Motore Idraulico: Principi, Applicazioni e Caratteristiche
L’oleodinamica è una branca della fluidodinamica che trova applicazione in ingegneria meccanica e si occupa dello studio della trasmissione dell’energia tramite fluidi in pressione, in particolare l’olio idraulico (vettore energetico).
Nella tipica applicazione oleodinamica, la portata d’olio generata da una pompa all’interno di un circuito oleodinamico viene utilizzata per muovere un martinetto o un motore idraulico a seconda che l’effetto meccanico desiderato (forza o coppia) sia lineare o rotatorio.
Un classico attuatore lineare oleodinamico è il cilindro, costituito da una camicia in cui scorre un pistone, il quale spinge uno stelo che esplica il moto. Per il moto rotatorio basti pensare alle ruote delle macchine movimento terra come gli escavatori o grandi trattori agricoli, oppure pensare agli argani per issare le reti dei pescherecci dove servono coppie elevate e solitamente velocità angolari modeste.
Il settore oleodinamico è in forte espansione a livello mondiale grazie alla sua grande capacità di gestire notevoli potenze tramite componentistica di dimensioni e pesi ridotti rispetto a tecnologie alternative.
Vantaggi delle Trasmissioni Idrauliche
Le macchine idrauliche, definite come quella particolare categoria di strumenti e macchinari che utilizzano la potenza di un fluido per compiere lavoro, sono utilizzate in numerose applicazioni pesanti. Il vantaggio principale di una trasmissione idraulica è il fatto di permettere la trasmissione di grandi potenze a qualunque distanza e tramite tubi flessibili: questo consente di realizzare trasmissioni disassate e senza particolari vincoli di allineamento, con il vantaggio intrinseco di avere un’ottima capacità di assorbire i picchi di carico derivanti da urti e sovraccarichi.
Inoltre la gamma di attuatori standardizzati che possono essere utilizzati nelle trasmissioni idrauliche è molto ampia. Un’altra caratteristica fondamentale dei sistemi a trasmissione idrostatica è la possibilità di moltiplicare la forza o la coppia in modo semplice e - di nuovo - in maniera indipendente dalla distanza fra ingresso e uscita, senza la necessità di un collegamento meccanico (ingranaggi, cinghie, pulegge).
Questa moltiplicazione si può realizzare in vari modi; come esempio si può pensare ai cilindri idraulici, in cui basta modificare l’area del pistone (a pari pressione) per ottenere una forza maggiore.
Tipologie di Circuiti Idraulici
Nel caso dei circuiti aperti si utilizzano pompe che forniscono una portata continua di fluido, anche pompe economiche, a cilindrata costante; la gamma dei componenti accessori si limita a valvole di sfogo (per evitare sovraccarichi di pressione) e valvole di controllo (per permettere il deflusso del fluido verso il serbatoio). Per permettere il funzionamento del motore in entrambi i sensi di rotazione, è necessario invertire il flusso del fluido.
I circuiti chiusi invece permettono il funzionamento anche in modalità reversibile, ovvero con il motore che assorbe potenza (frenando l’utilizzatore). Per evitare la cavitazione, tutte le condotte vengono alimentate da una pompa ausiliaria, che fornisce una portata di poco superiore a quella di trafilamento. Una valvola di massima pressione scarica la portata in eccesso.
Potenza Idraulica e Rendimento
La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q p). Si introducono quindi diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione.
Per una pompa, il rendimento volumetrico esprime la portata perduta (Qeff = ηq Qteorica). Il rendimento meccanico invece (ηp) viene espresso in funzione della perdita di pressione (peff = ηp pteorica). Per un motore le relazioni vengono invertite, in quanto il motore deve elaborare più fluido (e quindi portata) per ottenere la potenza teorica.
Oltre alle perdite nelle pompe e nei motori, vanno considerate le perdite all’interno dei circuiti con trasmissioni idrostatiche. Queste sono generalmente di due tipi: localizzate o distribuite. Le seconde sono relative alla resistenza dovuta al flusso di fluido all’interno delle tubazioni.
Fluidi Idraulici
Come già spiegato, il fluido idraulico è il mezzo che permette la trasmissione idrostatica della potenza nel circuito. Sono solitamente olii di origine petrolifera, con aggiunta di vari additivi. I campi di temperature ammesse sono, per funzionamento continuo, 130°C per olii di origine petrolifera, 200°C per esteri siliconici e 260°C per esteri.
