Un componente cruciale per la trasmissione della potenza nelle motociclette è la catena, sulla quale continuano le ricerche a scopo di innovazione.
Lo scorso novembre si è tenuta a Fiera Milano EICMA, l’annuale esposizione del motociclo. Oltre alla rassegna dei nuovi modelli di veicoli a due ruote, è stata anche l’occasione per aggiornare esperti e appassionati del settore sulle novità in merito a componentistica, elementi costruttivi e di supporto delle motociclette.
Fra questi abbiamo visto sistemi di trasmissione, elementi per la geolocalizzazione e antifurto, sistemi di ricarica batterie ma anche carburatori per motori termici. Ci soffermiamo in questo articolo su un componente cruciale per la trasmissione della potenza nelle motociclette: la catena, sulla quale continuano le ricerche a scopo di innovazione.
La trasmissione a catena rappresenta una delle soluzioni più diffuse ed efficienti per la trasmissione di potenza nei veicoli motociclistici. La sua popolarità è attribuibile a un equilibrio ottimale tra efficienza meccanica, durata, costo e versatilità di impiego. Questo componente, essenzialmente, si integra in un assieme semplice e robusto, composto da tre elementi principali: la catena stessa, il pignone e la corona (Figura 1).
Come è ovvio, la catena svolge un ruolo cruciale nella trasmissione della potenza meccanica generata dal motore verso la ruota posteriore, determinando direttamente la capacità del mezzo di accelerare, mantenere una velocità costante e affrontare diversi tipi di terreno.
La potenza generata dal motore, sotto forma di coppia, viene trasferita al pignone, il primo elemento della trasmissione. La catena, avvolta attorno al pignone e alla corona, trasmette questa coppia in modo continuo, grazie alla sua configurazione flessibile e tuttavia rigida lungo il piano di trasmissione. La corona, collegata direttamente alla ruota posteriore, traduce la rotazione della catena in movimento della ruota, generando propulsione. Questa configurazione consente una trasmissione diretta della coppia e una buona efficienza energetica, tipicamente superiore al 95%, a condizione che il sistema sia ben manutenuto.
Il sistema a catena è particolarmente apprezzato proprio per l’elevata efficienza nella trasmissione della potenza, che consente di ridurre al minimo le perdite di energia. Questo è essenziale in motociclette sportive, dove le prestazioni sono una priorità.
Inoltre, l’elevata rigidezza assiale della catena consente di trasmettere coppie elevate senza eccessiva deformazione o perdita di tensionamento.
Le catene utilizzate nelle motociclette sono generalmente del tipo a rulli, progettate per ottimizzare il contatto con il pignone e la corona, riducendo attriti e usura. Ogni catena è composta da una serie di maglie, costituite da piastre interne ed esterne, rulli e perni, tutti realizzati con materiali ad alta resistenza, come acciaio legato. In molte applicazioni recenti, le catene sono dotate di anelli di tenuta (O-ring, X-ring, Z-ring) tra le piastre interne ed esterne, per mantenere il lubrificante interno e prevenire l’ingresso di contaminanti.
Le catene sono progettate per gestire le sollecitazioni dinamiche tipiche delle motociclette, come variazioni improvvise di coppia, impatti dovuti alle irregolarità del terreno e forze centrifughe generate ad alte velocità. L’integrazione di materiali avanzati e trattamenti superficiali contribuisce a garantire una durata operativa adeguata anche in condizioni gravose. Insomma, la catena di trasmissione non è solo un componente per trasferire potenza, ma un elemento chiave per garantire la dinamica e le prestazioni del veicolo, combinando efficienza, adattabilità e resistenza.
Componenti e materiali
Le catene di trasmissione per motocicli sono progettate per garantire la trasmissione affidabile ed efficiente della potenza motrice, mantenendo una buona durabilità e resistenza all’usura. La loro struttura è composta da più elementi interconnessi, ciascuno con un ruolo specifico nella funzionalità complessiva del sistema. La natura modulare delle catene consente la loro adattabilità a una vasta gamma di applicazioni, dalla trasmissione di coppie elevate in motociclette sportive a condizioni operative difficili in veicoli offroad.
La lunghezza della catena può essere regolata aggiungendo o rimuovendo maglie per adattarsi ai requisiti specifici del veicolo.
