cosa vuol dire Desmodromico

Nella sua storia recente Ducati ha legato intimamente il proprio nome alla distribuzione desmodromica. Al di là delle caratteristiche generali di questo sistema, note ai più, ne analizzeremo il funzionamento, la manutenzione e l’elaborazione.
Sin dagli albori della meccanica moderna uno dei problemi di più difficile soluzione per i progettisti di motori a combustione interna riguardò la metodologia di regolazione dell’afflusso e dell’efflusso dei gas dalla camera di combustione.
Da un lato, la necessità di mantenere la massima impermeabilità in fase di scoppio, quando la miscela viene compressa e incendiata, dall’altro la priorità di garantire ai gas freschi e a quelli combusti un percorso il più possibile indisturbato e la massima velocità. Gli anni hanno progressivamente eletto a sistema principe quello dotato di valvole a fungo, la cui particolare conformazione permette di ottemperare alle due funzioni di cui sopra con risultati ottimali: una camma, agendo direttamente o indirettamente sullo stelo, apre la valvola la cui tenuta è successivamente garantita dalla stessa sovrapressione presente nella camera di combustione. Le valvole, di aspirazione e di scarico, vengono alternativamente comandate per permettere il ricambio della miscela gassosa. La chiusura è, nella quasi totalità dei casi, comandata da una o più molle di richiamo, generalmente montate in posizione coassiale allo stelo della valvola e opportunamente tarate.
La peculiarità del sistema desmodromico, come analizzeremo nel dettaglio più avanti, è proprio quella di non avere la chiusura automatica, ma comandata attivamente al pari dell’apertura. Le camme altro non sono che dei profili eccentrici riportati sopra un albero azionato tramite una catena cinematica dall’albero motore. Il profilo di ciascuna camma riproduce la legge di alzata delle diverse valvole, ed evidentemente la loro rotazione deve essere perfettamente sincronizzata con quella dell’albero motore, atteso che a ciascuna posizione del pistone dentro il cilindro nelle diverse fasi deve corrispondere un'esatta posizione della valvola. Per questo motivo, il moto viene trasmesso tra i due alberi tramite un treno di ingranaggi, una catena o, come nel caso Ducati, da una cinghia dentata (per questo definita cinghia sincrona).
L’etimologia del termine “desmodromico” va individuata nei vocaboli greci “desmos” e “dromikós”, la cui combinazione può interpretarsi come “che costringe il percorso”. Ovvero, tale termine si applica correttamente a qualsiasi meccanismo nel quale il funzionamento non sia automatico, ma comandato lungo ciascun grado di libertà: un’accezione, dunque, molto più generale di quella di uso comune, relativa al comando della distribuzione dei motori a scoppio, e riferibile, ad esempio, anche al comando del cambio di velocità. Tale sistema di comando delle valvole trovò applicazione, in tempi pionieristici, nel campo aeronautico e automobilistico, ma solo più recentemente venne adottato sui bicilindrici Ducati progettati dall’Ingegner Taglioni.
