Volume di spostamento geometrico

Il volume geometrico di spostamento descrive il volume di fluido idraulico che una pompa volumetrica o un motore idraulico teoricamente convoglia o assorbe per ogni giro, in base alle dimensioni costruttive delle camere di spostamento. Si tratta di una grandezza puramente geometrica, espressa in cm³/giro, che caratterizza direttamente le dimensioni di una macchina idraulica.

Nozioni di base sul volume geometrico di spostamento

Il volume geometrico di spostamento è uno dei parametri di progettazione fondamentali nell’idraulica. Determina la quantità di fluido che una pompa sposta per ogni giro del suo albero motore o la quantità che un motore assorbe per ogni giro. Poiché il valore deriva esclusivamente dalle dimensioni costruttive delle camere di spostamento, è indipendente dalle condizioni operative quali pressione, temperatura o velocità. I produttori indicano il volume geometrico di spostamento nelle loro schede tecniche, poiché rappresenta una grandezza standardizzata e misurabile che consente un confronto diretto tra diverse dimensioni costruttive.

Volume geometrico di cilindrata rispetto al volume effettivo di cilindrata

In pratica, il volume geometrico di spostamento non è equiparabile al volume effettivo di corsa. Il volume di corsa descrive il volume effettivamente misurato che viene trasportato per ogni giro in condizioni operative definite. Perdite interne, comprimibilità del fluido e perdite di riempimento fanno sì che il volume effettivo di trasporto si discosti dal valore teorico. Il volume effettivo di mandata è di norma leggermente inferiore al volume geometrico di spostamento, poiché le perdite per dispersione devono essere compensate da una portata maggiore. La relazione tra le due grandezze è data dal rendimento volumetrico.

Il ruolo del rendimento volumetrico

Il rendimento volumetrico descrive il rapporto tra la portata volumetrica effettivamente erogata e la portata volumetrica teoricamente possibile, che risulta dal volume di spostamento geometrico e dalla velocità di rotazione. Indica la percentuale della portata teorica effettivamente fornita dalla macchina idraulica. Le moderne pompe a pistoni assiali raggiungono rendimenti volumetrici superiori al 95%, mentre le pompe a ingranaggi, a seconda del tipo di costruzione e della pressione di esercizio, si collocano in un intervallo compreso tra l’85 e il 95%. Un elevato rendimento volumetrico significa che la pompa funziona vicino al proprio volume di spostamento geometrico e che si verificano solo perdite interne minime.

Volume di spostamento geometrico nei diversi modelli

Ogni tipo di macchina a spostamento positivo genera il proprio volume di spostamento geometrico in modo specifico. Le differenze costruttive si riflettono nei tipici intervalli di valori e nei campi di applicazione.

Pompe a ingranaggi

Nelle pompe a ingranaggi, il volume geometrico di spostamento deriva dalla geometria degli ingranaggi, in particolare dalla larghezza, dal diametro e dal numero dei denti. Ad ogni giro degli ingranaggi, il fluido viene trasportato dal lato di aspirazione al lato di mandata. Le pompe a ingranaggi sono pompe a portata costante, il loro volume geometrico di spostamento è quindi definito in modo fisso e non può essere modificato durante il funzionamento. I valori tipici vanno da circa 1 cm³/giro per le serie di piccole dimensioni fino a 60 cm³/giro e oltre per i modelli più grandi. Grazie alla loro semplicità e robustezza, le pompe a ingranaggi vengono utilizzate in numerose applicazioni industriali e mobili.

Pompe a pistoni assiali

Le pompe a pistoni assiali generano il loro volume di spostamento geometrico attraverso il movimento assiale di più pistoni nei fori dei cilindri. Il numero di pistoni, il diametro dei pistoni e la corsa determinano la dimensione del volume di spostamento. Nelle pompe a regolazione con disco oscillante o disco inclinato, la corsa e quindi il volume di spostamento geometrico possono essere regolati in modo continuo, il che consente una portata variabile a velocità costante. I volumi di spostamento tipici sono compresi tra 10 e 500 cm³/giro. Le pompe a pistoni assiali si trovano in applicazioni che richiedono pressioni elevate e una regolazione precisa, come ad esempio nelle presse a iniezione o nelle presse.

Pompe a pistoni radiali

Le pompe a pistoni radiali dispongono i pistoni a forma di stella attorno a un albero eccentrico. Il volume di spostamento geometrico risulta dal numero di pistoni, dal diametro dei pistoni e dalla corsa dell’eccentrico. Le pompe a pistoni radiali si caratterizzano per pressioni di esercizio molto elevate, che possono superare i 400 bar. Il loro volume di spostamento varia da circa 20 a 1000 cm³/giro. Sono utilizzate preferibilmente in impianti fissi ad alta pressione, ad esempio nelle macchine utensili e nei banchi di prova.

Pompe a palette

Le pompe a palette utilizzano palette rotanti che ruotano in un alloggiamento eccentrico, creando così camere alternativamente più grandi e più piccole. Il volume di spostamento geometrico dipende dalla larghezza del rotore, dalla distanza dell’eccentrico e dal numero di palette. Le pompe a palette funzionano in modo relativamente silenzioso e forniscono una portata costante. Il loro volume di spostamento varia da 1 a circa 50 cm³/giro. Sono adatte per applicazioni con pressioni di esercizio moderate, come ad esempio nella lubrificazione o nei circuiti di raffreddamento.