Gli elementi principali della catena di trasmissione (Figure 2-3) sono i seguenti:
– Maglie: le maglie sono le unità modulari che costituiscono la catena. Ogni maglia è composta da due piastre laterali, interne ed esterne, collegate tramite perni e rulli. Le maglie interne sono collegate tra loro mediante rulli, mentre le maglie esterne tengono i perni in posizione.
– Perni: i perni fungono da fulcro per la rotazione dei rulli e collegano le piastre interne ed esterne. Sono sottoposti a elevati carichi di trazione e usura, motivo per cui vengono realizzati con acciai ad alta resistenza e spesso trattati termicamente.
– Rulli: i rulli sono componenti cilindrici che ruotano attorno ai perni, riducendo l’attrito tra la catena e i denti del pignone e della corona. La loro rotazione riduce l’usura sia dei denti che della catena stessa.
– Anelli di tenuta: nelle catene sigillate (O-ring, X-ring, Z-ring), gli anelli di tenuta sono posizionati tra le piastre interne ed esterne. Questi mantengono il lubrificante all’interno e impediscono l’ingresso di contaminanti, prolungando la durata operativa della catena.
– Lubrificante interno: presente nelle catene sigillate, il lubrificante interno minimizza l’attrito tra i perni e le piastre, contribuendo alla longevità del sistema.
La scelta dei materiali e dei trattamenti superficiali è determinante per garantire la resistenza meccanica, la durabilità e la prestazione delle catene di trasmissione.
Ogni componente della catena è realizzato con materiali progettati per resistere a stress meccanici, attrito e agenti esterni.
La maggior parte delle catene è realizzata in acciai legati ad alto tenore di carbonio, che offrono eccellente resistenza alla trazione e capacità di sopportare carichi dinamici elevati.
Gli acciai legati vengono spesso addizionati con elementi come nichel, molibdeno o cromo per migliorare la resistenza alla corrosione e all’usura.
I rulli sono generalmente prodotti in acciai trattati termicamente per garantire durezza superficiale e resistenza all’usura. In alcune applicazioni avanzate, possono essere utilizzati acciai inossidabili per resistere meglio alla corrosione.
Gli anelli di tenuta sono realizzati in elastomeri ad alta resistenza chimica che garantiscono flessibilità e durabilità anche in presenza di oli e temperature elevate.
Fra i trattamenti termici utilizzati, la tempra indurisce i perni e i rulli, migliorandone la resistenza all’usura e alla deformazione plastica. Il rinvenimento riduce la fragilità, aumentando la durabilità complessiva. La cementazione forma uno strato superficiale indurito sui perni, mantenendo un’anima interna più duttile. Questa è particolarmente utile per prevenire l’usura superficiale mantenendo una buona resistenza ai carichi dinamici.
Per quanto riguarda rivestimenti antiusura e anticorrosione, possiamo citare nichelatura e cromatura fra i principali.
I rivestimenti in nichel o cromo proteggono le catene dalla corrosione causata da umidità e agenti chimici. La cromatura dura, in particolare, offre un’elevata resistenza all’usura.
Infine, in applicazioni recenti, alcune catene sono dotate di rivestimenti polimerici che riducono l’attrito e aumentano la resistenza alla corrosione, senza compromettere la flessibilità.
L’uso combinato di materiali avanzati, trattamenti termici e rivestimenti consente alle catene di trasmissione di soddisfare i requisiti rigorosi imposti dalle condizioni operative delle motociclette, garantendo prestazioni eccellenti e una lunga durata operativa.
Caratteristiche per la scelta della catena
La scelta di una catena di trasmissione per motociclette richiede la valutazione di parametri tecnici specifici, che influiscono direttamente sulle prestazioni e sulla durata del sistema.
Il passo è la distanza tra i centri di due perni consecutivi, solitamente espressa in pollici. Questo parametro determina la compatibilità della catena con il pignone e la corona, influenzando la distribuzione delle forze e il comportamento dinamico del sistema. I passi più comuni per le motociclette sono “420”, utilizzato su motociclette leggere e scooter, “520”, “525” e “530”, comuni per motociclette di media e grande cilindrata.
Un passo più grande può sopportare carichi maggiori, ma aumenta il peso della catena, oltre che la sua resistenza.
La resistenza alla trazione è il carico massimo che una catena può sopportare prima della rottura. È generalmente espressa in chilogrammi o Newton e dipende dalla qualità dei materiali, dai trattamenti termici e dalla progettazione dei componenti. Una resistenza elevata è essenziale per motociclette ad alte prestazioni o per applicazioni off-road, dove le sollecitazioni sono intense.
