Freni Dinamometrici Idraulici: Funzionamento e Applicazioni
I freni dinamometrici sono strumenti ampiamente utilizzati nei laboratori di ricerca e nell'industria per misurare la coppia motrice e, di conseguenza, la potenza all'albero (o effettiva) dei motori, attraverso la misurazione simultanea della velocità di rotazione. In alcuni casi, meno frequenti, è possibile anche la misura diretta della potenza.
Misura Diretta della Potenza
La misura diretta della potenza prodotta può essere eseguita con macchine dinamoelettriche tarate e con freni ad aria (mulinelli). Se il motore in prova è accoppiato ad una macchina dinamoelettrica, la sua potenza si può ottenere dividendo la potenza elettrica generata dalla dinamo per il rendimento di questa, determinato mediante preventiva, accurata taratura. I mulinelli sono per solito costituiti da un'elica piatta. Le due piastre possono essere fissate sui bracci a distanze diverse dall'asse di rotazione onde assorbire, per ogni determinata velocità, potenze diverse.
Misura della Coppia Motrice
I freni dinamometrici di uso più frequente consentono la misura diretta della sola coppia motrice. Essi possono essere del tipo meccanico (a ceppi o ad organo flessibile), idraulico, elettromagnetico, ma, a parte la natura delle forze agenti, il principio informatore non muta. In ogni caso, infatti, un rotore, accoppiato con l'asse del motore da provare, è racchiuso in una cassa che può oscillare intorno ad un asse ideale coincidente con quello dell'albero motore stesso, mediante appoggio su cuscinetti a sfere concentrici all'albero.
Rinunciando alla misura diretta della potenza, la taratura preventiva del mulinello può essere evitata se il motore in prova è sostenuto da un banco oscillante: in tal caso la coppia motrice risulta misurata dal momento, rispetto all'asse di oscillazione del banco stesso, di un peso che, affidato ad un apposito braccio solidale col sistema oscillante, riesce a tenerlo nell'assetto originale (di riposo) corrispondente al motore fermo.
Freni Dinamometrici Meccanici
I tipi classici di freni dinamometrici meccanici, benché costruttivamente semplici, risultano adatti solamente per potenze modeste e sono comunque di uso scomodo e di difficile regolazione per la scarsa costanza del momento frenante, per la conseguente difficoltà a tenere costante il regime del motore e conseguenti squilibri improvvisi e continui del sistema oscillante. Si è cercato di migliorarne e facilitarne l'uso rendendo automatica la regolazione della forza con cui i ceppi (o il nastro) sono serrati sulla puleggia.
Fra i diversi tipi automatici si ricorda qui quello Vocca: in esso, ottenuto col motore in moto il serraggio "base" dei ceppi mettendo in tensione, a mano ed a mezzo di un volantino, la molla M, quando per un aumento del coefficente d'attrito fra ceppi e puleggia il complesso tende ad essere trascinato nel senso della rotazione (antiorario in figura) ed il braccio b, inizialmente orizzontale, tende ad inclinarsi verso sinistra, il peso F, inizialmente sulla verticale del fulcro A, agisce attraverso le aste a e c nel senso di allentare la stretta dei ceppi, in opposizione all'azione della molla M. L'azione del peso F è invece concorde con quella della molla, nel senso di aumentare il serraggio, quando, per diminuzione del coefficente d'attrito, il sistema tende a ruotare nel senso orario.
Freni Dinamometrici Idraulici: Principio di Funzionamento
Nei freni dinamometrici idraulici l'azione fra rotore e statore è dovuta sia all'attrito cinetico fra le parti fisse (solidali con la cassa) e quelle rotanti (solidali con l'asse motore) sia all'azione idrodinamica, fra gli stessi organi, dell'acqua che riempie parzialmente o del tutto la cassa oscillante. Esistono freni idraulici a dischi (tipo Ranzi, ad esempio) nei quali prevale l'azione dell'attrito cinetico, e freni a vortici (tipo Froude, ad esempio) nei quali le azioni e reazioni idrodinamiche sono esaltate dalla presenza, sulle due parti in moto relativo, di apposite cavità affrontate.
La regolazione della coppia frenante (a pari velocità di rotazione) si ottiene, nei primi, variando opportunamente la massa d'acqua presente nella cassa e cioè lo spessore radiale dell'anello liquido che si forma per forza centrifuga. I freni idraulici, se adoperati nel loro campo di misura, sono molto stabili e di uso comodo.