Sin dalla metà del secolo scorso, questi aveva più volte sperimentato con successo tale sistema su diversi propulsori bolognesi, arrivando a definirne la forma terminale col progetto Pantah degli anni ’70. La scelta di una simile complicazione meccanica deriva essenzialmente dalla scarsa affidabilità ed efficacia dei sistemi a molla di quel periodo. Mentre il ritorno automatico affida la rigorosità della legge di chiusura della valvola alle qualità elastiche della molla di richiamo, il comando desmodromico permette di rispettarne rigidamente le caratteristiche al pari di quanto avviene in apertura. Gli acciai armonici disponibili sino a poco tempo fa non permettevano di costruire molle in grado di garantire, a ogni regime, un funzionamento ottimale. In particolare, agli alti regimi si poteva verificare il cosiddetto “sfarfallamento” con il rapido movimento incontrollato delle valvole e il conseguente pericolo di dannose interferenze con il cielo del pistone.
Ciò imponeva di adottare fasature non troppo spinte, tali da evitare anomalie, specie agli alti regimi, mentre l’uso di molle dal carico eccessivamente elevato avrebbe accresciuto in modo deleterio l’assorbimento di potenza e l’usura dei profili coniugati a contatto. Ecco che la soluzione più ovvia era proprio quella di controllare la fasatura in entrambi i sensi, con tutte le evidenti controindicazioni del caso.
Occorreva, infatti, raddoppiare tutti gli organi della distribuzione, dato che ciascuna valvola avrebbe implicato la presenza di due camme (una di apertura e una di chiusura), di altrettanti bilancieri e sistemi di registro, il tutto nello spazio esiguo disponibile sopra ciascun cilindro. L’innovazione del motore bicilindrico Pantah di Taglioni, rispetto alle precedenti applicazioni desmodromiche da lui stesso progettate, era quello di realizzare una testa molto compatta dotata di un singolo albero in testa portante quattro camme per le due valvole.
Queste erano comandate da due bilancieri ciascuna, uno di tipo tradizionale per l’apertura e uno “a forchetta” per la chiusura. Quest’ultimo abbracciava lo stelo del fungo e ne regolava il movimento tramite un collarino che fungeva anche da registro. Un sistema talmente buono da essere sopravvissuto fino a oggi sugli ultimi motori a doppia accensione; addirittura, mantenendo il medesimo schema, nel “Desmotre” di 992 cc il singolo albero aziona ben 3 valvole (due di aspirazione e una di scarico) tramite sei camme e altrettanti bilancieri.
Nella progettazione del “Desmoquattro”, verso la metà degli anni ’80, l’Ingegner Bordi ricorse, invece, a due alberi in testa, modificando profondamente l’architettura di questo componente, pur mantenendo la struttura della parte termica e del basamento sostanzialmente invariata.
Gli affinamenti introdotti dai motori “Testastretta” non hanno avuto altro scopo se non quello di migliorare ulteriormente la fluidodinamica dei condotti e la disposizione dei diversi organi della distribuzione, andando a rappresentare lo stato dell’arte del sistema desmodromico applicato al motore a combustione interna.
Un’evoluzione necessaria per mantenere competitivo un motore con diversi decenni di storia, conservandone l’identità e il carattere inimitabili. Tuttavia, una domanda nasce spontanea: quale effettiva necessità vi era di mantenere, al giorno d’oggi, la pur efficace distribuzione desmodromica quando ormai si ottengono prestazioni perfettamente analoghe (quando non superiori) con sistemi tradizionali a richiamo elastico?

