Applicazioni

Caratteristiche generali

Le trasmissioni idrostatiche sono state introdotte sulle macchine mobili grazie alla loro versatilità ed

adattabilità alle più svariate applicazioni.

I vantaggi ottenibili rispetto alla più tradizionale trasmissione meccanica sono:

- libertà di posizionamento del motore termico sulla

macchina

- possibilità di trasmettere potenza a distanze relativamente elevate o ad utilizzi montati su parti

mobili della macchina

- elevato rapporto peso/potenza

- facilità di regolazione

- funzionamento bidirezionale

Questi vantaggi si sono resi più evidenti con l'introduzione di pompe e motori studiati per

l'utilizzo in circuito chiuso.

In questo modo si è potuto integrare l'organo di regolazione della potenza direttamente nella pompa,

evitando così inutili sprechi energetici e dissipazioni di calore; in una parola, migliorando enormemente il

rendimento della trasmissione idrostatica.

LA TRASMISSIONE IDRAULICA DELLA POTENZA

La pompa è l'organo che, connesso al motore termico, converte l'energia meccanica in energia idraulica.

Il processo di conversione genera una portata di fluido, che risulta proporzionale alla cilindrata della

pompa e alla velocit… di rotazione, secondo la formula:

Q = n * cc / 1000

ove

n = velocità dell'albero pompa (giri/min)

cc = cilindrata della pompa (cc)

Q = portata (litri/minuto)

La seconda grandezza che influenza la potenza idraulica è la pressione, che dipende dal carico

resistivo applicato all'utilizzo.

Per definizione, la pressione è un rapporto fra forza applicata e superficie di applicazione.

p = F / S

La potenza idraulica trasmessa è quindi proporzionale alla portata di olio ed alla massima

pressione sopportabile dal componente, secondo la relazione:

P = p * Q / 612

ove

P = potenza (Kw)

Q = portata (lt/min)

p = pressione (bar)

La massima pressione di lavoro è una caratteristica del componente, che viene fornita dal costruttore.

La portata di fluido è limitata dalla cilindrata della pompa e dal massimo regime di rotazione applicabile.

Risulta quindi evidente che esiste un limite fisico alla potenza di una trasmissione idrostatica ,

dipendente dalle caratteristiche dei componenti.

LA REGOLAZIONE

Per regolare la potenza possiamo agire quindi sia sulla portata che sulla pressione.

Per quanto riguarda la pressione, essa dipende dal carico.

E' possibile ottenere una limitazione della pressione massima raggiungibile nel circuito per mezzo

di valvole di massima, tarate ad un valore più basso del massimo ammissibile dai componenti.

Per quanto riguarda la portata, possiamo regolarla dissipandone l'eccesso a serbatoio per mezzo di valvole

regolabili.

Questo tipo regolazione è quindi sempre dissipativa, e non conveniente energeticamente.

IL CIRCUITO CHIUSO

Con l'introduzione delle pompe a cilindrata variabile per circuiti chiusi, scompare il blocco di

regolazione esterno.

La regolazione della cilindrata permette di variare la portata, e quindi la potenza idraulica generata,

in misura adattabile alle esigenze del carico, senza dissipazioni in componenti esterni di regolazione.

Ciò significa che viene assorbita unicamente la potenza meccanica necessaria per l'utilizzo.

L'UTILIZZO

Un motore idraulico riconverte l'energia idraulica in energia meccanica.

Per aumentare il campo di regolazione, è possibile avere motori a cilindrata variabile.

LA GAMMA DI POTENZE

Fra le tante possibili applicazioni dei componenti idraulici per trasmissioni idrostatiche ne esamineremo

ora alcune tipiche nel settore edile e stradale.

Per quanto già spiegato, la potenza massima trasmissibile idrostaticamente dipende:

- dalla portata di olio, e quindi dalla cilindrata

della pompa

- dalla pressione di lavoro dei componenti.

E' pure evidente che l'utilizzo di una trasmissione sovradimensionata per trasmettere piccole potenze non è

conveniente dal punto di vista economico ed energetico.

Analizziamo ora alcune di queste macchine, per conoscere i motivi di certe scelte e le soluzioni

adottate.

I DUMPERS

I dumpers, nella gamma di potenza a cui ci stiamo riferendo, sono macchine semoventi multistradali,

dotate di un contenitore per il trasporto di materiale.

Su alcuni modelli può essere presente anche una pala caricatrice, per facilitare il riempimento del dumper.

Per queste macchine si richiede una facile adattabilità alle diverse condizioni di terreno su cui

si trovano a lavorare, in pendenza, su terreni fangosi, su asfalto ecc...