Caratteristiche dei Freni Idraulici
Il freno idraulico presenta le seguenti caratteristiche:
- P=1167 kW
- Coppia= 3980 Nm
- Forza max =4905 N
- Nmax= 2800 giri/min
Freni Dinamometrici Elettrici
I freni dinamometrici elettrici sono indubbiamente i più comodi e perfetti, ma anche i più costosi ed ingombranti. Essi si riducono per solito a un generatore (di corrente continua o di corrente alternata), il cui rotore viene accoppiato all'albero motore, mentre lo statore è reso al solito oscillante mediante appoggio su cuscinetti a sfere. La misura della coppia si esegue come già detto, mentre la regolazione si effettua da un quadro di manovra agendo sulla corrente di eccitazione e sulla resistenza del circuito esterno che assorbe (ed eventualmente utilizza) l'energia elettrica prodotta.
Rinunziando a queste due ultime possibilità, da alcuni anni sono stati creati freni elettrici che, pur presentando le ottime caratteristiche di quelli a cui si è già accennato, risultano sensibilmente più economici. In essi, realizzati con materiali di buona permeabilità magnetica, il rotore non è dotato di alcun avvolgimento, mentre nello statore è semplicemente allogata una bobina toroidale. È evidente che, eccitando la bobina, il campo magnetico generato provoca intense correnti parassite nella massa metallica e di conseguenza una energica coppia frenante.
In campo automobilistico il freno elettrico è il misuratore di potenza più diffuso poiché dotato di una buona sensibilità e precisione anche a bassi carichi. I freni elettrici possono essere del tipo "a correnti parassite" oppure possono essere costituiti da una dinamo, utilizzando come coppia frenante il momento che essa genera durante l'erogazione della corrente.
In questo caso, la determinazione della potenza del motore può essere effettuata misurando, mediante un voltmetro ed un amperometro, la potenza elettrica fornita dalla dinamo di cui è noto il rendimento ai vari regimi (metodo del generatore elettrico) ma nel caso più comune viene rilevata attraverso la misura della coppia di reazione dello statore (sistema della dinamo a culla). Lo statore, costituito dall'induttore ad anello della dinamo, è sopportato da due cuscinetti a sfere portati dal telaio fisso; il rotore, costituito dall'albero dell'indotto, è invece collegato all'albero a gomiti del motore attraverso un giunto elastico. Lo statore porta due bracci di cui uno serve a misurare la forza, agente alla sua estremità, necessaria ad equilibrare la coppia motrice; il secondo braccio, più corto, serve invece ad equilibrare il peso del primo, con l'applicazione di un opportuno contrappeso.
La regolazione del carico è attuata, per piccole variazioni, variando l'eccitazione della dinamo con un reostato mentre la corrente prodotta viene dissipata in resistori elettrici, regolabili per consentire ampie variazioni di carico. La dinamo freno non è adatta per motori di grandissime potenze (motori fissi e marini) e per motori funzionanti ad elevatissimi regimi a causa della forte inerzia delle parti in rotazione.
Applicazioni Storiche e Moderne dei Freni Idraulici
Da una pubblicazione risalente al 1984 sulla storia dell’Istituto Motori, si è risalito a datare il freno al 1930. Il freno dinamometrico è un’apparecchiatura che serve per generare il carico resistente necessario al rilievo sperimentale delle prestazioni di un motore. In passato i freni più diffusi, soprattutto per le applicazioni di maggiore potenza, sono stati quelli di tipo idraulico, in cui il carico resistente è generato dall’attrito viscoso dovuto al moto di una girante immersa in un liquido (generalmente acqua).
Nei freni più antichi la girante è costituita da uno o più dischi rotanti compresi fra dischi fissi solidali allo statore; lo spazio tra parti fisse e mobili è molto piccolo per cui l’acqua interposta è trascinata in moto vorticoso dalla girante e, scaldandosi per attrito interno, trasforma in calore il lavoro compiuto dal motore. Facendo circolare continuamente l’acqua attraverso il freno, il calore generato è smaltito all’esterno. Per aumentare la resistenza frenante in genere i dischi vengono forati.
La resistenza che l’acqua oppone alla rotazione del rotore reagisce sullo statore producendo una coppia uguale e contraria a quella generata dal motore. La coppia è calcolata a partire dalla misura della forza con un dinamometro, che contrasta la tendenza alla rotazione dello statore, noto il braccio di applicazione della forza stessa rispetto all’asse di rotazione.
La regolazione del carico resistente è ottenuta variando il livello dell’acqua all’interno del freno. Il rotore del freno è collegato direttamente al motore tramite un giunto meccanico. Il calcolo della potenza è ottenuto dalla misura della coppia motrice e della velocità di rotazione del motore.
I freni idraulici sono molto stabili e di facile uso.
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