Gli attuatori idraulici (chiamati anche dispositivi di uscita idraulici) convertono l'energia idraulica nuovamente in energia meccanica. È qui che avviene tutto il movimento visibile e il lavoro — la prima cosa a cui deve pensare qualsiasi ingegnere progettista. Gli attuatori idraulici si suddividono in due categorie fondamentali: lineari (cilindri) e rotativi (motori).

Cilindro idraulico

Un cilindro idraulico converte l'energia idraulica in moto meccanico rettilineo o lineare. Collegato a un carico mobile, compie lavoro.

Costruzione del cilindro

Come introdotto nei capitoli precedenti, un cilindro idraulico è costituito principalmente da un corpo cilindrico, due tappi chiusi alle estremità, un pistone, una biella del pistone e porti di ingresso e uscita. Ogni estremità presenta un porto: uno per l’olio in entrata, l’altro per l’olio in uscita.

figura 6-1: Cilindro idraulico standard a doppio effetto. L’olio entra dal porto sinistro, provocando l’estensione della biella; l’olio che entra dal porto destro ne determina la retrazione.

Forza di uscita del cilindro

Durante tutta la corsa del cilindro, l'energia idraulica agisce sul pistone in movimento. La pressione generata da tale energia idraulica non supererà la resistenza opposta dal carico. Per un cilindro di dimensioni note, dobbiamo conoscere la pressione di lavoro necessaria per produrre una forza in uscita specifica. Questo valore può essere determinato (trascurando l'attrito) mediante la seguente formula:

Applicando questa formula, o l'area e la pressione sono fornite per calcolare la forza in uscita, oppure l'area e la forza in uscita sono note per determinare la pressione. Nella pratica, conosciamo solitamente il diametro del cilindro e dobbiamo calcolare l'area del pistone; tuttavia, calcolare l'area di un cerchio è altrettanto semplice quanto calcolare l'area di un quadrato.

Area del cerchio

L'area di un cerchio equivale approssimativamente al 78,54% dell'area di un quadrato il cui lato corrisponde al diametro del cerchio. In modo più preciso:

Un'altra formula comunemente utilizzata:

Figura 6-2 Area del cerchio = D² × 0,7854. Questa semplice formula viene utilizzata costantemente nei calcoli relativi ai cilindri idraulici.

Corsa del cilindro

La distanza su cui agisce l’energia idraulica determina la quantità di lavoro svolto: tale distanza corrisponde alla corsa del cilindro. Come osservato in precedenza, l’impiego della pressione idraulica per amplificare una forza sembra non comportare alcun costo. In alcune situazioni specifiche — quando il sistema è in condizione statica — una forza modesta può generare una forza molto elevata senza alcun sacrificio apparente. Tuttavia, se questa forza amplificata provoca anche un movimento, qualcosa viene sacrificato: la distanza.

Volume del cilindro (cilindrata)

Ogni cilindro idraulico ha un volume (cilindrata) pari alla sua corsa (in pollici) moltiplicata per l’area del pistone (in pollici quadrati), ottenendo così un volume espresso in pollici cubi (cm³).

(pollici³) = (pollici²) × (pollici) oppure (cm³) = (cm²) × (cm)

Esempio: il pistone superiore deve muoversi di 2 pollici (5,08 cm) affinché il pistone del cilindro inferiore si muova di 1 pollice (2,54 cm). Entrambi i pistoni compiono lo stesso lavoro. Il pistone superiore sposta 20 pollici cubi (327,8 cm³) di fluido — e il pistone del cilindro inferiore viene spostato da quella stessa quantità di fluido, pari a 20 pollici cubi (327,8 cm³).

Velocità dell’asta del pistone

La velocità dell’asta di un cilindro idraulico dipende dalla rapidità con cui il fluido riempie la camera situata dietro il pistone. Formule per calcolare la velocità dell’asta del pistone:

Motore idraulico

Un motore idraulico è un attuatore che converte l’energia idraulica in energia meccanica rotatoria. Questa energia rotatoria viene trasmessa al carico tramite l’albero di trasmissione.

