Motore a spostamento costante

Un motore a cilindrata fissa è un motore idraulico con una cilindrata fissa e non variabile. Esso converte l’energia idraulica in energia meccanica di rotazione, mantenendo costante la cilindrata per giro. La velocità di rotazione e la coppia sono determinate esclusivamente dalla portata volumetrica in ingresso e dalla pressione del sistema, non da una regolazione interna.

Nozioni di base e funzionamento del motore a cilindrata costante

I motori a cilindrata costante appartengono alla famiglia delle macchine a spostamento positivo e sono tra i motori idraulici più utilizzati nell’industria. La loro caratteristica distintiva è la cilindrata fissa: ogni giro dell’albero del motore sposta esattamente la stessa quantità di fluido idraulico. Questa proprietà rende il motore a cilindrata fissa prevedibile e robusto, ma allo stesso tempo ne limita la flessibilità in presenza di carichi variabili.

Il funzionamento si basa sul principio della trasmissione della forza di pressione. Il fluido idraulico ad alta pressione fluisce attraverso l’attacco di mandata nelle camere di spostamento del motore. Lì la pressione agisce su elementi mobili quali pistoni, ingranaggi o pale, generando un movimento rotatorio dell’albero di uscita. Il fluido utilizzato esce dal motore attraverso l’attacco di ritorno e rientra nel circuito idraulico. Poiché la cilindrata è fissa, la velocità di rotazione aumenta in modo proporzionale alla portata volumetrica immessa, mentre la coppia dipende in modo determinante dalla pressione applicata.

Comportamento di velocità e coppia

La cilindrata fissa determina una relazione diretta tra portata e velocità di rotazione: se vengono alimentati più litri al minuto, il motore gira più velocemente. La coppia, a sua volta, aumenta con la pressione. I progettisti sfruttano questo comportamento prevedibile per dimensionare gli azionamenti in condizioni operative che rimangono costanti durante il funzionamento continuo o presentano solo lievi fluttuazioni. Tuttavia, nelle applicazioni con profili di carico molto variabili, il motore a portata costante raggiunge i propri limiti, poiché non è in grado di aumentare la coppia tramite un adattamento interno.

Tipi di motori a coppia costante

I motori a coppia costante vengono prodotti in diverse tipologie, che si differenziano per densità di potenza, gamma di velocità, rendimento e campo di applicazione. La scelta della tipologia dipende dai requisiti specifici relativi a coppia, velocità, spazio di installazione e pressione di esercizio.

Motori a ingranaggi

I motori a ingranaggi rappresentano la tipologia più semplice ed economica. Due ingranaggi che si ingranano tra loro vengono messi in rotazione dalla pressione del fluido idraulico. Un ingranaggio aziona l’altro tramite la dentatura. I motori a ingranaggi si contraddistinguono per la struttura compatta, il peso ridotto e l’elevata robustezza. Sono adatti a velocità medie e pressioni di esercizio fino a circa 250 bar. Il loro rendimento è compreso tra l’80 e l’85 per cento. Gli svantaggi sono il livello di rumorosità relativamente elevato e la coppia di avviamento limitata.

Motori a celle a palette

I motori a palette utilizzano un rotore con palette disposte assialmente o radialmente, che scorrono in scanalature e vengono premute contro la parete dell’alloggiamento dalla forza centrifuga. Il fluido idraulico sposta il volume tra le pale, generando così il movimento rotatorio. I motori a palette funzionano in modo molto regolare e silenzioso, sono reversibili e offrono un buon comportamento all’avviamento. Vengono utilizzati a pressioni medie fino a circa 210 bar e si distinguono per la loro struttura compatta.

Motori a pistoni assiali a cilindrata costante

I motori a pistoni assiali con volume di aspirazione fisso sono tra i motori a portata costante più potenti. I pistoni sono disposti assialmente rispetto all’albero motore e spingono contro un disco inclinato o un albero inclinato. L’angolo di inclinazione fisso definisce la corsa del pistone e quindi il volume di aspirazione costante.

Motori a volume costante ad asse obliquo

I motori a volume costante ad asse inclinato sono una variante molto diffusa. L’albero motore è inclinato di un angolo fisso rispetto al blocco cilindri, determinando così la corsa del pistone. Questo tipo di costruzione raggiunge pressioni di esercizio di 400 bar e oltre, offre rendimenti elevati superiori al 90% e si contraddistingue per un eccellente comportamento all’avviamento e al funzionamento a bassa velocità. Produttori come Bosch Rexroth o Linde Hydraulics offrono motori a volume costante ad asse obliquo in numerose dimensioni per circuiti aperti e chiusi.

Motori a disco obliquo a cilindrata costante

Nei motori a disco obliquo, i pistoni spingono contro un disco fisso inclinato. Anche in questo caso l’angolo di inclinazione è fisso, per cui il volume di aspirazione non può essere modificato. I motori a disco obliquo sono più compatti dei motori ad asse obliquo e sono adatti ad applicazioni con spazio di installazione limitato.

Motori a pistoni radiali e motori orbitali

I motori a pistoni radiali dispongono i pistoni a forma di stella attorno all’albero motore. Forniscono coppie molto elevate a bassi regimi e vengono utilizzati preferibilmente in applicazioni per carichi pesanti. I motori orbitali, detti anche motori Gerotor, utilizzano un sistema di rotori eccentrici in rotazione e offrono anch’essi coppie elevate con dimensioni compatte. Entrambe le tipologie funzionano come motori a coppia costante e coprono gamme di velocità inferiori a 1000 giri/min.

