Tribologia: come e perché è importante scegliere l’olio motore ‘giusto’

TECNICA, PRIMA PARTE – Il tema della lubrificazione del motore rappresenta un dibattito molto acceso tra gli appassionati. Si parte dalle basi scientifiche per comprendere i fenomeni di attrito e usura introducendo alcuni concetti che verranno poi chiariti direttamente dal produttore svizzero Motorex.

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Un olio di buona qualità e sostituito regolarmente, seguendo le prescrizioni dalla Casa madre, è quello vi basta conoscere ed applicare per mantenere in buona salute il propulsore della vostra amata due ruote. Ma se volete sapere perché non potete usare un olio per auto su una moto anche a parità di gradazione, e molto altro, vi invitiamo a leggere fino in fondo l’articolo in cui viene anche riportata una interessante intervista a Martin Wabnegger – Area Sales Manager -  di Motorex (con trascorsi anche in BMW e KTM) pubblicata dai colleghi inglesi di Bennets.

Prima di partire con le risposte di Martin, è bene avere qualche nozione di base di tribologia, la disciplina che studia i fenomeni di attrito, di usura e lubrificazione. Le origini di questa scienza risalgono agli antichi Egizi, ma tranquilli tratteremo, in maniera non rigorosa, solamente alcune tematiche utili per meglio comprendere i concetti espressi nel corso dell’intervista. Due corpi in moto relativo tra loro, generano una interazione tra le superfici a contatto, con molteplici aspetti di carattere meccanico, fisico, chimico e termodinamico. Il contatto reale tra i corpi è differente da quello che i nostri occhi possono osservare. Passando da una scala macroscopica ad una microscopica si noterà che il profilo dell’interfaccia tra i due corpi è costituita da una superficie irregolare e frastagliata. La causa delle imperfezioni risiedono nella natura e orientamento dei grani del materiale metallico, nelle anisotropie e nelle imperfezioni di ottenimento dei pezzi meccanici. Questo concetto introduce direttamente la rugosità media, definita come la media aritmetica dei valori assoluti delle altezze (positive e negative) rispetto alla linea (media), presa come riferimento. I valori, solitamente, variano dai 10 micron per i pezzi grezzi ai 0,02 micron per lavorazioni di finitura come la lappatura. Oltre al valore della media sono importanti ovviamente i picchi massimi che possono essere meglio valutati tramite altri ausili matematici come la deviazione standard.

 

Per quanto detto, tra due corpi, il contatto reale è da immaginarsi a ‘macchia di leopardo’ ove le zone scure rappresentano la concentrazione delle pressioni perché sono le reali zone di contatto tra due superfici. L’area di appoggio cresce con l’aumentare del carico di chiusura, ipotizzabile perpendicolare ai due elementi in esame. Senza entrare nello specifico della metodologia del calcolo dell’area effettiva di contatto si possono approssimare diverse tipi di contatti (lineari o puntiformi) in base alla tipologia di superficie di contatto (cilindro, sfera, piano e loro combinazioni). Utilizzando alcune semplificazioni risultano utili le formule di Hertz per determinare l’area di deformazione, la pressione media e massima e quindi le sollecitazioni scambiate dai corpi.

Quando due superfici a contatto si muovono, l’una rispetto all’altra, si generano due fenomeni di fondamentale importanza nelle applicazioni di carattere ingegneristico: l’attrito e l’usura. Sperimentalmente si osserva che per mantenere il moto occorre esercitare una forza nella stessa direzione (descrizione del fenomeno dell’attrito) a questo segue un progressivo deterioramento delle parti a contatto (descrizione del fenomeno dell’usura). Si è già posto l’accento sul fatto che l’area di contatto reale è più piccola dell’apparente area di appoggio con conseguente innalzamento delle pressioni effettive che possono facilmente portare ad immaginare delle microfratture in concomitanza dei picchi. Lo strisciamento induce anche micro-fusioni locali con ridistribuzione del materiale. Altro fenomeno che influenza l’usura è la formazione degli ossidi che possono svilupparsi più rapidamente a causa della perdita di protezione superficiale.      

 

In letteratura scientifica e tecnica la resistenza al moto in un contatto diretto tra due corpi è definita come una forza tangenziale di attrito proporzionale alla forza di chiusura. Quindi aumentando il carico, aumenta anche la forza sviluppata. Il fattore di proporzionalità tra il carico e la forza è detto coefficiente di attrito radente (o strisciamento) che può ritenersi indipendente dalla velocità relativa tra i due corpi. L’eccezione è rappresentata quando sussiste la quiete, ossia a velocità nulla, in cui si definisce il coefficiente di attrito statico (o di primo distacco). Generalmente il valore di quest’ultimo coefficiente è maggiore, a testimonianza della formazione delle micro giunzioni tra le superfici che verranno rotte una volta che non sussiste più la condizione di quiete. La dissipazione di energia attraverso l’attrito non avviene solo nel caso di strisciamento. Infatti anche nella condizione di puro rotolamento, ad esempio di un disco su un piano, si noterà una diminuzione della velocità in virtù dell’energia assorbita dai materiali non perfettamente elastici. Il coefficiente d’attrito in tal caso è detto volvente (o rotolamento). Esistono altri tipi come l’attrito di prillamento, ma al di là delle tipologie esposte è evidente che l’attrito generi un decadimento del rendimento meccanico. L’introduzione di un lubrificante, interposto tra due superfici, evita il contatto diretto tra le stesse. Se il fluido è dotato di una pressione sufficiente a supportare il carico di chiusura le due superfici non saranno più a contatto. Se la pressione è garantita da un sistema oleodinamico esterno si tratta di lubrificazione idrostatica. Se la pressione è generata dal campo di velocità del fluido compreso tra le due superfici la lubrificazione è definita idrodinamica. In entrambi i casi è opportuno definire il coefficiente di attrito mediato. L’attributo ‘mediato’ si riferisce proprio alla presenza del fluido che, come si vedrà più avanti, è di fondamentale importanza in relazione con la viscosità del lubrificante.

