Motore Boxer, V180°, a “Sogliola” & “In-Line”: Analisi e differenze progettuali delle principali “Architetture”

Le origini del motore Boxer (“a cilindri contrapposti“, anche detto “a pistoni contrapposti con flusso monodirezionale“) sono da ricercarsi nel lontano 18 luglio 1895. L’inventore, a differenza di come molti credono, non è l’ingegnere tedesco Karl Benz; bensì l’inventore francese Jules-Albert De Dion. Il contributo di Benz è legato all’intensa fase di costruzione e realizzazione del propulsore. Come è facilmente intuibile dal nome di tale soluzione progettuale, gli assi dei cilindri giacciono su uno stesso riferimento orizzontale, in direzione opposta.

La soluzione Boxer e V180 è preferita dalle case costruttrici in determinate situazioni: vediamo insieme quali e le differenze con le altre tipologie di architettura.

• Caratteristiche tecniche e differenze:

A mò di teorema, possiamo dire che :”Sui motori boxer, ad ogni vantaggio corrisponde uno svantaggio ben preciso”. Sarà la casa costruttrice a decidere quale scelta tecnica adottare in funzione delle richieste dettate dal mercato.

La prima principale differenza tra un motore ad architettura V180° e il Boxer sta nell’imbiellaggio.
• Nel motore Boxer ad ogni singola biella corrisponde una sola manovella, le quali lavorano tra loro in costante opposizione di fase (cioè a 180°).
• Nel motore a V180° ad ogni manovella corrispondono due bielle per ciascuna coppia di cilindri tra loro adiacenti.

Come si può notare anche in gif nel motore Boxer (in alto), le bielle di ciascuna coppia di cilindri contrapposti si impegnano su due differenti estremità (perni dell’albero motore): ovviamente opposte (a 180°) e appartenenti a differenti manovelle .
Nell’architettura a V180° (in basso), invece, entrambe le bielle sono vincolate al medesimo perno dell’albero motore e di conseguenza, come abbiamo ribadito prima, alla medesima manovella.

• Bilanciamento delle forze conseguente?

Le bielle del motore Boxer, essendo vincolate a perni differenti dell’albero motore, dovranno muoversi in direzione opposta relativamente tra loro. Le bielle delle coppie di cilindri contrapposti risulteranno muoversi contemporaneamente verso il PMS o PMI (Punto morto superiore o inferiore).
Nel V180° notiamo che il singolo perno di vincolo per la coppia di bielle condiziona il moto di quest’ultima in un’unica direzione: quando un pistone raggiunge il PMI, quello della biella adiacente raggiungerà il PMS e viceversa.

Osservando la figura e schematizzando tutto da un punto di vista vettoriale notiamo che nel motore Boxer la legge del moto delle bielle nella coppia considerata è uguale in intensità e opposta in direzione. Andando così a garantire una sorta di auto-bilanciamento tra le forze di spinta inerziali erogate nel ciclo di funzionamento del motore.

E le coppie alterne d’inerzia?

Nelle architetture ad assi paralleli e contrapposti compaiono anche coppie alterne d’inerzia a seguito di una rotazione garantita su assi sfasati a 180° tra loro e distanti (lungo l’asse dell’albero motore) di una certa quantità.

Queste coppie d’inerzia non riusciranno ad auto-bilanciarsi in quanto si sviluppano in concordanza di fase. Se ne può ridurre l’intensità, diminuendo la distanza (lungo l’albero motore) degli assi dei cilindri contrapposti.

• #NonSoloDinamica

Le forze alterne di inerzia, nei propulsori a più cilindri, determinano l’equilibratura del sistema. Esse si compongono tra loro dal punto di vista vettoriale.

Oltre alle forze e coppie d’inerzia alterne, osserviamo la presenza di eccitanti centrifughe, le quali sono dovute alla rotazione di:

• massa della manovella dell’albero motore;
• parte di biella collegata alla manovella.

Analizziamo le differenze, concentrando l’attenzione sulla stabilità:

Notiamo come il motore Boxer è quello a garantire una miglior distribuzione delle forze, nonché un centro di gravità (Baricentro) molto basso, tutto a vantaggio dell’handling della vettura.

• Albero motore?

Nella teoria dell’equilibratura si afferma che un albero motore risulta essere equilibrato quando il suo baricentro cade sull’asse di rotazione del sistema. Nel caso di un numero di manovelle maggiore a due, l’albero dovrà ammettere un piano di simmetria, perpendicolare all’asse di rotazione, rispetto al quale dovrà essere garantita la simmetria delle manovelle dal punto di vista: numerico, geometrico e posizionale.

 

Il boxer viene progettato seguendo minuziosamente questa teoria, riuscendo a garantire..?

• Vantaggi & Svantaggi delle architetture principali:

Motore Boxer:

• Vantaggi: Il naturale bilanciamento evita l’utilizzo di contralberi di bilanciamento o di altri dispositivi di smorzamento. Abbassando il baricentro della vettura, aumenta l’Handling e di conseguenza le prestazioni generali (maggior agilità e controllo nell’uso agonistico).
• Svantaggi: Maggior ingombro (specie sui motocicli, vedi BMW). Maggior complessità tecnica di realizzazione per stabilità, bilanciamento e struttura (telaio, ciclistica, sistemi di controllo). Doppia bancata e doppia testata: sistema di distribuzione (fasatura) più costoso, complesso e maggiore in quantità (servono più catene o cinghie di distribuzione con relative pulegge per il funzionamento).

Il maggior ingombro può essere risolto adottando sospensioni Mac Pherson. Invece risulta essere un vero e proprio problema nelle supercar dotate del top delle sospensioni dal punto di vista strutturale: sospensioni a quadrilatero ( Ferrari Testarossa del 1984 e del 1992).

Motore V180°:

Richiedono, come già detto prima, sistemi di controbilanciamento delle forze e delle coppie alterne.

Motore In-line:

• Vantaggi: Facilità di progettazione: con un singolo processo di fonderia può essere realizzato l’intero monoblocco che conterrà i cilindri. E’ sufficiente un solo albero a camme ed una sola testata. Progettazione semplificata dell’impianto di raffreddamento a liquido.
• Svantaggi: Maggiore lunghezza e altezza. Necessitano di contralberi di bilanciamento per le vibrazioni prodotte nel funzionamento.

Motore a sogliola:

I motori a sogliola sono dei propulsori In-Line (in linea) ruotati di 90° rispetto alla verticale.

Vantaggi: Baricentro ribassato e compattezza, vale a dire i vantaggi del motore ad assi contrapposti e del motore in linea.

 

Il bicilindrico della Fiat 500 Giardiniera del 1960 e il BMW serie K (a 3 e 4 cilindri) del 1983 (in figura) montano questa particolare architettura.