L’affidabilità della catena è un parametro di assai difficile valutazione ed è solitamente influenzato da diversi fattori, fra i quali ci sono sicuramente:
– Materiali e trattamenti: l’utilizzo di materiali ad alta resistenza come gli acciai legati e l’applicazione di trattamenti termici migliorano la resistenza all’usura.
– Manutenzione: una lubrificazione regolare e una pulizia adeguata riducono l’usura e l’allentamento della catena.
– Carichi dinamici: l’utilizzo continuativo in condizioni operative gravose può accelerare l’usura.
Quindi, una catena ben progettata e mantenuta può durare migliaia di chilometri, ma la durata varia a seconda dell’uso e delle condizioni ambientali.
Se ci soffermiamo invece sulle diverse tipologie di catene fra cui scegliere, esistono diverse varianti, ciascuna progettata per soddisfare requisiti specifici in termini di prestazioni, manutenzione e durata. Le principali categorie sono le seguenti:
– Catene standard: sono catene senza particolari accessori, fra cui anelli di tenuta del lubrificante, quindi semplici e leggere. Richiedono tuttavia manutenzione frequente per lubrificazione e pulizia e vengono spesso utilizzate in applicazioni in cui il peso è cruciale, come nelle competizioni sportive. Ovviamente sono meno durature rispetto alle catene con tenute di lubrificante.
– Catene O-ring: sono catene sono dotate di anelli O-ring tra le piastre interne ed esterne, che trattengono il lubrificante all’interno della catena e impediscono l’ingresso di contaminanti. Questo le rende più durature e meno bisognose di manutenzione rispetto alle catene standard, a fronte di un leggero aumento di attrito ai perni.
– Catene X-ring: simili alle O-ring, queste catene utilizzano anelli di tenuta con una sezione trasversale a forma di X. Questa configurazione riduce l’attrito interno rispetto agli O-ring, migliorando l’efficienza e prolungando ulteriormente la durata operativa.
– Catene Z-ring: le catene Z-ring rappresentano un ulteriore sviluppo tecnologico, con un design degli anelli di tenuta ottimizzato per ridurre ulteriormente l’attrito e migliorare la ritenzione del lubrificante. Sono utilizzate in applicazioni ad alte prestazioni, come le motociclette sportive.
Per la scelta della catena occorre anche valutare il suo adeguato accoppiamento con gli altri elementi della trasmissione. Infatti, la catena opera in stretta interazione con il pignone e la corona, formando un sistema meccanico integrato. La compatibilità tra questi componenti è essenziale per garantire il funzionamento ottimale del sistema.
Il pignone e la corona devono avere un numero di denti e una geometria compatibili con il passo della catena. Ad esempio, una catena con passo “520” richiede un pignone e una corona progettati specificamente per quella dimensione. Inoltre, la scelta del numero di denti di pignone e corona determina il rapporto di trasmissione, influenzando direttamente le prestazioni del veicolo.
Rapporti più alti favoriscono l’accelerazione, mentre rapporti più bassi aumentano la velocità massima.
Un corretto allineamento tra pignone, catena e corona è fondamentale per minimizzare l’usura e ridurre le perdite di potenza.
Sistemi di tensionamento e controllo dell’allineamento aiutano a mantenere la catena nella posizione corretta durante il funzionamento.
I pignoni e le corone sono generalmente realizzati in acciaio o leghe di alluminio. L’acciaio offre maggiore durabilità e resistenza all’usura, mentre l’alluminio riduce il peso, ma è meno resistente, rendendolo adatto per applicazioni sportive.
Come si può dedurre da queste considerazioni, una catena ben progettata e compatibile con il pignone e la corona garantisce un’efficienza ottimale, una lunga durata operativa e un funzionamento sicuro in diverse condizioni di guida.
Manutenzione e sostituzione della catena
La lubrificazione è un aspetto cruciale per garantire efficienza, longevità e corretto funzionamento della catena di trasmissione. Essa svolge un ruolo fondamentale riducendo l’attrito tra rulli, perni e denti del pignone e della corona, limitando l’usura, dissipando il calore generato dal movimento e proteggendo i componenti metallici dalla corrosione. Inoltre, facilita la rimozione di particelle abrasive come polvere e sabbia, contribuendo a preservare l’integrità del sistema.