 

L’attrito, come accennato, genera usura che è maggiormente accentuata nelle fasi iniziali di contatto tra due superfici nuove. L’usura al rodaggio è dovuto principalmente all’assestamento iniziale del sistema, che provoca rotture localizzate in prossimità delle massime asperità. Per questo motivo è bene nelle fasi inziali effettuare il rodaggio a carichi ridotti per preservare l’integrità del sistema nelle successive fasi di vita del prodotto. Altro fenomeno indesiderato è l’usura adesiva che si genera a seguito delle concentrazioni delle pressioni e successive micro-saldature del materiale.
Al fenomeno meccanico di resistenza al taglio si somma l’affinità chimica dei materiali a contatto. Al contrario quando due materiali non sono chimicamente affini la durezza di un materiale rispetto all’altro genera dei solchi in quello più tenero, in quello che si può definire l’effetto aratro. L’usura abrasiva può verificarsi anche in caso di sistema inquinato e contaminato da terze parti che vanno ad erodere le superfici. Adesione ed abrasione sono i due meccanismi fondamentali che però non completano il quadro. Degno di nota, per il tipo di componenti che ne sono colpiti come ingranaggi e cuscinetti, è l’usura per fatica superficiale innescato da un carico ciclico che tende a ridurre i valori delle tensioni ammissibile dal materiale localmente.

Il lubrificante può essere definito come la sostanza interposta tra due superfici per evitare il contatto diretto per ridurre i fenomeni di attrito ed usura. Il lubrificante può essere di tipo liquido, solido o gassoso. C’è un quarto tipo molto comune, le paste grasse lubrificanti, che hanno un comportamento intermedio tra solido e semifluido. Senza dilungarci oltre, approfondiamo solamente il tipo liquido, ossia gli oli lubrificanti, che sono quelli usati nei motori a combustione. Quando si tratta di oli lubrificanti, è indispensabile introdurre la viscosità dinamica definita come l’indice di attrito interno al fluido. Infatti, anche se non dipende dal carico da sostenere (come per i precedenti coefficienti introdotti), è definibile coefficiente di attrito interno. Ipotizzando costante la velocità relativa tra due superfici, con lo spazio tra le stesse occupato dall’olio lubrificante, la forza necessaria a mantenere il moto uniforme è proporzionale alla viscosità. In altri termini, la resistenza allo scorrimento è proporzionale alla velocità con la quale gli strati del fluido scorrono l’uno rispetto all’altro.
La viscosità dipende da diversi fattori fisici e chimici tra cui la pressione. Di particolare importanza è la dipendenza inversa con la temperatura (all’aumentare di quest’ultima diminuisce la viscosità) che rappresenta un forte limite nelle applicazioni, come all’interno di un motore, dotato di una considerevole escursione termica. Per definire la sensibilità del valore rispetto alle variazioni di temperatura si introduce l’indice di viscosità V.I.. Un alto V.I. garantisce una maggior costanza nel comportamento dell’olio e ciò denota un ovvio vantaggio nell’intervallo di utilizzo. Proprio questo parametro viene utilizzato per confrontare gli oli multigrado (ad esempio 15W40 secondo la classificazione SAE). Queste sigle verranno chiarite meglio nel corso dell’intervista. Gli oli base sono minerali o sintetici ai quali vengono aggiunti degli additivi per migliorare la funzionalità nelle condizioni più gravose come i transitori o sotto elevata pressione. Gli additivi, la loro quantità e il giusto mix rappresentano un notevole aiuto per migliorare alcune caratteristiche anche se non possono trasformare un olio di scarsa qualità in uno eccellente. Un primo gruppo di additivi ha lo scopo di proteggere le superfici lubrificate andando ad esempio a diminuire la ruggine, inibire la formazione di ossidi ed al tempo stesso migliore l’adesività del lubrificante sulle superfici. Un secondo gruppo migliora le caratteristiche dell’olio andando, ad esempio ad innalzare, il V.I.. Infine un ultimo gruppo ha lo scopo di preservare il lubrificante stesso dai deterioramenti riducendo le reazioni con l’ossigeno. 

A breve, nella seconda parte, riporteremo direttamente l’intervista a Martin Wabnegger di Motorex per rispondere ai quesiti più comuni sul tema degli oli motore.

Fonte Foto: castrol.com; people.unica.it; wikipedia;

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