Viscosità dell'Olio Idraulico
Su Wikipedia troviamo che la viscosità è una grandezza fisica che misura la resistenza di un fluido allo scorrimento. La viscosità è legata all’attrito tra le molecole del fluido: tale attrito varia al variare della temperatura e della pressione a cui è sottoposto il lubrificante. Pertanto all’aumentare della temperatura abbiamo come conseguenza la diminuzione della viscosità.
Ad esempio, un olio idraulico ISO VG 46 dopo circa 30 minuti di utilizzo in un impianto idraulico vedrà diminuire la propria viscosità fino a ISO VG 32. A seguito di questo fenomeno si avrà una conseguente diminuzione dell’efficienza del circuito idraulico e una maggiore usura dei componenti (pompa, servo valvole, ecc.). Questo principio è valido in generale per tutti i lubrificanti e tutte le gradazioni di viscosità.
Capiamo perciò perché è importante utilizzare lubrificanti che limitino questo fenomeno. A parità di viscosità si consiglia quindi di utilizzare oli ad Alto Indice di Viscosità. Attenzione! Una miglior capacità di resistere a questa riduzione di viscosità causata dalla temperatura la possiamo riscontrare in due tipologie di lubrificanti differenti: olio totalmente sintetico e olio minerale ad alto indice di viscosità.
Pompe Idrauliche
Le pompe idrauliche forniscono fluido ai componenti nel sistema. Solitamente ricevono potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi, o accoppiamenti flessibili. Economiche, a durata elevata, dal funzionamento semplice. Sono meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa, e sono solitamente utilizzate per pressioni sotto ai 20 MPa.
Il funzionamento è molto semplice: un motore fa ruotare una delle due ruote dentate, che trascina l’altra. Il fluido viene trascinato nei vani che si realizzano fra i fianchi dei denti e la superficie cilindrica del corpo pompa. In questo modo si genera una portata volumetrica, mentre una piccola parte di fluido defluisce all’indietro (abbassando quindi l’efficienza). Sono pompe molto diffuse, soprattutto per le applicazioni a funzionamento continuativo.
Vengono progettate in genere con un meccanismo a spostamento variabile, per modificare il flusso in uscita e controllare la pressione del sistema. In genere è presente un corpo cilindrico rotante con cilindri scavati. I pistoni sono collegati mediante cerniere e pattini al piatto inclinato (che è fisso rispetto al carter); i pistoni sono trascinati dal corpo rotante.
Un’altra modalità costruttiva è quella a corpo inclinato. Nelle pompe a pistoni assiali il numero cilindri è in genere 5 o 7, comunque dispari (per evitare punti morti). Nelle pompe a cilindrata variabile, la portata può variare per effetto di due regolazioni. Come già visto è possibile regolare la cilindrata della pompa modificando la corsa dei pistoni, ma è anche possibile modificare la velocità di rotazione del motore, e di conseguenza della pompa.
Motori Idraulici
In un sistema a trasmissione idrostatica assorbono la potenza idraulica generata dalla pompa.
Esempio di Predimensionamento di un Circuito Idraulico
Ipotizziamo di voler effettuare un predimensionamento di un circuito idraulico semplice, costituito da due motori che assorbono 80 Nm a 60 giri/min (500 W circa). Da catalogo si ricava il diagramma di funzionamento del motore scelto. La cilindrata richiesta Vr è pari a V = Q 1000 / n. Ipotizzando di fornire potenza alla pompa tramite un motore operante a 1000 giri/min, si ricava una cilindrata di 8.2 cm3, il 45% della cilindrata massima.
Una volta scelti i componenti principali non resta che scegliere i tubi. La scelta è facilitata dai cataloghi dei produttori, che forniscono abachi per il calcolo del diametro dei tubi in funzione della pressione.
Motore DB 605
Il motore aeronautico DB 605 fu sviluppato dalla Daimler-Benz verso la fine del 1940 quale sostituto del precedente modello DB 601, mantenendone però la stessa impostazione costruttiva con 12 cilindri a V invertita. Le principali modifiche introdotte riguardano l’alesaggio dei cilindri aumentato da 150 a 154 mm, il regime di rotazione massimo incrementato del 13%, a fronte di un limitato incremento della massa complessiva, pari a 720 kg.
