Sempre in moto: il pistone

Senza questo elemento della tecnica di azionamento probabilmente la rivoluzione industriale avrebbe preso un'altra strada. Perché l'invenzione stessa della macchina a vapore, in grado di convertire l'energia generata dal vapore in energia meccanica, si basa sul movimento di salita e discesa di un pistone. Questo è a tutt'oggi il principio di funzionamento della tecnica del motore a combustione: nel motore moderno il pistone converte l'energia termica generata dalla combustione della miscela di carburante in potenza di avviamento.

In ogni veicolo, che si tratti di un motore a benzina, diesel o addirittura di un motore Wankel, si utilizzano pistoni di forme costruttive e grandezze diverse. È una tecnica che si nasconde all'interno del motore. L'automobilista medio non sa e non deve necessariamente sapere quale tipo di pistone aziona il suo veicolo. Il produttore del motore, tuttavia, deve conoscere alla perfezione la tipologia costruttiva del motore e utilizzare pistoni appositamente costruiti e adattati allo scopo di utilizzo.

Sono pertanto varie e numerose le attività di sviluppo nella tecnologia dei pistoni. Si parte dalla scelta dei materiali e dalla geometria dei pistoni per arrivare alle strategie più adatte per garantire un attrito minimo tra i pistoni, le fasce elastiche e le canne cilindro all'interno del basamento pressofuso del motore e contribuire così a un comportamento ottimale in termini di consumo e emissioni.

Sin dal 1920 la storia del pistone è strettamente correlata a quella della KS Kolbenschmidt di Neckarsulm. In quanto pioniere nella produzione di pistoni in alluminio leggero Karl Schmidt deve inizialmente superare una serie di ostacoli e pregiudizi. Solo nel 1921 il successo in un concorso sui pistoni organizzato dal Ministero dei trasporti del Reich tedesco spiana la strada alla sua intuizione.

Comincia così l'inarrestabile successo dell'azienda KS Kolbenschmidt. Numerosi sviluppi e brevetti, un numero impressionante di modelli di pistoni e un'attenzione elevata alla qualità e ai costi sono ancora oggi alla base della fama dell'azienda come partner per lo sviluppo dei principali costruttori dell'industria automobilistica.

Gli inizi della produzione di pistoni

Sin dagli anni Venti del secolo scorso appare evidente che l'utilizzo di metalli leggeri per i componenti del motore porta a notevoli vantaggi. L'aumento costante nel numero di giri, in particolare, rende necessario ridurre il peso delle masse in movimento all'interno del motore. Nel 1921 il Ministero dei trasporti del Reich tedesco, alla ricerca delle migliori leghe in metallo leggero per i pistoni per auto, bandisce un concorso in tutta la Germania. Karl Schmidt vi prende parte e presenta un pistone la cui lega contiene alluminio e in aggiunta il 15 percento di rame. Anche se questo pistone in Al-Cu prodotto a Neckarsulm si aggiudica "soltanto" il secondo posto, dietro a un pistone in magnesio e rame, l'alluminio ottiene il riconoscimento ufficiale come materiale per i pistoni.

Le leghe in Al-Cu rappresentano per lungo tempo lo standard, anche se il materiale ancora rigido e fragile a causa dell'elevato contenuto di ferro, provoca frequenti rotture dei pistoni. Più tardi il ferro viene progressivamente sostituito dal nichel e dal cobalto, aumentando l'elasticità dei pistoni.

Kolbenschmidt – come viene presto chiamata l'azienda da tutti – ottiene un grande successo con i pistoni in metallo leggero e numerosi riconoscimenti nel settore automobilistico tedesco e internazionale. Nei primi dieci anni di produzione dei pistoni lasciano lo stabilimento di Neckarsulm solo pezzi fusi grezzi. La lavorazione successiva avviene esternamente. Nel 1934 Kolbenschmidt avvia la lavorazione in proprio dei pistoni: dalle teste del pistone placcate in alluminio puro contro le sollecitazioni termiche, ai pistoni ovali per garantire una scorrevolezza ottimale, ai pistoni con inserti a U per aumentare la durata nei motori a due tempi: il laboratorio di Neckarsulm elabora migliorie costruttive e metallurgiche sempre nuove. La produzione raggiunge rapidamente milioni di pezzi: nel 1937 si produce il dodici milionesimo pistone.

Ma i pistoni non servono solo per le automobili: per Deutz, produttore di motori di Colonia, Kolbenschmidt realizza nel 1923 il primo pistone di grandi dimensioni con un diametro di 280 millimetri per motori diesel con un "innovativo" processo di fusione, nel 1940 viene prodotto il primo pistone di grandi dimensioni con un diametro di oltre 500 millimetri.

Nel 1927 i pistoni in Al-Cu vengono sostituiti da un nuovo prodotto, costituito da una lega di alluminio con un'elevata percentuale di silicio. Il cosiddetto "pistone Alusil" fa il suo trionfale ingresso nella storia dell'automobilismo mondiale.

