Motore a pistoni assiali

Un motore a pistoni assiali è un motore volumetrico utilizzato in idraulica, in cui i pistoni sono disposti parallelamente all’asse di rotazione. Esso converte l’energia idraulica derivante dalla pressione e dalla portata in energia meccanica di rotazione. La disposizione assiale dei pistoni e un piano di appoggio inclinato generano un movimento di corsa che provoca la rotazione dell’albero di uscita. I motori a pistoni assiali si caratterizzano per un’elevata densità di potenza, velocità di rotazione superiori a 10.000 giri/min e pressioni di esercizio fino a 450 bar.

Nozioni di base e funzionamento del motore a pistoni assiali

Il motore a pistoni assiali appartiene alla famiglia delle macchine a pistoni e funziona come macchina volumetrica secondo il principio dello spostamento di volume. L’olio in pressione viene convogliato tramite un disco di comando nei fori dei cilindri di un blocco cilindri rotante. I pistoni poggiano su un piano inclinato, il che trasforma la forza lineare del pistone in una coppia. A seconda della posizione dei pistoni rispetto al canale di pressione o di aspirazione del disco di comando, si genera un azionamento rotativo continuo.

Struttura e componenti principali

Il cuore di un motore a pistoni assiali è costituito dal blocco cilindri, detto anche tamburo cilindrico, con diversi fori assiali in cui scorrono i pistoni. Il numero di pistoni varia solitamente tra sette e undici, con una preferenza per i numeri dispari al fine di ottenere una curva di coppia più uniforme. Altri componenti essenziali sono il disco di comando per la regolazione del flusso d’olio, l’albero di uscita e il piano di appoggio inclinato, realizzato come disco inclinato o tramite un angolo di asse inclinato.

I pistoni trasmettono la forza idraulica al piano inclinato. Poiché la forza non agisce in direzione dell’asse di rotazione, si crea una componente tangenziale che mette in rotazione il blocco cilindri. Il disco di comando assicura che ogni cilindro riceva l’olio in pressione al momento giusto e scarichi l’olio non più in pressione.

Coppia e velocità

La coppia erogata da un motore a pistoni assiali dipende dalla pressione applicata e dalla cilindrata. La cilindrata descrive il volume di fluido idraulico che il motore assorbe per ogni giro. Maggiore è la cilindrata e più alta è la pressione di esercizio, maggiore è la coppia disponibile sull’albero di uscita. La velocità è proporzionale alla portata fornita: una portata maggiore comporta una velocità del motore più elevata. I moderni motori a pistoni assiali raggiungono rendimenti complessivi dal 90 al 95 per cento, il che li rende tra i motori idraulici più efficienti.

Tipi di motori a pistoni assiali

I motori a pistoni assiali si dividono in due tipi principali in base al tipo di trasmissione della forza: il tipo a dischi inclinati e il tipo ad assi inclinati. Entrambi i principi si differenziano per la struttura del piano inclinato e presentano vantaggi e svantaggi specifici.

Tipo a disco inclinato (principio del disco oscillante)

Nel tipo a disco inclinato, il blocco cilindri ruota mentre il disco inclinato rimane fisso nell’alloggiamento. I pistoni poggiano sul disco inclinato tramite pattini di scorrimento. L’angolo di inclinazione del disco inclinato determina la corsa del pistone e quindi la cilindrata. Nei motori regolabili, questo angolo può essere modificato durante il funzionamento, consentendo una regolazione continua della coppia e del numero di giri.

Il tipo a disco inclinato si caratterizza per una struttura compatta e tempi di regolazione brevi. L’angolo di rotazione è limitato per motivi costruttivi a circa 15-20 gradi, il che limita la corsa massima e quindi la cilindrata massima. In compenso, questo tipo di costruzione si distingue per l’ingombro ridotto ed è particolarmente adatto per applicazioni in cui lo spazio di installazione e il peso sono fattori determinanti.

Tipo ad assi obliqui

Nella struttura ad assi obliqui, il blocco cilindri e l’albero di uscita sono disposti ad angolo l’uno rispetto all’altro. I pistoni sono collegati all’albero di uscita tramite bielle. L’angolo dell’asse obliquo determina la corsa del pistone e nei motori a regime costante è solitamente compreso tra 25 e 40 gradi, mentre nei motori variabili può essere regolato in modo continuo.

La struttura ad assi obliqui consente angoli di rotazione maggiori rispetto alla struttura a dischi obliqui, consentendo di ottenere una cilindrata maggiore e coppie più elevate. Inoltre, questa struttura sopporta pressioni di esercizio più elevate, poiché la trasmissione della forza tramite le bielle è più efficiente. Tuttavia, la complessità costruttiva è maggiore, il che si traduce in costi più elevati e in un volume di costruzione leggermente maggiore.

Confronto tra i tipi di costruzione

Motore a pistoni assiali come motore a cilindrata variabile e motore a cilindrata fissa

I motori a pistoni assiali sono disponibili sia come motori a cilindrata fissa che come motori a cilindrata variabile. I motori a cilindrata fissa vengono utilizzati quando i requisiti di azionamento rimangono costanti. Sono di struttura più semplice, più economici e richiedono meno manutenzione.

