Albero a camme: cos’è e come funziona?

Nei motori a combustione interna con pistoni, l’albero a camme viene utilizzato per azionare le valvole a fungo. È costituito da un’asta cilindrica che percorre la lunghezza della banca del cilindro con un numero di lobi oblunghi ed eccentrici che sporgono da esso, uno per ogni valvola. I lobi a camma forzano l’apertura delle valvole premendo sulla valvola o su un meccanismo intermedio, mentre ruotano.

La relazione tra la rotazione dell’albero a camme e la rotazione dell’albero a gomiti è di fondamentale importanza. Poiché le valvole controllano il flusso dell’aspirazione e dei gas di scarico della miscela aria/carburante, devono essere aperte e chiuse al momento opportuno durante la corsa del pistone. Per questo motivo, l’albero a camme è collegato all’albero a gomiti direttamente, tramite un meccanismo a ingranaggi, o indirettamente tramite una cinghia o catena denominata cinghia di distribuzione o catena di distribuzione.

L’albero a camme: quando l’elaborazione del motore passava anche da qui

L’albero a camme è stato descritto nel 1206 dall’ingegnere turco Al-Jazari. Esso lo impiegò come parte dei suoi automi, macchine per sollevare l’acqua e orologi ad acqua, come l’orologio del castello.

Tra le prime vetture ad utilizzare motori con singoli alberi a camme in testa vi furono la Maudslay progettata da Alexander Craig e introdotta nel 1902 e la Marr Auto Car progettata dal nativo del Michigan Walter Lorenzo Marr nel 1903.

Le camme sono progettate in modo da garantire un movimento delle valvole e un “timing” cui esse si aprono e si chiudono (il diagramma della distribuzione), oltre il loro valore dell’alzata, ovvero l’apertura delle valvole stesse. Variando il disegno delle camme questi fattori cambiano e quindi variano le caratteristiche di erogazione della coppia e della potenza del motore: solitamente più il profilo della camma è dolce e basso più il motore è tranquillo, morbido e “rotondo”. Più il profilo è acuto e alto più il motore è spinto e nervoso.

Per questo, in passato era necessario sostituire l’asse (o gli assi) a camme per modificare il carattere del propulsore. Oggi invece con l’avvento dell’elettronica e dei turbo, questa modifica ha perso importanza.
Inoltre non dimentichiamo che negli anni 80 hanno fatto la comparsa i variatori di fase, che consentono di mutare la posizione angolare dell’asse a camme rispetto all’ingranaggio che lo fa ruotare. Questo sofisticato sistema ha dato la possibilità di aumentare la coppia ai bassi regimi (chiudendo prima le valvole per ottimizzare il riempimento del cilindro senza riflusso del fluido durante la fase di compressione), mantenendo elevata la potenza ai giri più alti (chiudendo le valvole dopo e sfruttando l’inerzia stessa dell’aria per riempire il cilindro con il pistone già nella prima parte della corsa di compressione).

Inoltre, è possibile modificare a piacere la legge di apertura e chiusura delle valvole per passare da un classico ciclo Otto a quello Atkinson (come le Toyota ibride), che aumenta il rendimento, ma diminuisce la potenza.

Quanti alberi a camme servono?

Mentre oggi alcuni motori si basano su un singolo albero a camme per banco di cilindri, che è noto come SOHC, la maggior parte dei motori moderni sono azionati da una disposizione di due alberi a camme per bancata (un albero a camme per le valvole di aspirazione e un altro per le valvole di scarico).

Quando il propulsore presenta un solo albero, si parla di ‘distribuzione monoalbero’, quando invece ve ne sono due, si definisce ‘distribuzione bialbero’ o ‘distribuzione con doppio albero a camme in testa’ (spesso abbreviato mediante la sigla inglese DOHC che sta per Double Over Head Camshaft). In genere, questi ultimi vengono utilizzati per i motori molto potenti ad elevate prestazioni.

Un motore a V, che ha due banchi di cilindri separati, può avere quattro alberi a camme (colloquialmente noto come motore a quattro camme). Più insolito è il moderno motore W (noto come il “VV” Volkwagen) che ha quattro banchi di cilindri disposti a “W” con due coppie strettamente disposte con una separazione di 15 gradi . Anche quando ci sono quattro banchi di cilindri (che normalmente richiederebbero un totale di otto singoli alberi a camme), il design ad angolo stretto consente l’uso di solo quattro alberi a camme in totale. La Bugatti Veyron ha una configurazione del motore W a 16 cilindri, con i quattro alberi a camme che guidano un totale di 64 valvole.

Non solo albero a camme…

Oltre all’attrito meccanico, è necessaria una forza considerevole per comprimere le molle delle valvole utilizzate per chiudere le valvole del motore. Ciò può ammontare a circa il 25% della potenza totale di un motore al minimo, riducendo l’efficienza complessiva.

Alcuni approcci per recuperare questa energia “sprecata” includono:
• valvole senza molla, come il sistema desmodromico impiegato oggi dalla Ducati;
• le valvetraine senza camme che utilizzano solenoidi o sistemi magnetici sono state a lungo studiate da BMW e in prototipazione da Valeo e Ricardo;
• Koenigsegg ha sviluppato un attuatore per elettrovalvola come alternativa più efficiente in termini di consumo di carburante e di ingombro ridotto rispetto all’albero a camme tradizionale;
• Fiat con il sistema Multiair utilizza un solo albero a camme e ottimizza alzata e fasatura attraverso un sistema idraulico.

La manutenzione dell’albero a camme

Come ogni componente meccanica, anche l’albero a camme va incontro a usura, anche se oggigiorno meno di un tempo. Quando questo accade, sono le camme a consumarsi, una volta persa la cementazione, con il rischio di danneggiare anche la punteria, ossia tutte le componenti meccaniche che si trovano tra le camme e le valvole. In casi del genere è consigliabile rivolgersi ad un meccanico per la sostituzione delle camme o dell’intero asse. Col passare del tempo e con l’avanzare dell’usura, in genere si sente un ticchettio sempre più pronunciato e il rendimento del motore peggiora. L’usura delle camme può dipendere da svariati fattori, dal semplice difetto di fabbricazione ad uno stile di guida particolarmente ‘pesante’. Per questo, una volta riscontrato il problema, è bene agire di conseguenza. Un albero a camme nuovo costa non meno di 100 euro (benché il prezzo dipenda anche dalla marca e dal modello dell’auto); a questi vanno aggiunti i costi della manodopera per la sostituzione dell’asse per la quale è bene rivolgersi ad un meccanico.

I bilancieri o seguicamma talvolta contengono un meccanismo per regolare la valvola di ciglia con regolazione manuale, ma la maggior parte motori automobilistici moderni hanno punterie idrauliche, eliminando la necessità di regolare il gioco della valvola a intervalli regolari.

Operazione molto importante è la messa in fase dell’albero a camme, ne esistono diverse modalità. Se si commette un’errore il motore perde efficienza, e nei casi più gravi le valvole possono andare in contatto con il pistone, rischiando la rottura di entrambi i componenti.