Pistoni, lo stato dell'arte

I motori 2T restano in auge tra alti e bassi e a distanza di tempo ricorrono alcune discussioni tipiche legate a questi motori.
Una di queste è quella sui pistoni, dei quali si può parlare per giorni seguendo diverse correnti di pensiero.
Prendo spunto da una discussione su MX Bars dei giorni scorsi per riesumare una mia vecchia nota circolata a suo tempo su SoloEnduro e legata all'articolo apparso su Motocross di settembre 2003 dove raccoglievo le mie idee e convinzioni sul vero "stato dell'arte" riguardo la costruzione dei pistoni.

Il pistone ideale dovrebbe avere i seguenti requisiti :

- Dilatazione pari a quella del cilindro (quindi bassissima)
- Ottima conducibilità termica
- Ottima resistenza all'usura
- Massa minima (compatibilmente con il profilo necessario)
- Alta temperatura di fusione
- Massima compattezza del materiale

Nella vita reale, i pistoni si discostano in modo variabile dallo standard ideale a seconda della composizione chimica del materiale impiegato e delle lavorazioni eseguite per ottenere il prodotto finito.
La lega di alluminio di partenza per la costruzione di pistoni può contenere, a seconda delle caratteristiche che il produttore vuole ottenere e dal ciclo di produzione impiegato, una quantità variabile di alcuni elementi determinanti :

Silicio - Ne aumenta la resistenza all'abrasione (resistenza all'usura) riducendo la dilatazione termica ma riduce anche la conducibilità termica e aumenta la fragilità.

Rame - Aumenta il punto di fusione e la conducibilità termica

Nickel - Aumenta la resistenza all'usura

Ogni produttore utilizza una propria formula di composizione del materiale che si discosta più o meno dalle leghe commerciali di Alluminio al silicio.
La produzione industriale di pistoni per motori a scoppio attualmente viene fatta con due metodologie ben distinte :

- per fusione in conchiglia (la lega di alluminio fusa viene versata in uno stampo metallico, in atmosfera inerte curando particolarmente il degasaggio onde evitare soffiature nel materiale)

- per stampaggio a caldo (La fucinatura, detta anche forgiatura dei pistoni viene fatta avvicinando uno stampo ed un controstampo al massello di materiale preriscaldato, schiacciandolo poi con pressioni dell'ordine di qualche migliaio di tonnellate.

Le caratteristiche del prodotto finito sono quindi sensibilmente differenti :

Pistoni fusi (Cast pistons) - Hanno una dilatazione molto bassa ma una resistenza all'usura ed una compattezza limitata; non sono generalmente molto leggeri e per questo i produttori di pistoni fusi giocano un po' sul profilo del pistone per ridurne il peso (spessori delle pareti, lunghezza del mantello, ecc.).Sono i pistoni normalmente utilizzati per la produzione in serie dei motori a scoppio.

Pistoni stampati (Forged Pistons) - Hanno una dilatazione molto + alta rispetto a quelli fusi, ma hanno una elevata resistenza all'usura e sono più compatti e più leggeri.Questi pistoni grazie alla loro compattezza vengono utilizzati su motori ad elevata compressione o su motori che lavorano con temperature della camera di scoppio molto elevate ove il fuso avrebbe dei seri problemi di esercizio.

Per entrambi i tipi di pistone, dopo la formatura vengono eseguiti alcuni trattamenti termici e le lavorazioni meccaniche di finitura.
Alcuni di essi inoltre hanno un riporto superficiale cosiddetto "di sacrificio" che velocizza il periodo di rodaggio evitando grippaggi.

A livello commerciale possiamo definire i seguenti prodotti venduti in tutto il mondo :

VERTEX Replica e Race - Sono pistoni di tipo fuso, hanno una dilatazione molto bassa e possono essere montati con accoppiamenti piuttosto stretti. Per contro non hanno una grande compattezza, non hanno grande resistenza ad usura ed hanno una temperatura di fusione relativamente bassa.Vengono impiegati spesso su motori da gara, ove è importante massimizzare la prestazione (grazie all'accoppiamento + stretto) e cmq. vengono sostituiti con una certa frequenza.

PRO-X (ART) - Sono pistoni di tipo fuso, hanno una dilatazione un poco + alta rispetto ai Vertex, hanno una buona compattezza (considerando che sono di tipo fuso) e resistenza all'usura. Essendo in una fascia prestazionale intermedia vengono spesso utilizzati per la produzione di serie di motori giapponesi.

WISECO - Sono i pistoni stampati più venduti al mondo; hanno una consistente dilatazione termica e devono essere montati con accoppiamenti relativamente laschi (0,08 - 0,10 mm.) e questo causa consumo di olio sui 4T e rumorosità durante la rotazione (sia 2T che 4T). I vantaggi consistenti derivano dalla leggerezza e dalla resistenza all'usura di questi pistoni. L'elevata compattezza li rende utilizzabili in tutte quelle applicazione ove vi sia elevato rapporto di compressione e/o possibilità di detonazioni.
Vi sono poi altri produttori di pistoni, come Mahle ed Asso che attualmente lavorano per lo più nel settore automobilistico.

VERTEX Pro - sono pistoni stampati che a differenza dei Wiseco hanno una dilatazione termica relativamente bassa mantenendo nel contempo le altre caratteristiche tipiche dei pistoni forgiati.

In conclusione, sia su motori 2T che su motori 4T, la scelta del tipo e della marca di pistone da adottare dovrebbe essere fatta considerando globalmente diversi fattori, tra cui :

- Tipo di motore (2T o 4T)
- Rapporto di compressione
- Regime massimo di rotazione
- Cilindrata
- Temperature nella camera di scoppio
- Dimensione dell'accoppiamento da realizzare
- Frequenza delle ispezioni al gruppo termico
- Tempo di rodaggio e prestazione iniziale
- Durata delle prestazioni del pistone
- Costo
- Reperibilità dei ricambi e degli accessori