Pistone Idraulico con Molla di Ritorno: Funzionamento e Applicazioni

La molla idraulica è un componente meccanico progettato per immagazzinare energia tramite la compressione di un gas, tipicamente azoto, all'interno di un cilindro. Questo principio di funzionamento la rende ideale per applicazioni che richiedono una forza di spinta controllata e costante.

Principio di Funzionamento

La molla a gas, nella sua versione più semplice, è composta da un corpo cilindrico (C) e da un’asta in acciaio rettificata (S) denominata stelo, alla cui estremità è ancorato un pistone (P), che compie cicli di compressione ed estensione dal corpo (C) attraverso una guida a tenuta. Il corpo contiene gas azoto in pressione (indicato dalle frecce) e olio (O). Il gas, comprimendosi per l’entrata dello stelo, restituisce una spinta comportandosi come una molla. Poiché la variazione avviene a volume costante, l’espansione o la contrazione fanno aumentare o diminuire la pressione interna.

Rispetto alle tradizionali molle meccaniche (siano esse elicoidali, a tazza, in gomma), le molle a gas hanno una curva di forza quasi piatta anche per corse molto lunghe. Altre componenti interagiscono con questo dato di base e si rilevano soprattutto nella fase “dinamica” della molla. Ci riferiamo in particolare agli attriti prodotti dalle guarnizioni di tenuta e dalle guide di supporto stelo.

Nel grafico è espressa la forza in chiusura F3 e la forza in apertura F1. Si noti come F3 e F1 siano rispettivamente maggiore e minore alla linea media che identifica la forza di spinta statica FM. Questa differenza è l’attrito che viene indicato con FR.

Componenti e Materiali

La superficie dello stelo è importante per la tenuta della pressione del gas, per tale motivo non deve essere intaccato da corpi contundenti od abrasivi o da eventuali sostanze chimiche corrosive. La lunga durata è funzione di una corretta lubrificazione delle guarnizioni di tenuta. La temperatura di esercizio è -30° +80° C.

Acciaio Austenitico AISI-316: È un acciaio inossidabile della famiglia austenitica composto da un basso tenore di carbonio e tenori rilevanti di cromo, nichel e molibdeno. In particolare, questi tre elementi garantiscono un miglioramento della resistenza a corrosione: infatti, nichel e cromo sono elementi centrali negli acciai inossidabili mentre il molibdeno è un’aggiunta particolare di questa tipologia che tende a migliorarne ulteriormente le caratteristiche. Come tutti gli acciai, le caratteristiche meccaniche sono buone e la lavorabilità è discreta, consentendo di ottenere le forme desiderate.
PTFE: Il politetrafluoroetilene è un materiale polimerico comunemente conosciuto come “Teflon”.

Applicazioni Tipiche delle Molle Idrauliche

La molla a gas è concepita e costruita per alleggerire o controbilanciare un peso diversamente oneroso per l’utente o per la struttura in cui viene inserita.

Ecco alcune applicazioni tipiche delle molle idrauliche:

Automotive: Apertura del baule posteriore delle automobili. In queste applicazioni, è consigliabile posizionare la molla a gas con lo stelo rivolto verso il basso quando è nella posizione di tutto chiuso con lo stelo compresso nel cilindro.
Arredamento: Sollevamento di ante e sportelli. In questo caso, si consiglia di fissare il punto S arretrandolo di 30/40 mm.
Industria: Elementi di sostegno durante la lavorazione del pezzo per evitare vibrazioni e flessioni. Gli elementi di sostegno a vite possono essere montati in orizzontale o in verticale.
Sistemi Tendicavo: Per i cavi portanti di una funivia, dove la tensione in una fune dipende dai carichi verticali che deve sopportare e dalle pendenze che essa assume.

Esempi di Applicazione e Montaggio

La molla a gas deve essere applicata allineando l’attacco superiore ed inferiore per non porre sotto stress la guarnizione.

Applicazioni a molla orizzontale, applicazioni nelle quali la molla venga applicata con lo stelo più in alto rispetto al corpo (sconsigliate), applicazioni in cui la molla si ribalta per effetto dei punti di fissaggio.

In alcune applicazioni (per es. apertura baule automobili) il movimento di apertura della molla a gas potrebbe far ruotare la molla sotto sopra tra la posizione di tutto aperto e tutto chiuso (es. pag. 10). Anche in queste applicazioni si deve considerare di posizionare la molla a gas con lo stelo rivolto verso il basso quando è nella posizione di tutto chiuso con lo stelo compresso nel cilindro.

