Una biella è la parte di un motore a pistoni che collega il pistone all'albero motore. Insieme alla manovella, la biella converte il movimento alternativo del pistone nella rotazione dell'albero motore.
La biella è necessaria per trasmettere le forze di compressione e trazione dal pistone. Nella sua forma più comune, in un motore a combustione interna, permette la rotazione sull'estremità del pistone e la rotazione sull'estremità dell'albero.
Il predecessore della biella è un collegamento meccanico utilizzato dai mulini ad acqua per convertire il movimento rotatorio della ruota idraulica in movimento alternativo. L'uso più comune delle bielle è nei motori a combustione interna o nei motori a vapore.
Di seguito sono riportate le parti della biella:
La biella converte il movimento lineare su e giù del pistone nel movimento circolare dell'albero motore ed è quindi soggetta a tensione, compressione, flessione e deformazione.
La biella crea il collegamento tra il pistone e l'albero motore e quindi trasmette potenza. Converte il movimento lineare su e giù del pistone nel movimento circolare dell'albero motore ed è quindi soggetto a tensione, compressione, flessione e deformazione.
La biella è montata sul perno di biella dell'albero motore con un cuscinetto a strisciamento. Il cappello del cuscinetto di biella è imbullonato all'estremità di biella. Nella maggior parte dei casi, la biella è cava o provvista di un condotto interno dell'olio fuso per fornire lubrificante allo spinotto.
Per ottenere un peso minimo e un'elevata resistenza, le bielle sono realizzate con i seguenti materiali:
Le bielle prodotte in serie sono forgiate, fuse o sinterizzate. Le bielle forgiate mostrano un migliore rapporto resistenza/peso e costi inferiori rispetto alle bielle sinterizzate. La produzione degli stampi è tuttavia relativamente costosa.
Di seguito sono riportati i tipi di bielle, utilizzati in vari tipi di motori:
Il tipo semplice di biella è utilizzato nei motori in linea e contrapposti. L'estremità di biella è fissata al perno di biella e dotata di un cappello del cuscinetto.
Il cappello del cuscinetto è montato da un bullone o prigioniero all'estremità della biella. La biella deve essere sostituita nello stesso cilindro e nella stessa posizione relativa per mantenere il corretto accoppiamento ed equilibrio.
Questi tipi di bielle sono utilizzati su motori motociclistici V-twin e motori aeronautici V12. In ogni coppia di cilindri del motore, un'asta a "forcella" è divisa in due parti all'estremità di biella e un'asta a "lama" è rastremata dal cilindro opposto per adattarsi a questo spazio nella forcella.
Questo sistema elimina la coppia oscillante che si verifica quando le coppie di cilindri sono bilanciate insieme all'albero motore.
Nel tipo di disposizione dei cuscinetti di fascia alta, lo stelo della forcella ha un unico manicotto a cuscinetto largo che si estende su tutta la larghezza dello stelo, compreso il gioco centrale.
L'asta della lama scorre quindi direttamente all'esterno di questo manicotto, non sul perno di biella. Ciò fa sì che le due aste si muovano avanti e indietro, riducendo la forza sul cuscinetto e la velocità superficiale. Ma anche la velocità del cuscinetto si alterna invece di ruotare continuamente, il che è un grosso problema per la lubrificazione.
I motori radiali utilizzano tipicamente bielle master e slave. In questo sistema, un pistone è costituito da un'asta principale con un attacco diretto all'albero motore. Altri pistoni collegano le loro bielle agli anelli che circondano il bordo dell'asta principale.
Lo svantaggio delle aste master-slave è che la corsa del pistone slave è leggermente maggiore di quella del pistone principale, il che aumenta le vibrazioni nel motore di tipo V.
Le bielle ricavate dal pieno sono progettate in acciaio o alluminio. Rispetto ad altri tipi di bielle, sono più leggere, più resistenti e hanno una durata maggiore.
È comunemente usato nei veicoli ad alta velocità. A volte è progettato per ridurre gli stress riser e facilitare la grana naturale del materiale ricavato dal pieno.
Questi tipi di bielle sono preferiti e progettati dai produttori perché possono sopportare il carico di un motore di serie.
Le aste fuse richiedono un basso costo per la produzione e non possono essere utilizzate in applicazioni di elevata potenza. Le canne fuse hanno una notevole cucitura al centro che le separa dal tipo forgiato.
Alcune delle bielle sono prodotte mediante forgiatura. Questi tipi di bielle sono realizzati forzando un granello di materiale alla forma dell'estremità. A seconda delle proprietà richieste il materiale può essere in lega di acciaio o alluminio.
Le leghe di acciaio comunemente utilizzate sono le leghe di cromo e nichel. Il prodotto finale non è progettato per essere fragile. Quindi, le leghe di nichel o cromo aumentano la resistenza della biella.
Anche le bielle sono progettate in metallo elettrico in quanto è una scelta adatta per i produttori. Viene preparato con una miscela di polvere di metallo che viene pressata nello stampo e riscaldata ad alta temperatura. Questa miscela viene trasformata in una forma solida.
Potrebbe richiedere una lavorazione leggera, ma il prodotto esce sostanzialmente da uno stampo del prodotto finito. Le bielle di metallo in polvere sono meno costose dell'acciaio e sono più resistenti delle aste fuse.
Durante ogni rotazione dell'albero a gomiti, una biella è spesso soggetta a forze grandi e ripetitive:forze di taglio dovute all'angolo tra il pistone e il perno di biella, forze di compressione quando il pistone si muove verso il basso e forze di trazione quando il pistone si muove verso l'alto. Queste forze sono proporzionali al quadrato della velocità del motore (RPM).
Il guasto di una biella spesso chiamato "lancio di una biella", è una delle cause più comuni di guasto catastrofico del motore nelle auto, spingendo spesso la biella rotta attraverso il lato del basamento e rendendo così il motore irreparabile.
Le cause più comuni di rottura della biella sono la rottura da trazione dovuta a regimi motore elevati, la forza d'urto quando il pistone colpisce una valvola (a causa di un problema del treno valvole), il guasto del cuscinetto della biella solitamente dovuto a un problema di lubrificazione o l'installazione errata della biella.