Il DB 605 garantiva, rispetto al DB 601, un incremento del 25% della potenza in emergenza e del 18% nelle altre condizioni operative. Come nel suo predecessore, i sitemi tecnicamente più interessanti erano quello di iniezione e quello di sovralimentazione. Pur non costituendo una novità assoluta per i motori tedeschi, a fronte di una maggiore complessità costruttiva, il sistema di iniezione diretta prodotto dalla Bosch offriva migliori prestazioni con maggiore affidabilità e sicurezza di funzionamento, evitando i pericolosi ritorni di fiammanel colletore di aspirazione e rendendo l’erogazione della potenza indipendente dall’assetto del velivolo.
Nei motori alimentati con carburatori le forze di inerzia o particolari assetti del velivolo possono causare una riduzione dell’afflusso di combustibile e quindi un calo di potenza. Il sistema di sovralimentazione è costituito da un compressore monostadio centrifugo azionato dal motore tramite un giunto idraulico.
Il sistema era governato da un regolatore automatico che variava in modo continuo la velocità del compressore, agendo sul rapporto di trasmissione del giunto idraulico in funzione della quota. La velocità del compressore cresceva con la quota di volo e raggiungeva il massimo regime a 5700 metri. Il motore utilizzava una benzina con numero di ottano 90 e alcune versioni più avanzate montavano il sistema di iniezione supplementare “MW 50”.
Questo permetteva di incrementare la potenza prodotta dal motore di circa il 20%, ma per un periodo di tempo brevissimo, mediante l’iniezione supplementare di una miscela composta al 50% da acqua, 49,5% metanolo e 0,5% schutzöl 39 (additivo anticorrosivo). Tra i pochi problemi riscontrati dal DB 605 va ricordata la necessità di una costante e frequente manutenzione, dovuta però più a fattori esterni che a difetti di progettazione del propulsore.
Verso la fine del conflitto, la mancanza di materiali strategici per le leghe metalliche ad elevata resistenza, diede luogo ad un decadimento della qualità della produzione dei motori, cui seguirono varie difficoltà operative causate dalla scarsa disponibilità di combustibili di qualità elevata. Tuttavia, dal punto di vista tecnico, il DB 605 è stato uno dei migliori motori aeronautici tedeschi degli anni ‘40.
Il motore è stato prodotto dalla Daimler-Benz dal 1941 al 1945, in varie serie con caratteristiche e prestazioni differenti, con un totale di 42400 esemplari, ed è stato utilizzato in numerosi velivoli, tra cui il Messerschmitt Me 109.
Il DB 605 in Italia
Come per il precedente DB 601, anche il DB 605 è stato costruito su licenza in Italia. La produzione del DB 605 fu affidata alla FIAT, che avviò la preparazione della produzione alla fine del 1941. Dopo i primi esemplari del 1942, fu avviata la produzione in massa nel 1943. Gli esemplari del 1942 mantennero la denominazione originale DB 605, mentre quelli prodotti dal 1943 furono designati FIAT RA 1050 RC 58I Tifone. In totale la FIAT ha prodotto circa 1750 esemplari, desitinati ai caccia della “Serie 5”, FIAT G. 55, Macchi M.C. 205 e Reggiane RE.
Caratteristiche Tecniche del DB 605 A
- Costruttore: Daimler-Benz AG, Stuttgart-Untertürkheim, Germania, dal 1941 al 1945
- Tipo: DB 605 A
- Descrizione: motore aeronautico con 12 cilindri a V di 60° invertita, basamento in lega leggera con 7 supporti di banco, cilindri in acciaio avvitati nelle teste in lega leggera, stantuffi in lega leggera
- Corsa: 160 mm
- Alesaggio: 154 mm
- Cilindrata: 35700 cm³
- Rapporto di compressione: 7.3 bancata destra, 7.5 bancata sinistra
- Potenza: 1475 CV al decollo ed in emergenza a 2800 giri/min sul livello del mare 1800 CV con sistema MW50 inserito (versione 605 AM)
- Consumo specifico: 215 g/CV/h
- Potenza specifica: 41.3 CV/litro
- Sistema di distribuzione: 4 valvole in testa per cilindro, comandate da un albero a camme in testa in ogni bancata, azionato da ingranaggi
- Sistema di alimentazione: a benzina, con iniezione meccanica diretta Bosch
- Sistema di sovralimentazione: compressore centrifugo a comando meccanico con sistema automatico di regolazione (tramite giunto idraulico a variazione continua del rapporto di trasmissione del compressore in funzione della pressione), velocità max.
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