Valvola lamellare per moto da corsa realizzata in

Motorsport Case study
Valvola lamellare per una moto da corsa realizzata in Windform® FX e Tecnologia SLS
Introduzione
CRP Technology è costantemente impegnata nella ricerca e nello studio di nuove soluzioni e
nuovi materiali, applicati alla tecnologia della sinterizzazione laser, finalizzati al RP e RM.
In quest’ ottica si iscrive il nuovo progetto sviluppato (e tutt’ora in fase di testing e
miglioramento) dal dipartimento RP della CRP Technology in collaborazione con CRP
Racing riguardante lo sviluppo della valvola lamellare (o comunemente detta pacco
lamellare) per la moto 125 cc realizzata nel nuovo materiale flessibile Windform® FX con
l’apporto della tecnologia SLS.
Sviluppo
Il telaio del pacco lamellare realizzato in Windform® FX rappresenta un’eccellente
esempio di efficace connubio tra il settore R&D di CRP Technology e le applicazioni su pista
portate avanti da CRP Racing.
Gli aspetti più innovativi di questa applicazione risiedono proprio nel materiale utilizzato e
nei risultati ottenuti in termini di aumento del rendimento della valvola lamellare,
incremento della ripetibilità e velocità di produzione e relativo contenimento dei costi.
Il materiale utilizzato è il nuovo materiale della famiglia Windform ®: Windform® FX. Lanciato
nel giugno del 2007, Windform® FX è un materiale a base poliammidica di nuova generazione,
le cui caratteristiche meccaniche e ripetibili lo rendono particolarmente adatto ad applicazioni
di Rapid Manufacturing.
Applicazione in WINDFORM® FX e Tecnologia SLS: palline flessibili
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Windform® FX si denota infatti per un eccezionale resistenza alle ripetute sollecitazioni
di piegatura e di torsione e per un eccellente resistenza all’urto.
Esso è infatti un materiale particolarmente adatto alla realizzazione di componenti di RM anche
di forma complessa e con pareti sottili, ma soprattutto flessibili, frequenti specialmente nei
settori aerospaziali e del motorsport.
Scheda tecnica Windform® FX
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Ed è proprio grazie a queste sue specifiche proprietà strutturali che Windform® FX è
stato scelto per la realizzazione del telaio del pacco lamellare, componente che deve
essere consistente e soprattutto resistente agli urti e alle vibrazioni.
Per capire meglio la portata della scelta d’uso di Windform ® FX per la realizzazione del pacco
lamellare è bene descrivere brevemente il componente oggetto di studio e le relative
caratteristiche.
Il pacco lamellare diminuisce il flusso di gas dirottandoli in un'unica direzione attraverso petali
flessibili di metallo o fibra di vetro fissati sull'estremità che si apre e si chiude modificando la
pressione dell'estremità opposta della valvola.
Il pacco lamellare è costituito da un telaio a forma di cuneo nel quale la base è completamente
aperta e costituisce l'area d'ingresso lato aspirazione, mentre sulle facce laterali di dimensioni
maggiori sono ricavate delle finestre che costituiscono l'area di passaggio lato carter.
Al di sopra di tali finestre sono applicate delle lamelle elastiche sottili denominate “petali” che
le coprono completamente. I petali possono sollevarsi e permettere il passaggio del flusso
quando la differenza di pressione è favorevole.
Le dimensioni e la forma del telaio e delle finestre determinano la permeabilità del
componente con i petali in posizione di massima apertura, pertanto il dimensionamento è
funzione delle caratteristiche del motore e la forma è studiata per ridurre al minimo le perdite
fluidodinamiche.
Il petalo costituisce invece l'elemento che determina il funzionamento vero e proprio
del sistema, infatti dalle sue caratteristiche dipende la legge di apertura e chiusura della
valvola.
La funzionalità di questa valvola lamellare sta proprio nella regolamentazione dell’immissione
di gas freschi nella camera di manovella e/o combustione di un motore a due tempi.
Il pacco lamellare ha perciò una notevole importanza sulla prestazione della moto, in
quanto una buona alimentazione di un motore a 2 tempi risulta fondamentale per l’erogazione
della potenza e della coppia motrice.
Il ciclo del motore a due tempi
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1.
Aspirazione /compressione:
Il pistone, in salita verso il PMS (Punto Morto
Superiore), crea una depressione nel carter pompa,
e contemporaneamente apre la luce di
aspirazione.
La depressione richiama la miscela
(aria/benzina) fresca dalla luce di aspirazione
immettendola nel carter pompa, che la porterà
nel cilindro attraverso le luci di travaso nella fase
successiva.
2. Scoppio/scarico: questo ciclo avviene
immediatamente dopo l’accensione della
miscela. Durante la discesa del pistone verso il
PMI (Punto Morto Inferiore) avviene la
compressione della miscela nel carter pompa,
Nel momento in cui si aprono le luci di travaso
la miscela fresca aria-benzina entra nel
cilindro anche grazie alla depressione generata
dalla parte iniziale dell'impianto di scarico
aiuta il travaso dei gas freschi, durante questa
fase parte di questa miscela esce anche dalla
luce di scarico, mista a gas combusti.
In assenza di valvola, i gas uscirebbero dal collettore di aspirazione e non si creerebbe quella
pressione che permette il lavaggio della camera di combustione. Ecco l’importanza
dell’apertura e chiusura continua delle lamelle ad ogni ciclo: in tal modo se un motore da
competizione a due tempi raggiunge i 14,000 giri al minuto le lamelle compiranno circa
230 oscillazioni al secondo.