I lubrificanti si dividono principalmente in due categorie: quelli tradizionali, a base di oli minerali o sintetici, adatti alle catene non sigillate, e quelli specifici per catene sigillate (O-ring, X-ring, Z-ring), formulati per penetrare sotto i rulli senza danneggiare gli anelli di tenuta. Questi ultimi sono spesso applicati in forma spray, garantendo un’adesione ottimale e una copertura uniforme.
La procedura di lubrificazione inizia con una pulizia accurata della catena, necessaria per rimuovere sporco e residui di vecchio lubrificante, eseguita utilizzando spazzole apposite e solventi non aggressivi.
Successivamente, il lubrificante viene applicato preferibilmente sulla parte interna della catena, dove il contatto con pignone e corona è massimo, assicurandosi di eliminare l’eccesso con un panno morbido per prevenire l’accumulo di detriti.
La frequenza della lubrificazione varia in base all’uso e alle condizioni operative: su strada è raccomandata ogni 300-500 Km o dopo la pioggia, mentre in condizioni offroad deve essere eseguita dopo ogni utilizzo, dato l’ambiente altamente abrasivo. Durante viaggi prolungati, può essere necessario lubrificare ogni 1.000 Km.
Errori comuni, come l’applicazione senza una pulizia preventiva, l’uso di lubrificanti inappropriati o la trascuratezza nel controllo della tensione, possono compromettere l’efficacia del sistema.
Una lubrificazione corretta non solo riduce i costi di manutenzione, ma assicura una trasmissione efficiente e una durata prolungata della catena e dei componenti associati.
La manutenzione regolare della catena di trasmissione è essenziale per garantire prestazioni ottimali e prolungare la durata del sistema. La catena, essendo esposta a sollecitazioni meccaniche, agenti atmosferici e contaminanti, richiede una cura specifica per evitare usura eccessiva, perdita di efficienza e rotture premature.
Polvere, fango, sabbia e residui di vecchio lubrificante possono accumularsi sulle maglie e nei punti di contatto, aumentando l’attrito e accelerando l’usura. Per rimuovere questi depositi, si utilizzano spazzole apposite con setole rigide, in grado di raggiungere le aree più critiche, e detergenti specifici per catene.
È importante scegliere solventi non corrosivi per evitare danni ai materiali metallici e agli eventuali anelli di tenuta. Dopo la pulizia, la catena deve essere asciugata accuratamente per impedire la formazione di ruggine.
La verifica della tensione della catena è un altro elemento chiave nella manutenzione. Una catena eccessivamente tesa può generare sollecitazioni inutili sui componenti del sistema, mentre una catena troppo allentata rischia di uscire dai denti del pignone o della corona, compromettendo la sicurezza.
Per controllare la tensione, si misura il gioco libero della catena, che deve rispettare i valori specificati dal costruttore del veicolo. Se necessario, la regolazione viene effettuata agendo sui registri di tensione presenti sul forcellone posteriore.
Un’ispezione visiva della catena permette di individuare eventuali segni di usura o danneggiamenti, come maglie grippate, rulli deformati o perni consumati (Figura 4). È inoltre consigliabile verificare lo stato del pignone e della corona, controllando l’integrità dei denti, che non devono presentare segni di arrotondamento o usura eccessiva.
La frequenza della manutenzione dipende dall’uso del veicolo e dalle condizioni ambientali. Per motociclette utilizzate su strada, è generalmente sufficiente intervenire ogni 500-1.000 Km, mentre per quelle impiegate in fuoristrada è necessario effettuare una manutenzione dopo ogni uscita.
Una manutenzione regolare non solo prolunga la vita della catena, ma contribuisce anche alla sicurezza complessiva del veicolo, evitando guasti improvvisi e migliorando l’efficienza della trasmissione.
La sostituzione della catena di trasmissione è un’operazione necessaria quando questa raggiunge il limite della sua durata operativa o mostra segni evidenti di usura. Procrastinare la sostituzione può compromettere l’efficienza del sistema di trasmissione e la sicurezza del veicolo, aumentando il rischio di rottura improvvisa durante la guida. Una catena usurata può essere riconosciuta attraverso alcuni segnali chiari:
– allungamento eccessivo: verificabile confrontando la lunghezza totale della catena con le specifiche del costruttore. L’allungamento altera l’interazione tra i rulli e i denti del pignone e della corona, accelerandone l’usura.
– maglie grippate o rigide: segno di usura interna o insufficiente lubrificazione.
– rumori anomali: clic o stridii durante il funzionamento possono indicare problemi di allineamento o danneggiamenti strutturali.