Pompe a portata costante e pompe a portata variabile

Il volume di spostamento geometrico differisce sostanzialmente tra le pompe costanti e le pompe a portata variabile. Le pompe costanti hanno un volume di spostamento fisso e immutabile. La portata volumetrica può essere regolata solo tramite la velocità di rotazione del motore di azionamento. Le pompe a portata variabile, invece, consentono di regolare il volume di spostamento durante il funzionamento. Nelle pompe a pistoni assiali a portata variabile ciò avviene modificando l’angolo di rotazione del disco inclinato, mentre nelle pompe a pistoni radiali a portata variabile tramite la regolazione dell’eccentricità. La regolazione può essere controllata idraulicamente, elettroidraulicamente o elettronicamente. Le pompe a portata variabile offrono il vantaggio di adattare la portata in base alle esigenze, consentendo così un risparmio energetico, poiché il fluido non convogliato non deve essere scaricato tramite valvole di pressione.

Significato per i motori idraulici

Per i motori idraulici, il volume di spostamento geometrico è considerato come volume di aspirazione. Descrive il volume di fluido che il motore aspira per ogni giro per svolgere lavoro meccanico. A parità di pressione, un volume di aspirazione maggiore genera una coppia più elevata, mentre a parità di portata un volume di aspirazione minore consente una velocità di rotazione più elevata. I motori a cilindrata variabile adattano il loro volume di aspirazione alle condizioni di carico, combinando così coppie elevate in fase di avviamento con velocità più elevate nel range di carico parziale. Questa flessibilità li rende indispensabili in applicazioni quali argani, azionamenti di argani di traslazione e miscelatori.

Influenza sulla progettazione e sull’efficienza del sistema

Il volume geometrico di spostamento è un parametro fondamentale nella progettazione dei sistemi idraulici. Influisce direttamente sulla portata teorica, che risulta dal prodotto del volume di spostamento e della velocità. Allo stesso tempo determina la coppia che una macchina idraulica può fornire o assorbire a una data pressione. I progettisti scelgono quindi il volume di spostamento in modo tale da raggiungere la potenza richiesta a una velocità economica e a una pressione di esercizio ammissibile.

Efficienza energetica e meccanismi di perdita

La differenza tra il volume geometrico di spostamento e la portata effettiva è dovuta a diversi meccanismi di perdita. Le perdite interne tra il lato di mandata e quello di aspirazione, denominate perdite di tenuta, riducono la portata effettiva. Gli effetti di compressibilità del fluido idraulico giocano un ruolo importante, soprattutto a pressioni di esercizio elevate. Inoltre, il riempimento incompleto delle camere di spostamento ad alti regimi può portare a perdite di riempimento. L’accurata progettazione delle dimensioni delle fessure, la scelta di guarnizioni adeguate e il rispetto delle condizioni di esercizio specificate dal produttore riducono al minimo queste perdite e mantengono l’efficienza volumetrica ad un livello elevato.

Normazione e denominazione

La standardizzazione del volume di spostamento geometrico avviene nell’ambito di diverse norme ISO. La norma ISO 3662 regola le procedure di prova per le pompe idrauliche e definisce le condizioni quadro in base alle quali viene rilevato il volume di spostamento mediante misurazione. La norma ISO 4391 stabilisce le definizioni e i simboli grafici per le pompe e i motori idrostatici, compresa la notazione del volume di spostamento geometrico. Nelle schede tecniche e nei cataloghi dei produttori, il volume geometrico di spostamento è solitamente indicato con il simbolo Vg ed espresso in cm³/giro. Questa denominazione uniforme facilita il confronto tra macchine di diversi produttori e modelli.

Aspetti pratici nella scelta

Nella scelta di una pompa idraulica o di un motore idraulico, la decisione relativa a un determinato volume di spostamento geometrico dipende da diversi fattori. La portata richiesta, lo spazio di installazione disponibile, il numero di giri ammesso e la pressione massima di esercizio determinano la dimensione. Nella pratica, i progettisti lavorano spesso con serie che offrono lo stesso formato di alloggiamento con volumi di spostamento diversi. In questo modo, all’interno di una stessa serie, è possibile adattare il volume di cilindrata alla specifica applicazione senza modificare le dimensioni di collegamento o la situazione di montaggio. HK Hydraulik offre un’ampia gamma di pompe e motori con diversi volumi di cilindrata, adatti a molteplici esigenze industriali.

Sintesi

Il volume di spostamento geometrico è un parametro fondamentale dell’idraulica che caratterizza le dimensioni e le prestazioni di una macchina a spostamento. Essendo una grandezza determinata esclusivamente dalla progettazione, costituisce la base per il calcolo della portata volumetrica, della coppia e della potenza. La differenza rispetto alla cilindrata effettiva è descritta dal rendimento volumetrico, che quantifica le perdite interne di una macchina idraulica. La scelta della giusta cilindrata geometrica è determinante per l’efficienza energetica e la funzionalità dell’intero sistema idraulico.