Per la stessa ragione una trasmissione meccanica dovrebbe avere un elevato campo di variazione dei

rapporti.

Si richiedono inoltre :

- facilità di guida

- buona velocità di trasferimento su asfalto

- facile invertibilità di marcia

Per tutti questi motivi è stata introdotta la trasmissione idrostatica su questi veicoli.

IL SISTEMA IDRAULICO TRADIZIONALE

Per la trazione sono possibili diverse soluzioni.

Possiamo avere:

- un motore idraulico per ciascuna ruota. A seconda del tipo di motore (lento o veloce) l'accoppiamento pu

essere diretto al mozzo o intermediato da un riduttore.

Il numero dei motori dipende del numero di ruote motrici.

- un motore idraulico viene montato direttamente sul ponte differenziale. Avremo quindi uno o due motori, a

seconda che si tratti di un dumper a due o quattro ruote motrici.

- un motore idraulico comanda un cambio meccanico a due rapporti. Il moto viene poi trasmesso alle ruote

mediante alberi di trasmissione e ponti differenziali.

Se viene richiesto un vasto campo di velocità di avanzamento, unito ad elevate forze di trazione allo

spunto, si impiegano comunemente motori a cilindrata variabile, che consentono di ottenere due rapporti di

trasmissione.

Nel caso dell'accoppiamento ad un cambio meccanico, con solo due rapporti meccanici otteniamo così quattro

rapporti di trasmissione.

Tutte queste soluzioni sono attualmente applicate su dumpers di normale produzione, nonch‚ su altre macchine

semoventi a trasmissione idrostatica su ruote gommate.

Una pompa a pistoni assiali a cilindrata variabile per circuito chiuso, montata sul motore termico,

comanda l'avanzamento della macchina.

Per il comando della cilindrata della pompa si può usare un azionamento manuale, comandato da una leva o

connesso al pedale dell'acceleratore (in quest'ultimo caso si viene a perdere la facile invertibilità di

marcia).

Un comando di questo genere richiede però l'intervento continuo dell'operatore durante le normali

operazioni di lavoro.

Nel caso si abbia un damper con pala caricatrice, nascono altre esigenze di controllo.

Infatti, se analizziamo l'impatto della pala stessa nel mucchio di materiale da caricare, vediamo che

questo avviene in due fasi:

1- fase di avvicinamento: la velocità è sostenuta, il rapporto di trasmissione deve essere

sufficientemente lungo da permettere una buona velocità di impatto, la coppia sviluppata dal motore è bassa.

2- fase di impatto: la velocità diminuisce bruscamente, il rapporto deve essere corto per

permettere al mezzo di sviluppare la massima coppia.

Le esigenze, durante le due fasi, sono contrastanti: è necessario all'inizio un rapporto lungo, che poi deve

accorciarsi durante l'impatto col materiale.

Per ovviare a questi inconvenienti, e se si desidera un sistema di guida più comodo, di tipo

automobilistico, è necessario passare ad un controllo della cilindrata di tipo "automotive".

LA POMPA "AUTOMOTIVE"

Questa pompa presenta le seguenti caratteristiche:

- variazione della cilindrata completamente automatica, dipendente dal regime di rotazione del

motore termico. Accelerando, la cilindrata aumenta; rallentando, diminuisce.

- è possibile impostare un regime minimo di inizio avanzamento (tra 800 - 1200 rpm), al di sopra del

quale la macchina comincia a muoversi. Non è perciò necessario il pedale della frizione.

- sulla pompa è presente un limitatore della potenza massima assorbita dalla trasmissione. Quando si

supera il limite impostato, la cilindrata della pompa diminuisce, rendendo disponibile la potenza

del motore termico per altri utilizzi.

- sulla pompa è presente un'elettrovalvola per il comando dell'inversione di marcia. L'inversione

del moto della macchina avviene mediante un semplice interruttore elettrico a tre posizioni:

avanti, indietro e stop. Non sono necessarie costose e delicate schede elettroniche aggiuntive.

Vengono così soddisfatte anche le esigenze del dumper con pala: durante la fase di avvicinamento il

motore gira senza carico, e la cilindrata è elevata.

Nell'impatto, la pressione nel circuito aumenta, mentre si riduce la cilindrata della pompa; il rapporto

si accorcia e il motore può sviluppare più coppia,mantenendo la stessa velocità di rotazione.

Il tutto avviene automaticamente, senza intervento dell'operatore.

Può esserci, però, la necessità di ridurre la cilindrata della pompa senza dover agire sul regime del

motore.