I motori a cilindrata variabile, invece, consentono di adattare la velocità e la coppia alle mutevoli condizioni di carico durante il funzionamento. A portata costante, una riduzione del volume di aspirazione comporta un aumento della velocità con una coppia inferiore, mentre un aumento del volume aumenta la coppia e riduce la velocità. Questa flessibilità rende i motori a cilindrata variabile particolarmente interessanti per le trasmissioni idrostatiche e le applicazioni con profili di carico molto variabili.

La regolazione può avvenire in modo puramente idraulico tramite pressione di comando o elettroidraulico tramite valvole proporzionali. I sistemi elettroidraulici offrono una risoluzione più fine e possono essere integrati in architetture di controllo digitali, il che sta acquisendo sempre più importanza.

Motore a pistoni assiali rispetto al motore a pistoni radiali

Oltre al motore a pistoni assiali, il motore a pistoni radiali è il secondo tipo importante tra i motori a pistoni nell’idraulica. Entrambi i tipi hanno i loro punti di forza in diversi campi di applicazione.

I motori a pistoni assiali convincono per gli alti regimi, la struttura compatta e gli eccellenti rendimenti. Sono adatti per applicazioni che richiedono movimenti rapidi e una regolazione precisa. I motori a pistoni radiali, invece, forniscono coppie significativamente più elevate a bassi regimi e non necessitano di riduttori aggiuntivi, mentre i motori a pistoni assiali spesso devono essere ridotti. In compenso, i motori a pistoni radiali sono più grandi, più pesanti e di norma non raggiungono i regimi del tipo assiale.

La scelta tra i due tipi dipende dai requisiti dell’applicazione: velocità, efficienza e compattezza favoriscono il motore a pistoni assiali, mentre la coppia elevata a bassi regimi e la robustezza fanno preferire il motore a pistoni radiali.

Campi di applicazione dei motori a pistoni assiali

I motori a pistoni assiali trovano impiego in un’ampia gamma di applicazioni idrauliche. Nel settore mobile dominano le trasmissioni di marcia idrostatiche di escavatori, pale gommate, gru telescopiche e veicoli cingolati. Qui garantiscono velocità di marcia regolabili in modo continuo ed elevate forze di trazione. I motori a pistoni assiali trovano impiego anche nei meccanismi di rotazione di gru ed escavatori.

Nell’uso industriale stazionario, i motori a pistoni assiali azionano presse, presse a iniezione e macchine utensili. Negli impianti eolici vengono utilizzati per la regolazione delle pale del rotore e la rotazione della gondola. Inoltre, funzionano in unità di potenza idrauliche che alimentano più utenze con olio in pressione.

Un altro campo di applicazione è il circuito chiuso, in cui l’olio di ritorno viene reimmesso direttamente nella pompa. Grazie alla loro struttura, i motori a pistoni assiali sono particolarmente adatti a questa modalità di funzionamento, ampiamente diffusa negli azionamenti di traslazione e negli argani.

Manutenzione e riparazione

L’affidabilità e la durata di un motore a pistoni assiali dipendono in modo determinante dalla qualità del fluido idraulico e dal rispetto degli intervalli di manutenzione. L’usura si verifica soprattutto sulle superfici di scorrimento dei pistoni e del disco obliquo, sui cuscinetti dell’albero di uscita e sulle guarnizioni.

Qualità dell’olio e filtraggio

La purezza dell’olio idraulico è un fattore decisivo. Secondo la norma ISO 4406, è necessario rispettare almeno la classe di purezza 20/18/15, che diventa addirittura 19/17/14 in caso di temperature di esercizio elevate. Le particelle presenti nell’olio causano un’usura maggiore delle superfici di scorrimento realizzate con precisione e possono danneggiare il disco di comando. La sostituzione regolare dei filtri e le analisi dell’olio rientrano quindi tra le misure di manutenzione più importanti.

Segni tipici di usura

• Aumento della perdita di pressione interna dovuto all’usura di pistoni e cilindri
• Perdite dagli anelli di tenuta dell’albero e dagli O-ring
• Variazioni di rumore dovute a danni ai cuscinetti
• Calo di prestazioni dovuto all’usura del disco di comando

Il riconoscimento tempestivo di questi sintomi attraverso un controllo regolare della pressione, della temperatura e del comportamento acustico previene costosi danni conseguenti.

Norme e standard

Per i motori a pistoni assiali si applicano diverse norme e standard che regolano la sicurezza, la compatibilità e la valutazione delle prestazioni. La norma DIN ISO 4413 stabilisce i requisiti di sicurezza per gli impianti idraulici. La norma ISO 4406 classifica la contaminazione da particelle nell’olio idraulico, fattore determinante per la durata del motore. La norma DIN 51524 definisce i requisiti per i fluidi idraulici, mentre le norme DIN 9611 e DIN 6885 regolano la realizzazione di alberi e chiavette.

Produttori come Bosch Rexroth, Parker, Liebherr e Hawe offrono motori a pistoni assiali in diverse dimensioni e modelli, conformi a queste norme e progettati per l’impiego in sistemi idraulici complessi.