La sostituzione della catena richiede attenzione per garantire un’installazione corretta e sicura. Prima di iniziare, si consiglia di controllare accuratamente anche il pignone e la corona, poiché questi componenti si usurano insieme alla catena e l’installazione di una catena nuova su ingranaggi usurati ne comprometterebbe la durata (Figura 5):
1. Rimozione della catena usurata: si procede scollegando il giunto di chiusura o tagliando la catena con un utensile adatto, facendo attenzione a non danneggiare i componenti circostanti.
2. Verifica del pignone e della corona: prima di montare la nuova catena, si controllano i denti del pignone e della corona per individuare segni di usura o deformazioni. Se necessario, come detto, è consigliabile sostituirli.
3. Installazione della nuova catena: la catena viene posizionata seguendo il percorso corretto attorno a pignone e corona. Si chiude utilizzando un giunto di chiusura (clip o rivettato), assicurandosi che sia ben fissato e orientato correttamente per evitare aperture accidentali.
4. Regolazione della tensione: dopo l’installazione, la tensione della catena deve essere regolata entro i parametri specificati dal costruttore, verificando il gioco libero.
L’operazione di sostituzione richiede strumenti specifici, come pinze per giunti di chiusura, chiavi dinamometriche e attrezzi per il taglio della catena. Durante la procedura, è importante indossare dispositivi di protezione individuale, come guanti e occhiali, per prevenire lesioni.
La durata di una catena dipende dalla qualità del materiale, dal tipo di utilizzo e dalla manutenzione effettuata. In media, le catene di buona qualità possono durare tra 15.000 e 30.000 Km su strada, mentre in condizioni offroad la vita utile può ridursi significativamente.
Seguire le linee guida del costruttore e monitorare regolarmente lo stato del sistema di trasmissione è fondamentale per determinare il momento opportuno per la sostituzione. La sostituzione tempestiva e corretta della catena garantisce la sicurezza del veicolo, riduce il rischio di danni ad altri componenti della trasmissione e preserva le prestazioni ottimali del sistema.
Vantaggi e svantaggi
La trasmissione a catena è ampiamente utilizzata nel settore motociclistico grazie a una combinazione unica di vantaggi che la rendono adatta a diverse tipologie di veicoli e utilizzi. Tuttavia, presenta anche alcuni svantaggi intrinseci che devono essere considerati nella scelta e nella progettazione del sistema.
Partiamo dai vantaggi, che possiamo elencare in questo modo.
1. Alta efficienza meccanica
La trasmissione a catena è altamente efficiente, con un rendimento che può superare il 95%, particolarmente importante per motociclette ad alte prestazioni, dove ogni watt di potenza è critico.
2. Adattabilità
La facilità con cui è possibile modificare i rapporti di trasmissione, semplicemente sostituendo pignone o corona, rende il sistema versatile per adattarsi a diverse esigenze, come l’ottimizzazione dell’accelerazione oppure della velocità di punta.
3. Leggerezza
Rispetto ad alternative come l’albero cardanico, il sistema a catena ha un peso significativamente inferiore, contribuendo a una migliore maneggevolezza del mezzo.
4. Costo contenuto
I componenti del sistema a catena sono generalmente meno costosi rispetto a quelli di altri sistemi, rendendo più economici sia l’installazione che la manutenzione.
5. Robustezza
Le catene più recenti sono progettate per resistere a carichi elevati e usura, caratteristica che le rende adatte a condizioni operative gravose, come quelle offroad.
Parlando invece di punti di attenzione e criticità legati alle catene di trasmissione, possiamo citare i seguenti.
1. Manutenzione
La catena richiede una manutenzione regolare, tra cui pulizia, lubrificazione e regolazione del tensionamento, per mantenerne l’efficienza e prevenire il deterioramento delle parti.
2. Esposizione ambientale
Essendo un sistema aperto, la catena è soggetta a contaminazione da polvere, sporco e umidità, che possono accelerare l’usura e ridurre la durata dei sui componenti e degli ingranaggi.
3. Usura e allentamento
Con il tempo, la catena si allenta a causa dell’usura dei perni e dei rulli, influendo negativamente sull’efficienza e sulla tensione del sistema.
4. Rumorosità
Il contatto continuo tra i rulli della catena e i denti del pignone e della corona può generare rumore, che può essere percepito come un fastidio, soprattutto a velocità elevate.
Giorgio De Pasquale, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Politecnico di Torino, Smart Structures and Systems Lab, ed Elena Perotti, senior data analyst.