Costruzione del motore

Tutti i motori idraulici sono essenzialmente costituiti da una carcassa dotata di porti di ingresso e uscita, e da un insieme rotante collegato all’albero di trasmissione.

Funzionamento di un motore idraulico

L'esempio mostrato è un motore idraulico a palette. L'insieme rotante è costituito da un rotore e da palette che possono scorrere liberamente dentro e fuori dalle scanalature del rotore. L'insieme rotante è montato in modo eccentrico all'interno della carcassa; l'albero di trasmissione è collegato al carico. Quando l'olio sotto pressione entra nella camera di ingresso, l'energia idraulica agisce sulla superficie esposta delle palette nella camera di ingresso. Poiché l'area della palette superiore esposta all'olio sotto pressione è maggiore, la forza agente sul rotore risulta sbilanciata — il rotore ruota.

Man mano che l'olio raggiunge la camera di uscita, il cui volume diminuisce, viene espulso.

Figura 6-6 Funzionamento del motore a palette. L’olio sotto pressione agisce sulle facce delle palette. Poiché l’area superiore della pala esposta alla pressione è maggiore dell’area inferiore, la forza risultante fa ruotare il rotore.

Coppia

La coppia è una forza rotazionale o di torsione. La coppia è una forza applicata a una certa distanza dall’asse del albero. L’unità di misura della coppia è lb·in (oppure N·m).

Formula della coppia

La coppia indica la posizione della forza rispetto all’asse del albero del motore idraulico. La formula della coppia è:

(lb·in) = (lb) × (in) oppure (N·m) = (N) × (m)

Esempio tratto dalla figura: una forza di 50 libbre (222 N) agisce su una manovella collegata all’albero del motore. La distanza tra il centro dell’albero e il punto di applicazione della forza è di 10 pollici (0,254 m). La coppia risultante sull’albero è di 500 in·lb (56,5 Nm). Se la stessa forza di 50 libbre (222 N) agisce lungo una manovella di 15 pollici (0,38 m), la coppia sull’albero è di 750 in·lb (84,6 Nm). Maggiore è la distanza dal centro dell’albero a cui la forza viene applicata, maggiore è la coppia generata. Si noti che la coppia non implica alcun movimento.

Un carico collegato all’albero di trasmissione del motore genera una coppia come descritto sopra. Per il motore idraulico, questa rappresenta una resistenza — che deve essere superata dalla pressione idraulica agente sull’insieme rotante del motore.

Formula della coppia per il motore idraulico

Velocità dell’albero del motore

La velocità dell’albero di un motore idraulico è determinata dalla rapidità con cui il fluido viene immesso. La formula è:

Potenza

Nei capitoli precedenti abbiamo appreso che la potenza è la velocità con cui viene compiuto un lavoro, ovvero: CV = ft·lb / tempo oppure W = J / tempo.

Potenza meccanica

Sappiamo inoltre che il cavallo vapore (CV) o il watt (W) è l’unità di misura della potenza. Se un cilindro idraulico o un motore idraulico sposta un carico applicando una forza meccanica di 550 lb (2.442 N) e lo fa avanzare di 1 ft (0,30 m) in 1 secondo, ha impiegato una potenza pari a 1 CV (746 W). Se lo stesso lavoro (550 ft·lb / 746 J) viene compiuto in mezzo secondo, la velocità di esecuzione raddoppia e la potenza richiesta diventa 2 CV (1.490 W).