Tutti i motori, anche quelli ad alte prestazioni, hanno infatti abbandonato, sia in campo motociclistico che automobilistico, la complicazione del comando attivo in chiusura. La tecnologia dei materiali si è, infatti, evoluta in modo crescente e ha permesso la costruzione di molle a spirale con caratteristiche meccaniche ed elastiche inimmaginabili sino a pochi anni fa.
Il rischio di rotture è ormai cosa remota, mentre la resistenza alla fatica, alle alte temperature, così come la sensibilità a fenomeni di isteresi elastica e variazione della costante elastica sono ridotti in misura da non costituire un limite al raggiungimento di elevati regimi di rotazione nel rispetto della legge di fasatura imposta dal progettista.
La risposta a un simile quesito può sembrare scontata: qui ci limiteremo a scendere nei dettagli della dinamica dell’azionamento delle valvole, affinché ciascun lettore possa esprimere autonomamente il proprio giudizio. Come noto, nel corso di un ciclo completo, l’albero motore compie due giri, nel corso dei quali il pistone sale e scende due volte nel cilindro. Dapprima la miscela fresca è aspirata e compressa, nel secondo giro si hanno l’espansione (in seguito alla combustione) e lo scarico dei gas esausti.
Se potesse esistere una macchina perfetta, ciascuna fase del motore a quattro tempi durerebbe perciò mezzo giro, ma ovviamente così non è e per una macchina reale è bene apportare delle correzioni al ciclo ideale, allo scopo di perfezionare il compiersi delle varie fasi. Le valvole a fungo, a causa della loro geometria, nella posizione di inizio apertura e fine chiusura generano dei passaggi molto ridotti, per cui la miscela subisce forti laminazioni con conseguenti notevoli cadute di pressione, il che, di fatto, ostacola il flusso dei gas in ingresso o in uscita. E’ evidente allora che, non essendo istantanea l’apertura della valvola e, soprattutto, possedendo il fluido una certa inerzia ed elasticità che ne compromettono il libero flusso, le valvole andranno aperte e chiuse in tempi diversi da quelli teorici.
L’apertura della valvola di aspirazione dovrà, dunque, essere anticipata, mentre la chiusura di quella di scarico sarà posticipata. In questo modo, quando il pistone comincerà ad aspirare i gas freschi, la valvola sarà già completamente aperta. Viceversa, quando il pistone avrà completato la corsa di scarico, la valvola relativa non si sarà ancora chiusa.
Per lo stesso motivo, la chiusura dell’aspirazione verrà posticipata e l’apertura dello scarico anticipata. In aspirazione, infatti, per effetto della depressione esistente nel cilindro, il fluido fresco continua a entrare anche dopo che il pistone ha completato la sua corsa. Questo è un fattore chiave da sfruttare nell’elaborazione di un motore, che dipende molto dalla geometria dei condotti e della scatola filtro: più gas freschi si riescono a introdurre nel cilindro, più cresce il rendimento del motore, e quindi la potenza erogata.
Il posticipo della chiusura allo scarico è legato alla velocità di propagazione del fronte di fiamma: infatti, nella fase di combustione, è necessario un certo tempo perché tutta la miscela bruci in seguito all’accensione della scintilla sulla candela. Ovviamente, qui abbiamo toccato solo marginalmente le problematiche relative alla fasatura reale di un propulsore a quattro tempi.
Si è comunque visto come le valvole rimangano in sostanza aperte più a lungo di quanto si potrebbe pensare, per migliorare il rendimento del motore. Poiché ciascuna valvola lavora anche oltre la sua fase propria (aspirazione per una, scarico per l’altra) si verifica che, quando il pistone si trova al PMS (Punto Morto Superiore), dopo aver espulso tutti i gas combusti, le valvole siano entrambe aperte. E' questa la cosiddetta fase di incrocio, assai delicata e fondamentale nella messa a punto di un motore a scoppio.
Dopo questo doveroso excursus squisitamente tecnico è immediato capire quali siano realmente i vantaggi della distribuzione desmodromica. Le valvole, anche a regimi non stratosferici, restano aperte per tempi brevissimi e ancora più brevi sono i tempi di anticipo e ritardo di cui abbiamo parlato (nei motori motociclistici, siamo nell’ordine dei centesimi e millesimi di secondo).
E’ allora fondamentale la massima precisione e immediatezza del comando per ottenere il miglior funzionamento del propulsore, cosa ovviamente molto più facile con l’azionamento diretto delle valvole nei due versi. Ovviamente, ciò si realizza solo se la messa a punto delle punterie è ottimale: raddoppiando, infatti, il numero degli organi in azione è indispensabile che siano mantenuti in perfetta efficienza. In particolare, occorre assicurare i valori corretti di gioco tra le superfici a contatto, operazione che sarà oggetto della seconda parte di questa trattazione.