Aspetti cruciali del pacco lamellare
Gli sforzi principali a cui viene sottoposto normalmente il particolare in questione sono le
notevoli vibrazioni (ogni giro motore la lamella in carbonio va a sbattere contro la parete del
pacco lamellare) e il passaggio di benzina.
Perciò i problemi più critici che vanno tenuti presenti al momento della progettazione del
particolare sono i problemi di rottura dovuti alla grande depressione a cui sono sottoposti,
unita alle vibrazioni causate dai ripetuti colpi delle lamelle in carbonio contro le pareti di
battuta del pacco lamellare.
Ecco allora che il materiale di costruzione delle lamelle è importante non solo perché
esse sono sottoposte ad uno stress non indifferente ma anche perché devono esserci differenze
di rigidità. Il loro spessore e quindi la loro rigidità determina differenze di comportamento
rilevanti.
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In passato, per realizzare il pacco lamellare è stato utilizzato l’Alluminio con riporto di gomma
superficiale. Con questa tecnologia non vi erano particolari limiti legati alla prestazione del
pacco lamellare in sé (senza diffusore), tuttavia il costo relativo ad una produzione tipica per il
motorsport e quindi non di serie era davvero elevato. Allo stesso modo, i tempi di
approvvigionamento e la “libertà” di disegno e personalizzazione, non erano assolutamente
idonei per le applicazioni sportive. Inoltre, gli inserti interni (diffusori) venivano sviluppati e
prodotti manualmente, con difficilissima ripetibilità e senza una base scientifica, in quanto
venivano fatti mediante stuccatura e successiva lavorazione manuale.
Per tutte queste ragioni, CRP Racing in collaborazione con il dipartimento di R&D e RP
di CRP Technology ha scelto di testare nuove e diverse soluzioni per cercare di
ottenere un metodo scientifico, una esatta ripetibilità dopo aver trovato
sperimentalmente la migliore configurazione che possa ciò garantire la migliore funzionalità del
particolare, nell’equilibrio tra flessibilità e rigidezza.
Le soluzioni pensate e realizzate sono state sostanzialmente due.
In entrambi i casi si è partiti dall’ingegnerizzazione e lo studio CAD del componente.
La prima soluzione
La prima soluzione prevede la realizzazione del pacco lamellare con il suo diffusore
integrato, quindi un unico particolare, utilizzando il materiale Windform® FX.
L’obiettivo è quello di conferire una maggiore rigidezza a tutto il sistema.
Questa soluzione permette la realizzazione di un “gruppo” (Telaio + Diffusore)
estremamente compatto, e permette di ottimizzare al meglio i flussi aerodinamici nella
“transizione” tra telaio e diffusore, che ora sono integrati in un unico oggetto.
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Parte posteriore del pacco lamellare
Parte anteriore del pacco lamellare
La seconda soluzione
La seconda soluzione concerne invece la realizzazione del pacco lamellare (vedi
immagine sotto) in due pezzi, il telaio e il diffusore, utilizzando due diversi materiali:
- il diffusore viene sinterizzato utilizzando il Windform® XT, caricato carbonio.
- il telaio, che deve resistere all’urto delle lamelle, viene sinterizzato in Windform® FX.
+
Struttura in Windform® FX
Diffusore in Windform® XT, caricato carbonio
Il pacco lamellare
Questa soluzione garantisce una grande versatilità durante la fase di sviluppo e messa a punto
dei pacchi lamellari. E’ infatti possibile:
- variare la caratteristica del motore, realizzando diverse tipologie di diffusori, tutti
intercambiabili sullo stesso telaio, che possono essere facilmente sostituiti durante le
prove al banco o in pista, senza dover spostare le lamelle da un telaio all’altro. In
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questo modo i risultati delle prove sono perfettamente confrontabili e permettono di
validare la geometria migliore violentemente ad una frequenza molto elevata.
-
Sfruttare appieno l’elasticità del materiale Windform® FX usato per il telaio, quando i
petali “colpiscono” violentemente ad alta frequenza
CRP Pacco lamellare – parte anteriore
CRP Pacco lamellare – parte posteriore
I primi esiti di test al banco, nonostante le prime difficoltà incontrate, come solitamente
accade in tutti i primi progetti di sviluppo, hanno mostrato buoni margini di sviluppo e
certamente i test futuri serviranno a migliorare e sviluppare un progetto che certamente aprirà
una nuova strada nello studio dell'alimentazione del motore 2T.
Conclusioni
Le potenzialità insite in questo progetto stanno proprio negli obiettivi che si vogliono
raggiungere: i pacchi lamellari che abbiamo realizzato sono volti ad equiparare il risultato
ottenuto con le valvole tradizionali e per questo sono identici ad un pezzo campione realizzato
in alluminio.
Una volta individuata la configurazione che presenta i necessari requisiti strutturali e
prestazionali si può dare spazio a tutte le nuove idee di valvola lamellare senza più avere
limitazioni legate alla tecnologia di realizzazione del pezzo e cosa ancor più importante si può
garantire la ripetibilità del componente con costi contenuti.
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It is then possible to study many new ideas about reed valves, without having any shape
limits thanks to the new manufacturing technology and with a great repeatability of the
component but at a lowest cost, therefore improving the standard performance and the
engine power.
CRP Technology e CRP Racing ovviamente proseguiranno il lavoro iniziato, puntando
a migliorare e mettere a punto quelle imprecisioni o problemi non ancora risolti.
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