Sulla pompa è presente una valvola "inching", che permette di:

- ridurre la cilindrata della pompa fino ad annullarla.

- aumentare la cilindrata fino a ripristinare le condizioni iniziali di funzionamento automatico.

Mentre si agisce sul freno di servizio del veicolo, occorre agire contemporaneamente anche sulla valvola

inching, per evitare che il motore continui a spingere la macchina facendola avanzare.

Rilasciando il freno, la macchina ritornerà automaticamente nella condizioni precedenti di

funzionamento.

La guida di un veicolo equipaggiato con la pompa automotive è quindi molto facile, simile a quella di

una vettura con cambio automatico.

Il funzionamento risulta molto morbido ed esente da strappi.

Si ha in pratica una variazione continua del rapporto di trasmissione, che si adatta automaticamente

all'utilizzo della macchina.

Per avere un'ampia gamma di velocità e nel contempo garantire la massima forza di trazione in ogni

condizione di utilizzo della macchina, è opportuno scegliere un motore a cilindrata variabile, che

consente di selezionare una marcia "lenta" per i lavori che richiedono basse velocità ed elevato sforzo, o una

marcia "veloce " per i trasferimenti.

Utilizzando un cambio meccanico a due soli rapporti, i rapporti totali disponibili diventano quattro,

potendo così soddisfare tutte le esigenze di trazione di una moderna macchina stradale.

2 BETONIERE

Il dumper-betoniera, o betondumper, è una macchina che soddisfa le esigenze di preparazione, miscelazione

e trasporto a destinazione del calcestruzzo impiegato nei cantieri.

Si tratta quindi di una macchina molto versatile, che deve potersi adattare facilmente ad un impiego

fuoristrada e garantire buone velocità di trasferimento su asfalto.

Generalmente queste macchine sono pure dotate di una pala caricatrice, per il riempimento del tamburo e la

movimentazione di materiali.

In questo caso la trasmissione idrostatica, oltre che per l'avanzamento, può essere vantaggiosamente

utilizzata per comandare la rotazione del tamburo di miscelazione.

LE ESIGENZE

Esigenza fondamentale è quella di poter regolare in maniera continua la velocità di rotazione del tamburo,

mantenendo una facile invertibilità del moto di rotazione.

Il regime di rotazione passa dai 13-16 giri al minuto delle fasi di riempimento, miscelazione e

svuotamento, ai circa 3-6 giri della fase di agitazione durante il trasporto.

Con motori di potenza intorno ai 40 Kw, indicativamente si comandano tamburi fino a 4-5 metri

cubi, con momenti torcenti di circa 2500-3200 daNm.

LA SOLUZIONE

Per il comando del tamburo sulle macchine di queste dimensioni esistono varie soluzioni:

- motore lento con comando diretto o mediante riduttore epicicloidale con basso rapporto di riduzione

- motore veloce a pistoni, accoppiato ad un riduttore epicicloidale con elevato rapporto di riduzione.

Generalmente il riduttore epicicloidale funge anche da supporto del tamburo stesso.

Il motore idraulico a cilindrata fissa è azionato da una pompa per circuito chiuso a cilindrata variabile,

applicata sul motore termico della macchina, lo stesso usato per la traslazione.

Per la variazione della cilindrata è possibile usare il semplice comando manuale: l'operatore agisce su una

leva opportunamente frizionata, collegata, meccanicamente alla pompa da comandare.

Una soluzione più raffinata prevede l'impiego di una pompa con comando elettrico non proporzionale.

POMPA CON COMANDO ELETTRICO

I vantaggi di tale comando sono immediatamente intuibili:

- assenza di rinvii meccanici

- comando mediante un semplice pulsante a tre posizioni: tenendo premuto più o meno a lungo il

pulsante si regola la velocità e il senso di rotazione della botte; raggiunto il valore

desiderato si può rilasciare il pulsante, e la cilindrata rimane quella prefissata.

- non sono necessarie costose e delicate schede elettroniche aggiuntive.

- facilità di realizzare comandi a distanza e da più punti sulla stessa macchina, piazzando un pulsante

nel luogo più comodo per l'operatore.

Le elettrovalvole sono fissate direttamente sulla pompa, e incorporano degli strozzatori per l'olio che

garantiscono una regolazione molto dolce e regolare della cilindrata, anche in presenza di un comando di

inversione immediata della rotazione.

L'operatore imposta manualmente la velocità di rotazione del tamburo, rilasciando il pulsante quando

viene raggiunta una velocità ritenuta idonea.

