

[2]: globaldenso.com

[3]: crypton.co.za

[4]: tonyfoale.com

[5]: mgaguru.com

[6]: en.wikipedia.org