articolo tratto da:
http://www.motoitaliane.it/mondoducati/distribu.html

SIMULAZIONE DEI SISTEMI DI DISTRIBUZIONE DESMODROMICO E A MOLLA

Berto Andrea e Celeghin Linda

A.A. 2006/07

PRESENTAZIONE

Con il termine "distribuzione" si intende quel complesso di aperture e chiusure dei condotti di alimentazione e scarico che consentono, con la loro giusta ritmicità, lo svolgimento della fasi che caratterizzano il funzionamento di un motore.

Negli anni '60 i sistemi di distribuzione per propulsori di uso motociclistico erano costituiti fondamentalmente da una camma per l' apertura delle valvole e da una molla elicoidale e coassiale allo stelo per la loro chiusura. Sistemi di questo tipo, che chiameremo "classici", davano luogo a dei problemi quali lo "sfarfallamento" delle valvole ed un notevole assorbimento di potenza all'albero, dovuto alla necessità di comprimere le molle di richiamo dimensionate ai regimi di funzionamento massimi (solitamente 17000 rpm nell'ambito delle competizioni motociclistiche).

Per superare questi limiti il progettista Ducati, ing. Fabio Taglioni, ideò il sistema di distribuzione desmodromico. La particolarità di questo innovativo sistema risiede nel fatto che ciascuna valvola è guidata nei suoi moti di apertura e chiusura da due camme e due bilancieri senza prevedere l' utilizzo di organi elastici di richiamo.



1. Bilanciere di apertura
2. Registro bilanciere di apertura
3. Semianelli di tenuta registro bilanciere di chiusura
4. Registro bilanciere di chiusura
5. Molla di tenuta bilanciere di chiusura
6. Bilanciere di chiusura
7. Albero a camme
8. Valvola







VANTAGGI E SVANTAGGI DELLA DISTRIBUZIONE DESMODROMICA

Il sistema desmodromico rispetto a quello classico consente di raggiungere alcuni vantaggi:

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totale assenza del fenomeno dello "sfarfallamento" agli alti regimi di rotazione, in quanto la valvola è sempre guidata meccanicamente nei suoi moti
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riduzione degli attriti di funzionamento grazie all'assenza della molla di richiamo della valvola, che specialmente con diagrammi di distribuzione spinti necessita di un carico notevole
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possibilità di ottimizzare il moto della valvola permettendole tempi di apertura maggiori a parità di durata della fase di alzata.

Ciò si raggiunge tuttavia a scapito di una maggiore complessità progettuale del sistema stesso.

Quanto detto finora era indiscutibilmente valido negli anni in cui Ducati iniziò ad equipaggiare i suoi bicilindrici con il sistema desmodromico. Da allora sono passati alcuni decenni e le ricerche sulle molle e soprattutto sui materiali per molle hanno permesso di ridurre, fino quasi a far scomparire, il gap che esisteva inizialmente tra le due distribuzioni. Nonostante questo Ducati continua a produrre i bicilindrici più potenti al mondo.

IL NOSTRO LAVORO

L'obbiettivo che ci siamo posti è stato quello di simulare con WM2d la cinematica dei due meccanismi di distribuzione sopra esposti.

Da varie fonti abbiamo reperito alcuni dati progettuali del sistema desmodromico quali la geometria della camma di chiusura, dei bilancieri e le dimensioni delle valvole. Non essendo però in possesso di alcun dato affidabile sul profilo della camma di apertura, abbiamo pensato di realizzare, con i dati in nostro possesso, un cinematismo di base da cui ricavare a posteriori la geometria della stessa. Per far ciò, sfruttando le potenzialità di WM2d, abbiamo ideato alcuni artifizi che ci permettessero di ottenere il suo raggio di curvatura istantaneo, in funzione dell' angolo di rotazione. In questo processo ci ha guidati un accorgimento particolare: nelle coppie a camma, in ogni istante, deve essere garantito oltre al contatto anche la tangenza. Proprio assicurare la tangenza richiede precisioni micrometriche che non siamo riusciti ad assicurare a causa dei limiti derivanti dalle possibilità di WM2d e della possibile imperfezione degli artifizi da noi ideati.

Gli artifizi di cui ci siamo serviti sono:

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pistone con forza e guida: l'attuatore è vincolato nel centro di rotazione delle due camme tramite una cerniera (che gli permette dunque di ruotare). Grazie all'azione di una forza, esso comprime un corpo circolare di raggio noto contro il bilanciere d'apertura, mentre l' eccentrico di chiusura ruota. Misurando la lunghezza istantanea dell'attuatore stesso, e sommandogli il raggio del corpo circolare, si ottiene il raggio di curvatura istantaneo della camma incognita in funzione della rotazione.