3 RULLI COMPRESSORI

Il rullo compressore per lavorazioni stradali necessita di un tipo di trasmissione che soddisfi

particolari requisiti:

- deve poter trasmettere il moto direttamente al (o ai) rulli

- deve permettere inversioni di marcia molto dolci, per ottenere una superficie d'asfalto la pi- liscia

possibile.

Nel caso, poi, di compressori vibranti, è necessario poter regolare indipendentemente in modo continuo la

frequenza e l'entità della vibrazione, per ottimizzare il grado di compressione.

Per ottenere questi risultati si applica con successo la trasmissione idrostatica, sia per

l'avanzamento che per il comando della vibrazione.

La pompa a portata variabile con comando manuale soddisfa bene le esigenze succitate.

E' possibile montarne due in tandem, in modo da usarne una per comandare l'avanzamento e l'altra per la

vibrazione.

Per la ridotta gamma di velocità richiesta, si può vantaggiosamente utilizzare un motore idraulico a

cilindrata fissa per comandare la rotazione del rullo.

Per contenere la temperatura dell'olio si usa uno scambiatore di calore, posto sul drenaggio.

Per avere una buona efficienza di scambio, è necessario garantire allo scambiatore una determinata

portata di olio di alcune decine di litri al minuto, ben superiore quindi ai bassissimi drenaggi tipici dei

moderni componenti idraulici, inferiori al litro al minuto anche a pieno carico.

Per questo è opportuno impiegare componenti dotati di una valvola di scambio.

La valvola di scambio, che può essere incorporata nel motore o nella pompa, mette automaticamente in

comunicazione il ramo a pressione più bassa del circuito chiuso con il drenaggio, attraverso una

valvola di massima.

In questo modo una parte dell'olio caldo presente nel circuito chiuso viene deviato verso il radiatore, e

quindi al serbatoio.

Nella pompa, questo olio viene rimpiazzato da fluido più fresco aspirato dalla pompa di sovralimentazione.

Mediante la valvola di scambio, quindi, riusciamo a garantire:

- la portata di fluido necessaria allo scambiatore per smaltire il calore generato dalla trasmissione

- l'immissione nel circuito chiuso di fluido fresco proveniente dal serbatoio.

In questo modo otteniamo una trasmissione idrostatica semplice, affidabile e facilmente regolabile.

4 SOLLEVATORI TELESCOPICI

Su questo tipo di macchina troviamo come le pompe a pistoni possono essere applicate al comando dei vari

servizi idraulici, in aggiunta alla trasmissione idrostatica per l'avanzamento, di cui abbiamo già

parlato nei precedenti esempi.

I movimenti del braccio telescopico sono tutti comandati idraulicamente mediante una pompa e un

distributore a più leve.

I movimenti da comandare sono:

- alzata e sfilo del braccio telescopico

- movimento della forca o della pala all'estremità del braccio.

IL SISTEMA IDRAULICO TRADIZIONALE

Una pompa per circuito aperto a cilindrata fissa fornisce la portata di olio necessaria a tutto il circuito.

Un distributore a più sezioni devia l'olio ai cilindri, regolandone il movimento.

E' presente nel circuito una valvola di massima generale, tarata alla massima pressione ammissibile per

la pompa.

Eventualmente, sulle singole sezioni del distributore idraulico sono presenti altre valvole

limitatrici, tarate a pressioni diverse.

La quantità di olio messa in circolo dalla pompa, e quindi la velocità di movimento degli azionamenti,

dipende unicamente dal regime di rotazione del motore termico.

Azionando contemporaneamente più martinetti, assisteremo ad una drastica riduzione della velocità

di movimentazione degli stessi, dovuta al fatto che la portata della pompa si divide fra i vari utilizzi

contemporanei.

Non è perciò possibile azionare contemporaneamente più martinetti, se non a scapito della velocità di

movimento.

Tutti i componenti devono essere dimensionati in base alla massima portata del circuito, che fluisce

continuamente durante il lavoro, anche in assenza di carico.

Ciò causa :

- spreco di energia, e quindi inutili consumi di carburante

- aumento del calore da smaltire, che causa un innalzamento della temperatura

- minore vita dei componenti idraulici

- necessità di scambiatori di calore più grandi

Per ovviare questi inconvenienti, potremmo pensare di intervenire manualmente sulla portata di olio del

circuito, per esempio accelerando il motore quando dobbiamo eseguire qualsiasi operazione e rallentandolo

quando non è più necessario.

