Ogni volta che un motore si avvia, migliaia di componenti metallici iniziano a muoversi ad alta velocità. L'albero motore ruota, i pistoni si spostano, gli alberi a camme aprono le valvole e i cuscinetti sopportano carichi enormi. Tutto ciò è accompagnato dall'attrito.

Senza pellicola d'olio, il danno inizia quasi istantaneamente: i cuscinetti del turbocompressore, dove la pellicola è spessa solo 6-9 micrometri a regimi superiori a 100.000 giri/min, possono guastarsi in pochi secondi dopo la perdita di pressione dell'olio. I cuscinetti di banco e di biella dell'albero motore sono più resistenti, ma anch'essi iniziano a danneggiarsi entro 30-60 secondi, e l'usura irreversibile si manifesta già dopo pochi minuti. Proprio per questo il compito principale dell'olio motore è creare una pellicola d'olio resistente che separi le superfici dei componenti.

Da dove nasce l'attrito

Al microscopio, anche un metallo lavorato alla perfezione è ricoperto di microscopiche asperità, note come rugosità superficiale. Quando i componenti si muovono, queste sporgenze microscopiche interagiscono tra loro, creando resistenza al movimento e generando attrito. È proprio il rapporto tra lo spessore della pellicola d'olio e l'altezza di queste asperità a determinare quanto in modo affidabile i componenti siano protetti l'uno dall'altro.

Tre regimi di lubrificazione: la curva di Stribeck

I tribologi (specialisti dell'attrito) descrivono il comportamento della lubrificazione mediante la curva di Stribeck, dal nome dell'ingegnere tedesco Richard Stribeck, che all'inizio del XX secolo studiò la relazione tra attrito e velocità delle parti in movimento. La curva mostra che, a seconda di velocità, carico e viscosità dell'olio, la lubrificazione all'interno del motore funziona secondo uno di tre regimi.

Nel regime idrodinamico, lo spessore della pellicola d'olio è di solito compreso tra pochi e circa cento micrometri, sufficiente a separare completamente le superfici ad alta velocità. È importante capire che tutti e tre i regimi di lubrificazione agiscono contemporaneamente all'interno di un motore in funzione, semplicemente in componenti diversi e in momenti diversi del ciclo.

Dove agisce ciascun regime nel motore

I cuscinetti di banco e di biella dell'albero motore lavorano per la maggior parte del tempo in regime idrodinamico: l'elevata velocità di rotazione genera una pellicola d'olio stabile che separa completamente l'albero e il cuscinetto. Le fasce elastiche del pistone, al contrario, si trovano regolarmente in condizioni di lubrificazione limite: al punto morto superiore e inferiore, il pistone si ferma per un istante, la velocità scende quasi a zero, e la pellicola d'olio non fa in tempo a raggiungere il suo spessore completo. Anche la distribuzione (il contatto tra il lobo dell'albero a camme e la punteria) funziona prevalentemente in regime limite o misto, a causa degli elevati carichi puntuali e della bassa velocità di scorrimento.

Perché il metallo non si salda

Se tra i componenti manca la pellicola d'olio, il contatto diretto metallo-metallo provoca un'usura rapida, un surriscaldamento localizzato e danni alle superfici di lavoro, fino alla microsaldatura di singoli punti di contatto. Proprio per questo il regime di lubrificazione limite, dove tale contatto è in parte inevitabile, richiede non tanto una viscosità specifica dell'olio quanto additivi antiusura specializzati.

L'additivo antiusura classico, lo ZDDP (dialchilditiofosfato di zinco), agisce proprio nel regime limite: sotto attrito forma sulla superficie metallica una pellicola protettiva, generalmente spessa 50-150 nanometri, che si sacrifica al posto del metallo di base, consumandosi e riformandosi gradualmente. Questa pellicola si forma solo dove è necessaria, cioè proprio nelle zone di lubrificazione limite, e non in modo uniforme su tutta la superficie del motore.

Falsi miti comuni

L'attrito nel motore è sempre negativo.

Non proprio. Il compito dell'olio non è eliminare completamente l'attrito, ma portarlo a un regime controllato e prevedibile che minimizzi l'usura, invece di impedire fisicamente qualsiasi interazione tra le superfici.

Più spessa è la pellicola d'olio, meglio è in ogni situazione.

No. Nel regime limite (ad esempio all'avviamento del motore o ai punti morti del pistone), lo spessore della pellicola è fisicamente limitato da velocità e carico, e in queste condizioni la protezione non è garantita dallo spessore della pellicola, ma dalla composizione chimica degli additivi antiusura.

In un motore ben lubrificato il metallo non tocca mai il metallo.

No. Il contatto breve tra le asperità superficiali nei regimi limite e misto è una parte normale del funzionamento del motore, specialmente in componenti come le fasce elastiche vicino ai punti morti e la distribuzione. Gli additivi esistono proprio per proteggere in questi momenti, non per eliminarli del tutto.

Domande frequenti

Perché un motore si usura più velocemente durante un avviamento a freddo?

All'avviamento l'olio non è ancora stato pompato in tutto il circuito e ha una viscosità più alta a causa della bassa temperatura, quindi molti componenti si trovano brevemente in regime di lubrificazione limite con un rischio maggiore di contatto metallo-metallo.

Cos'è la curva di Stribeck in parole semplici?

È un grafico che mostra come cambia l'attrito in base alla velocità delle parti in movimento, al carico e alla viscosità dell'olio, suddividendo chiaramente il comportamento della lubrificazione in regimi limite, misto e idrodinamico.

Lo stesso componente del motore può lavorare in regimi di lubrificazione diversi contemporaneamente?

Sì. Ad esempio, una fascia elastica passa dal regime limite ai punti morti al regime idrodinamico a metà corsa del pistone, dove la velocità è massima, tutto questo nell'arco di un solo giro dell'albero motore.

Il regime di lubrificazione dipende dalla viscosità dell'olio?

Sì, la viscosità è uno dei tre fattori della curva di Stribeck insieme a velocità e carico: un olio più viscoso, a parità di altre condizioni, avvicina un componente al regime idrodinamico, ma non può eliminare completamente il regime limite dove la velocità scende a zero.

Conclusione

L'attrito all'interno di un motore non è un fenomeno unico, ma la combinazione di tre diversi regimi fisici che agiscono simultaneamente in componenti diversi: dalla separazione quasi completa delle superfici nei cuscinetti di banco al contatto breve tra asperità superficiali ai punti morti del pistone. Comprendere questo quadro spiega perché l'olio motore non sia semplicemente un liquido viscoso, ma un sistema complesso in cui viscosità e additivi svolgono compiti diversi in condizioni diverse.