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sistema smorzante: il contatto è garantito da un sistema smorzante, che è anche in grado di assorbire eventuali vibrazioni presenti restituendo un profilo dell' eccentrico più pulito; la tangenza è garantita dalla guida verticale che vincola la posizione del corpo circolare. Questa volta il raggio istantaneo di rotazione è dato dalla somma tra la lunghezza della molla ed il raggio del corpo circolare.

Con il primo metodo la camma ottenuta ha una geometria a prima vista regolare, ma oltre a non restituire una legge corretta di movimento della valvola, è affetta da leggere discontinuità del profilo dovute alla tangenza non perfettamente garantita.

Con il secondo metodo invece abbiamo ottenuto dei risultati migliori dal punto di vista della pulizia del profilo, ma la camma risultante è affetta da evidenti irregolarità, che impedirebbero il funzionamento del meccanismo; ciò è dovuto ancora una volta al fatto che la tangenza non è assicurata..

Dati i non soddisfacenti risultati siamo ricorsi ad un programma (applicazione di "Excel" nota con il nome di "X-Camme") per la creazione ex novo della camma incognita. Esso consente, una volta scelto il tipo di accoppiamento camma-bilanciere ed inserite le leggi di moto della valvola nei vari intervalli, i suoi valori di alzata ed il raggio di base dell'eccentrico, di ricavare direttamente il profilo della camma cercata.

Ai nostri scopi anche questa strada si è però rivelata inefficace, in quanto tra i vari tipi di coppie camma-bilanciere annoverati nel database dell'applicazione non se ne trova alcuno in grado di soddisfare le nostre esigenze.

Riportiamo di seguito la schermata principale dell'applicazione X-Camme nella quale si inseriscono la legge di moto della valvola ed i valori di alzata corrispondenti:



A questo punto non riuscendo a ricavare un profilo adeguatamente preciso, ci siamo dovuti accontentare di giungere ad un compromesso. Una volta realizzato il meccanismo, abbiamo affidato il moto della valvola alla sola camma di chiusura e privato quella di apertura di qualsiasi funzione effettiva. In particolare abbiamo imposto all' eccentrico di apertura di non collidere con gli altri elementi, e per simulare la sua azione di compressione nei confronti della valvola, abbiamo applicato una forza di entità opportuna sul bilanciere di apertura ed una molla molto rigida tra bilanciere e valvola.

Per un più immediato confronto, abbiamo applicato i due sistemi di distribuzione considerati in un unico bicilindrico a V di 90° modellizzato sulla base del propulsore "testastretta" Ducati:



ATTENZIONE: per una migliore visione del filmato si consiglia l'uso di "VLC media player".



CONCLUSIONI

I sistemi qui sopra non raggiungono gli alti regimi di rotazione che li caratterizzano nella realtà. Questo perchè:

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per quanto riguarda il sistema desmodromico, la camma di apertura è del tutto inerte e il moto della valvola è dunque affidato alla sola camma di chiusura;
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per quanto riguarda il sistema classico, abbiamo tarato la molla in modo da indurre il fenomeno dello "sfarfallamento" a regimi più bassi di quelli raggiunti dal desmodromico;

Nella nostra trattazione abbiamo detto che la distribuzione desmodromica, rispetto alla classica, permette di eliminare il.fenomeno dello "sfarfallamento" agli alti regimi di rotazione. Nel modello da noi realizzato ciò non si riscontra in maniera evidente in quanto la valvola anzichè essere costretta nel suo moto da due camme si trova ad essere guidata da un solo eccentrico, in maniera simile a quanto avviene nel sistema classico (oltretutto manca la molla elicoidale che garantisce il ritorno della valvola).

Le ragioni appena esposte spiegano perchè abbiamo fissato il fondo scala dei motori a 6000°/s (equivalenti a 1000 rpm) e i due sistemi entrino in crisi rispettivamente a circa 5000°/s e 6000°/s. E' comunque lecito pensare che, se la precisione da noi raggiunta fosse stata maggiore, il sistema desmodromico avrebbe continuato ad essere il più stabile dei due.