Smorzatori Idraulici

Negli smorzatori idraulici si sfrutta l’effetto frenante dell’olio per rallentare per es. un’anta in caduta. Gli ammortizzatori Titus rallentano il movimento lineare o rotatorio prima di raggiungere una posizione di riposo. Convertendo l'energia cinetica in energia termica, gli ammortizzatori idraulici riducono gli urti e riducono le ampiezze di oscillazione. In un ammortizzatore lineare, l'energia cinetica dell'oggetto in movimento viene trasferita attraverso l'asta di acciaio alla valvola nel cilindro di ammortizzamento. Il fluido idraulico viene spinto attraverso la valvola e il calore viene generato.

L'elevato coefficiente dell'ammortizzatore Titus assicura un ammortizzamento efficiente a qualsiasi velocità di chiusura, anche molto lente. Possiamo facilmente adattare la forza di ammortizzamento alle vostre esigenze.

Accumulatori Idraulici

Il compito principale di un accumulatore idraulico è quello di accumulare liquido sotto pressione per restituirlo in caso di necessità. Nella maggior parte degli impianti oleodinamici vengono quindi impiegati accumulatori a gas muniti di elemento di separazione tra gas e liquido.

Nelle fasi del ciclo di lavoro in cui il fabbisogno di portata del sistema è inferiore alla portata della pompa, questa riempie l'accumulatore. Per gli impianti con fortissimi assorbimenti istantanei o di breve durata oppure con cicli d’esercizio brevi l'unica soluzione economica è rappresentata dagli accumulatori idropneumatici.

In altre applicazioni l’accumulatore idraulico funge da riserva di energia, in caso di mancanza di energia elettrica e, quindi, in assenza di energia idraulica proveniente dalla pompa, in un caso per l’azionamento delle ganasce del freno di emergenza di una funivia, e nell’altro caso per far fuoriuscire il pistone (per es.

Infine è possibile trovare applicazioni in cui l’accumulatore idraulico è utilizzato come riserva di olio, per es.

Valvole di Ritegno

Valvole di ritegno o di non ritorno, sono dispositivi che attraverso un organo di chiusura che può essere un piattello, un clapet, una sfera, bloccano a volte anche aiutati da una molla di richiamo il reflusso di fluidi nelle tubazioni e negli impianti.

Solitamente, le valvole di non ritorno vengono utilizzate in impianti idraulici per evitare che vi siano problemi di flusso in direzione opposta qualora si verifichino malfunzionamenti, spegnimenti o rotture delle pompe.

Ecco alcune tipologie di valvole di ritegno:

valvola di ritegno doppio battente di tipo wafer: realizzata in acciaio CF8M, può essere installata con flusso verticale, orizzontale o inclinato.
valvola di ritegno a clapet di tipo wafer: realizzata in acciaio AISI 316, può essere installata con flusso verticale o orizzontale.
valvole di ritegno a molla: realizzate in acciaio AISI 316, presenta un meccanismo di chiusura dipendente dall’azione di una molla che va ad imporre la chiusura prevendo il flusso di ritorno.

La scelta di una tipologia di valvola rispetto ad un’altra dipende dalle singole applicazioni e dalle decisioni prese in fase di progettazione.

Le valvole di ritegno rappresentano, come visto nei paragrafi precedenti, una variante costitutiva di fondamentale importanza. La loro centralità ed efficienza viene garantita anche mediante l’utilizzo di materiali alto-performanti e che consentano di sfruttare tali componenti in vari impianti ed in condizioni differenti.

Elementi di Sostegno Idraulici

Gli elementi di sostegno vengono utilizzati durante la lavorazione del pezzo per evitare vibrazioni e flessioni sul pezzo. Gli elementi di sostegno a vite possono essere montati in orizzontale o in verticale. Le due opzioni di montaggio consentono un posizionamento salvaspazio nei dispositivi di serraggio.

Caratteristiche tipiche degli elementi di sostegno:

Alloggiamento brunito.
Pressione massima di esercizio: 500 bar.
Carico ammissibile a 500 bar: 9 kN
Pressione minima dell'olio: 100 bar.
Raschiatore metallico integrato.
Applicazione sempre tramite la forza della molla.
Dimensioni di montaggio ridotte.
Possibilità di montaggio in orizzontale o in verticale.
Bloccaggio separato/combinato durante ciclo di serraggio.

Manutenzione e Smaltimento

Nel caso in cui la molla a gas rimanga inutilizzata per molto tempo possono verificarsi fenomeni di incollaggio dei particolari. Prendere la molla a gas da rottamare ed assicurarsi che lo stelo sia tutto fuori quindi, dopo averla fissata in modo sicuro su una morsa di un trapano, procedere a forare il cilindro facendo uso di una punta di diametro compreso tra 1 e 2 mm. Il cilindro va forato ad una distanza di circa 5 mm.

Procedere nella foratura lentamente al fine di evacuare i trucioli e, non appena la parete del cilindro viene forata, il gas contenuto nel cilindro uscirà velocemente.