E' evidente che un tale rozzo sistema sarebbe alquanto scomodo da gestire; inoltre, il motore termico

è lo stesso che viene usato per la traslazione del mezzo, per cui il regime non può variare oltre certi

limiti.

Un'altra possibilità sarebbe quella di poter variare la portata di olio agendo sulla cilindrata della pompa;

nasce così l'esigenza di una pompa a cilindrata variabile, che possa adeguarsi alle esigenze del carico

e fornire una portata quasi indipendente dal regime del motore termico.

LA POMPA LOAD-SENSING

La pompa a pistoni assiali a cilindrata variabile per circuito aperto con comando load-sensing ha le

seguenti caratteristiche:

- grandi luci di passaggio dell'olio, per ridurre al minimo le possibilità di cavitazione

- elevata silenziosità anche ad alta pressione

- elevata velocità di regolazione, per adattarsi nel più breve tempo possibile alle condizioni di lavoro

istantanee.

Questa pompa interagisce con il sistema di controllo ed il carico, sottostando alle seguenti condizioni:

- la cilindrata della pompa si azzera se non vi è carico. Questo riduce gli sprechi di energia e il

riscaldamento dell'olio

- la cilindrata si adegua automaticamente ed istantaneamente alla richiesta di olio del circuito.

- è possibile azionare contemporaneamente più di un martinetto, per effettuare diversi movimenti nello

stesso tempo, fino a raggiungere la massima portata possibile della pompa ad un dato regime.

- la portata è indipendente dal regime di rotazione del motore termico, a partire dalla portata minima

necessaria per un certo utilizzo. Anche aumentando il regime, la portata rimane costante.

Questo funzionamento viene ottenuto introducendo un segnale di "retroazione" dal sistema verso la pompa,

che la informa continuamente sullo stato del sistema stesso.

Tale segnale viene normalmente detto "segnale

load-sensing", viene ricavato da un compensatore di portata presente nei distributori di tipo load-sensing

o in blocchi valvola opportunamente predisposti.

Il funzionamento del comando load-sensing si può dividere in tre fasi, a seconda dello stato del segnale

load-sensing :

1- segnale load-sensing nullo il compensatore di portata consente l'azzeramento della cilindrata della pompa

ad un valore di pressione pari al valore di taratura della valvola load-sensing , ovvero tra i 18 e i 22 bar.

2- segnale load-sensing attivo: il compensatore di portata permette alla pompa di assumere una cilindrata

tale da mantenere costante il salto di pressione attraverso l'organo di regolazione (strozzatura, distributore, valvola).

La portata dipende solamente dalla richiesta dell'utenza.

Una variazione del diametro dell'orifizio del compensatore di portata farà variare di pari passo la

portata erogata all'utenza.

In caso di variazione del regime di rotazione della pompa, si ha un adeguamento della cilindrata tale da

mantenere costante il flusso di olio erogato.

Il valore della pressione nella pompa è pari alla pressione generata dal carico resistente sommata alla

caduta di pressione sul compensatore di portata.

3- segnale load-sensing massimo:

in tale condizione viene inibita l'azione del compensatore di portata, mentre interviene il

compensatore di pressione portando la pompa ad un valore di cilindrata nullo.

ESEMPIO: Se stiamo muovendo un martinetto, e ad certo punto desideriamo azionarne anche un secondo, la

pompa aumenta la cilindrata in modo tale da:

1 - mantenere costante il flusso d'olio, e quindi la velocità, del primo martinetto.

2- fornire la portata in pi- necessaria per muovere anche il secondo martinetto.

Azionando contemporaneamente un numero via via crescente di utilizzi, scopriamo che esiste un limite

fisico alla portata che la pompa può fornire, che dipende dalla cilindrata massima raggiungibile dalla

pompa e dal regime di rotazione.

Occorre quindi impedire che la richiesta di portata degli utilizzatori risulti uguale o superiore a quella

massima erogabile dalla pompa.

In questo caso si avrebbe una condizione di saturazione, che metterebbe in crisi tutto il sistema

load-sensing .

Per ovviare a questa condizione, il compensatore di pressione interno alla pompa interviene limitando

automaticamente la portata globalmente assorbita dagli utilizzi.

In pratica, si assiste ad una riduzione della velocità dei movimenti, garantendone comunque la

contemporaneità.

Riassumiamo quindi i vantaggi tangibile del controllo load-sensing, che si possono apprezzare nel

lavoro quotidiano della macchina:

- minori sprechi di energia, e quindi minori consumi di carburante

- maggiore produttività della macchina, che si adegua automaticamente alle richieste dell'operatore.

- migliore rendimento globale del sistema




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