Motore a coppia costante contro motore a coppia variabile

Il confronto tra motore a coppia costante e motore a coppia variabile è una delle decisioni fondamentali nella progettazione dei sistemi di azionamento idraulici. Entrambe le tipologie hanno la loro ragion d’essere, ma si differenziano sostanzialmente in termini di flessibilità, complessità e costi.

Il motore a velocità costante è ideale quando i requisiti di azionamento sono costanti o la regolazione della velocità avviene tramite la pompa. I motori a velocità variabile dimostrano i propri punti di forza quando è necessario variare la velocità o la coppia durante il funzionamento senza dover regolare la pompa.

Campi di applicazione dei motori a portata costante

I motori a regime costante sono presenti in quasi tutti i settori dell’idraulica industriale e mobile. I loro punti di forza si manifestano in particolare laddove prevalgono condizioni operative costanti o la regolazione della velocità viene effettuata tramite una pompa a portata variabile.

Idraulica mobile

Nelle macchine edili come escavatori, pale gommate e gru, i motori a regime costante vengono impiegati come motori di traslazione, azionamenti di rotazione e azionamenti per verricelli. Anche nell’agricoltura e nella silvicoltura azionano falciatrici, nastri trasportatori e argani. Nel settore navale e offshore vengono impiegate varianti protette dalla corrosione e certificate secondo le norme DNV.

Idraulica industriale

Le applicazioni fisse comprendono impianti di trasporto, miscelatori, presse, impianti di sollevamento e macchine utensili. Laddove un azionamento deve funzionare in modo continuo alla stessa velocità e con la stessa coppia, il motore a coppia costante rappresenta spesso la soluzione più economica. I motori a portata costante a pistoni assiali si trovano anche nelle presse a iniezione e negli impianti eolici.

Criteri di selezione per i motori a coppia costante

La scelta del motore a coppia costante corretto richiede un attento adeguamento di diversi parametri all’applicazione specifica.

• Requisiti di coppia: la coppia richiesta all’uscita determina la dimensione minima della cilindrata e la pressione di esercizio necessaria.
• Intervallo di velocità: la velocità minima e massima definiscono quale tipo di motore è adatto. Per velocità molto basse con coppia elevata sono indicati i motori a pistoni radiali o orbitali, mentre per velocità più elevate sono indicati i motori a pistoni assiali.
• Pressione di esercizio: la classe di pressione nominale del motore deve corrispondere alla pressione del sistema. I motori a pistoni assiali a portata costante coprono pressioni fino a 400 bar e oltre, mentre i motori a ingranaggi operano in un intervallo fino a 250 bar.
• Tipo di circuito: i motori a portata costante sono disponibili per circuiti aperti e chiusi. La scelta influisce sulla configurazione dei collegamenti e sul drenaggio dell’alloggiamento.
• Condizioni di installazione: le quote delle flange secondo ISO, SAE o DIN, le forme degli alberi e le dimensioni dei collegamenti devono essere compatibili con la struttura della macchina.
• Condizioni ambientali: temperatura, umidità, esposizione alla corrosione ed eventuali requisiti di certificazione (CE, DNV, ATEX) limitano la scelta.

Manutenzione e riparazione

Grazie alla loro struttura semplice, i motori a velocità costante richiedono meno manutenzione rispetto ai motori a velocità variabile. Tuttavia, necessitano di un’attenzione regolare per evitare guasti e massimizzare la durata.

Qualità dell’olio e filtraggio

La purezza del fluido idraulico influisce in modo determinante sulla durata di un motore a velocità costante. Secondo la norma ISO 4406, la classe di purezza dell’olio dovrebbe essere almeno 18/16/13. Le impurità causano una maggiore usura di pistoni, piste dei cilindri, ingranaggi e dischi di comando. È quindi indispensabile controllare regolarmente i filtri e sostituirli tempestivamente. La viscosità dell’olio deve rientrare nell’intervallo ISO VG da 32 a 68, dove VG 46 rappresenta lo standard più comune.

Segni tipici di usura

Tra i segni di usura più comuni figurano la formazione di rigature sulle superfici di scorrimento, il pitting sugli ingranaggi, l’infragilimento delle guarnizioni e un aumento del gioco dei cuscinetti. Un aumento della portata di perdita o una diminuzione della coppia a parità di pressione sono indicatori pratici di usura. Il controllo regolare della pressione, della temperatura e del rumore consente di individuare tempestivamente eventuali danni.

Norme e standard

Ai motori a portata costante si applicano diverse norme e standard che regolano la sicurezza, la compatibilità e la qualità. La norma DIN ISO 4413 definisce i requisiti generali di sicurezza per gli impianti idraulici e riguarda quindi anche l’installazione e il funzionamento dei motori a portata costante. La purezza dell’olio è classificata secondo la norma ISO 4406, mentre le dimensioni delle flange e gli standard di collegamento si basano sulle norme ISO, SAE e DIN. La marcatura CE è obbligatoria per il mercato europeo; per le applicazioni marine si aggiungono ulteriori certificazioni come quella DNV. Il rispetto di queste norme garantisce che i motori a cilindrata fissa possano funzionare in modo affidabile e sicuro all’interno di sistemi idraulici completi.