Cilindri Idraulici a Semplice e Doppio Effetto

I cilindri oleodinamici sono componenti fondamentali in numerosi sistemi industriali, utilizzati per convertire l'energia idraulica in movimento lineare. Tra le varie tipologie, i cilindri a semplice effetto si distinguono per la loro semplicità costruttiva e funzionale e quindi anche più vantaggiosa economicamente rispetto ad uno a doppio effetto. I cilindri a semplice effetto sono progettati per esercitare forza in una sola direzione. Il ritorno alla posizione iniziale è generalmente ottenuto tramite una molla interna o attraverso una forza esterna.

Un primo livello di accesso all’automazione dei bloccaggi può avvenire quindi attraverso cilindri idraulici a semplice effetto: l’olio viene inviato ad un cilindro nel verso del bloccaggio, mentre l’apertura del cilindro viene governata da una molla (i cilindri saranno quindi “normalmente aperti”). Pur essendo un grande passo avanti rispetto ad una soluzione completamente meccanica, i cilindri a semplice effetto possono non essere la soluzione perfetta in caso di automazioni spinte. Infatti la presenza di una molla non garantisce “certezze” in fase di apertura del cilindro (né in chiusura), soprattutto in presenza di un’eventuale contropressione nella mandata idraulica. La contropressione è anche legata alla lunghezza dei tubi idraulici, il che rende poco adatto l’uso di cilindri a semplice effetto con tubazioni particolarmente lunghe (pena l’impossibilità di sbloccare il cilindro).

I bloccaggi a semplice effetto sono comunque ideali per molte tipologie di sistemi di serraggio. I componenti a semplice effetto sono più immediati e meno costosi da installare, perché richiedono meno linee idrauliche e hanno controlli più semplici, poichè necessitano di un minor numero di valvole. Nello specifico, cilindri Roemheld sono progettati molle di ritorno più reattive e affidabili rispetto a quelle di qualsiasi altro produttore, quindi la necessità di dispositivi a doppio effetto non è sempre scontata. Gli utilizzatori che si affacciano per la prima volta al mondo dei bloccaggi idraulici possono solitamente ottenere ottimi risultati usando solo cilindri a semplice effetto.

Ci sono alcune situazioni, tuttavia, in cui i sistemi a doppio effetto sono più adatti o addirittura necessari. La maggior parte dei costruttori di attrezzature considerano sempre i cilindri a doppio effetto come un’opzione nelle circostanze ove un sistema a semplice effetto non darebbe elevate garanzie di sicurezza e consistenza del processo produttivo. Con un po’ di esperienza, costruire sistemi a doppio effetto può essere facile quasi quanto costruire sistemi a semplice effetto. La maggiore affidabilità dell’attrezzatura nelle applicazioni di alta produzione vale senza dubbio il costo aggiuntivo.

I cilindri a doppio effetto sono più adatti per le applicazioni di lavorazione che utilizzano il fluido refrigerante. Infatti i cilindri a semplice effetto hanno una piccola camera d’aria per la molla su un lato del pistone, mentre nei cilindri a doppio effetto l’olio è presente da entrambe le parti del pistone. Quest’aria viene scaricata durante la corsa di bloccaggio, mentre nella corsa di sbloccaggio viene nuovamente aspirata. Per questo motivo l’uso di refrigeranti e fluidi da taglio deve essere considerato nella progettazione dell’attrezzatura, al fine di indirizzare opportunamente la scelta dei cilindri.

Anche se tutti i cilindri a semplice effetto hanno filtri dell’aria in metallo sinterizzato per impedire l’ingresso di contaminanti, c’è ancora la possibilità che fluidi aggressivi possano entrare nell’area della molla (specialmente con il refrigerante in pressione), causando malfunzionamenti.

I cilindri a doppio effetto dovrebbero essere utilizzati nei sistemi che hanno un carico/scarico automatico o qualsiasi altro sistema di comunicazione tra macchina e utensile, in modo che tutte le funzioni possano essere facilmente temporizzate e coordinate. Dato che i cilindri si muovono in base alla pressione data dal fluido, lo stato degli stessi può essere monitorato da pressostati su entrambi i lati (serraggio e di sbloccaggio).

I cilindri a doppio effetto, quando dotati di controlli di posizione elettrici o pneumatici, permettono inoltre di avere maggiori certezze circa la loro posizione: nel caso di carico robotizzato questo diventa fondamentale, in quanto sarebbe disastroso che il robot iniziasse a scaricare un pezzo da un attrezzo ancora chiuso. L’azione dell’olio, rispetto alla molla, è inoltre molto più vigorosa, in quanto praticamente non risente di eventuali contropressioni. Inoltre i cilindri idraulici, grazie ai pressostati, risultano “sempre in presa”, capaci di generare forza fintanto che la pressione viene mantenuta ai livelli definiti dal dimensionamento dell’attrezzo. I cilindri a doppio effetto sono spesso migliori per attrezzature di grandi dimensioni con lunghe linee idrauliche o altre restrizioni di flusso.

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