Il pistone dal 1945

Dopo anni di stagnazione causati dalla guerra, nel 1948 Kolbenschmidt produce finalmente un nuovo interessante sviluppo. Per il controllo della dilatazione termica dello stelo del pistone alle elevate temperature di esercizio viene sviluppato un pistone con fasce elastiche, subito avviato alla produzione in serie in grandi numeri. Questo tipo costruttivo commercializzato in grandi numeri a livello mondiale è caratterizzato da un anello dentellato in lamiera di acciaio fuso sull'estremità superiore dello stelo del pistone. Due anni più tardi, nel 1950, segue il più grande pistone in alluminio mai realizzato prima di allora per l'industria dei grandi motori, con un diametro di 573 millimetri e destinato ai motori diesel a quattro tempi.

Nel 1959 Kolbenschmidt produce i primi pistoni con un diametro di 400 millimetri per un motore a 12 cilindri con porta fasce Duleman. Questi vengono realizzati con il cosiddetto metodo Alfin e consentono per la prima volta di utilizzare pistoni in metallo leggero nel funzionamento a olio pesante. In precedenza l'olio pesante causava sempre un'elevata usura di pistoni e fasce elastiche. La resistenza alle sollecitazioni del pistone aumenta ulteriormente grazie al raffreddamento intensivo in corrispondenza della fascia elastica.

Anche nei motori delle automobili il raffreddamento del pistone assume un'importanza crescente. In ultima analisi si tratta del componente costruttivo di un'auto maggiormente sottoposto a sollecitazioni. I primi tentativi di realizzare un canale di raffreddamento per i pistoni dei motori diesel risalgono al 1963 con la tecnica di sinterizzazione. Ben presto questa dimostra i suoi limiti, poiché le anime in sabbia o metallo possono essere rimosse solo con grande dispendio tecnico e mai interamente. Nel 1965 con l'utilizzo di anime in sale, che possono essere semplicemente lavate via dopo la fusione, si introduce una soluzione all'avanguardia per i pistoni di grandi dimensioni. Prodotti futuristici, sui quali si concentrano gli sviluppi di quel periodo, sono anche i pistoni con fasce segmentate e non da ultimo i pistoni rotanti per motori Wankel.

Nel 1971 la tecnologia del rivestimento in ferro di Reynolds viene applicata ai pistoni e rimane ancora oggi una pietra miliare nella tecnologia dei pistoni. L'azienda svolge ancora una volta un ruolo di precursore nel processo di produzione, oggi divenuto uno standard, della foratura preformata, nel quale il foro del perno viene preformato con un laborioso processo di lavorazione. In questo modo il mozzo del pistone presenta una capacità ottimale di resistenza e assorbimento delle forze.

Nei pistoni dei motori di navi, locomotive e centrali elettriche si utilizzano in misura crescente modelli costituiti da una parte superiore in acciaio e una parte inferiore in ghisa grigia.

Negli anni 1980 gli sviluppi si concentrano su pistoni leggeri e a usura ridotta per automobili, pistoni con una struttura estremamente compatta e innovazioni nei materiali. Nei modelli in metallo leggero rientra un pistone con anima fusa in sette pezzi, che rappresenta oggi una pietra miliare nello sviluppo di pistoni in metallo leggero. Ulteriori sviluppi sono il pistone pressofuso con rinforzi in fibra e anodizzazione dura delle scanalature della fascia elastica. Con i suoi prodotti Kolbenschmidt contribuisce in maniera fondamentale al miglioramento delle condizioni ambientali.

Negli anni 1990 l'ulteriore inasprimento della legislazione sui limiti delle emissioni comporta sollecitazioni ancora maggiori su questo componente centrale del motore. Il desiderio dei costruttori di automobili di realizzare bordi sempre più sottili – e quindi emissioni ridotte – comporta da un lato una tecnologia dei materiali migliore per quanto riguarda lo sviluppo generale del motore con leghe resistenti alle alte temperature e dall'altro lo sviluppo di pistoni con sezione variabile del canale di raffreddamento. Lo stesso dicasi per i pistoni di grandi dimensioni, in grado di gestire temperature elevate grazie al raffreddamento delle fessure brevettato nel 1991. Nel 1996 viene prodotto anche il pistone a quattro tempi attualmente più grande al mondo. Con un diametro di 640 millimetri viene utilizzato per gli azionamenti delle navi container.

Dallo sviluppo di materiali innovativi all'esteso know-how produttivo: con la sua forza innovativa l'azienda riveste da decenni una posizione leader a livello internazionale, nonostante la concorrenza agguerrita.

1921 Concorso sui pistoni del Ministero dei trasporti del Reich tedesco
1934 Avvio della lavorazione in proprio dei pistoni
1935 Costruzione dello stabilimento per la produzione di pistoni a Amburgo
1923 Primi pistoni di grandi dimensioni in alluminio
1935 Sviluppo di un metodo di forgiatura dei pistoni
1950 Costruzione del più grande pistone in alluminio mai realizzato fino ad allora
1964 Sviluppo di un pistone rotante per motore Wankel
1969 Costruzione di un pistone con canale di raffreddamento
1985 Produzione in serie del pistone articolato
1997 Il più piccolo pistone diesel per "Smart"
2005 Avvio del processo di produzione di pistoni in acciaio per veicoli commerciali
2007 Sviluppo di un rivestimento dello stelo anti attrito

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