Potenza idraulica

La potenza meccanica trasmessa da un cilindro o da un motore al carico corrisponde alla potenza idraulica richiesta dal cilindro o dal motore. Per un sistema idraulico che compie lavoro a una velocità di 550 ft·lb al secondo (746 J), la sua potenza idraulica è pari a 1 CV (746 W). Tuttavia, nella formula della potenza meccanica le grandezze «ft (m)» e «lb (N)» vengono sostituite dai termini idraulici «psi (bar)» e «gpm (L/min)». Nelle formule per il calcolo della potenza idraulica viene utilizzato un fattore di conversione per esprimere la relazione tra gpm, psi, ft e lb (o L/min, bar, m e N).

Calcolo della potenza del sistema e del cilindro

Per calcolare la potenza di un cilindro idraulico o dell’intero sistema idraulico:

Per calcolare la potenza in uscita di un motore idraulico:

Attuatori oscillanti

Finora abbiamo discusso motori idraulici con uscita rotatoria e cilindri idraulici con uscita lineare. Ora tratteremo un altro tipo di attuatore che produce una rotazione limitata in termini di angolo. Questo tipo è denominato cilindro oscillante o motore oscillante. La sua struttura è compatta, semplice ed efficiente: genera una coppia elevata e richiede solo uno spazio ridotto per l’installazione, con montaggio agevole.

Gli attuatori oscillanti sono utilizzati per l’indicizzazione delle macchine utensili, le operazioni di piegatura, il sollevamento o la rotazione di oggetti pesanti, il ribaltamento, il posizionamento, le apparecchiature di fissaggio per lavorazioni, i comandi nautici, l’azionamento di valvole, ecc.

Tipi di attuatori oscillanti

Esistono molti tipi di cilindri oscillanti. Il più semplice è un meccanismo oscillante azionato da un cilindro idraulico lineare, nel quale l’estremità del corpo del cilindro è fissata mediante un perno, mentre la barra del pistone è collegata a una manovella che aziona un albero rotante. Questo cilindro oscillante può essere controllato tramite una valvola direzionale a quattro vie, con finecorsa posizionati alle due estremità della corsa.

Come tutti i dispositivi meccanici, questo attuatore oscillante basato su cilindro lineare presenta alcune caratteristiche fondamentali, tra cui la possibilità di essere assemblato con componenti standard reperibili sul mercato, offrendo ai progettisti grande flessibilità e mantenendo bassi i costi grazie alla facile disponibilità dei ricambi.

Tuttavia, questo tipo di attuatore oscillante presenta anche aspetti negativi: la barra del pistone è priva di protezione ed entra direttamente in contatto con l’ambiente circostante, soprattutto perché il meccanismo a manovella non è generalmente sigillato, creando potenziali rischi per la sicurezza. Inoltre, l’albero di trasmissione sopporta tipicamente carichi laterali elevati, causando guasti precoci, usura eccessiva e fenomeni di inceppamento.

Per questo specifico tipo di attuatore oscillante, il cilindro idraulico deve poter oscillare liberamente, pertanto deve essere collegato mediante tubazioni flessibili; inoltre, durante tutta la corsa del cilindro, la coppia in uscita non è costante.

Cilindro oscillante chiuso

Il cilindro oscillante chiuso è molto simile al meccanismo oscillante basato su cilindro lineare descritto sopra. Il cilindro chiuso è dotato di una copertura protettiva che racchiude la barra del pistone e la manovella. L'albero di trasmissione dispone generalmente di un supporto aggiuntivo mediante cuscinetti per evitare carichi laterali eccessivi. Questo tipo può essere equipaggiato con valvole solenoidi, finecorsa o interruttori di corsa. L’escursione angolare è normalmente regolabile tra circa 85° e 100°.

Cilindro oscillante a ritorno a molla

Un altro tipo è il cilindro oscillante a ritorno a molla, che utilizza un cilindro idraulico dotato di una molla di richiamo per riportare l’albero di trasmissione nella sua posizione originale. I cilindri oscillanti a ritorno a molla possono erogare coppie fino a 5.000 in·lb (565 Nm).

Cilindro oscillante a cremagliera e pignone

Il cilindro oscillante più comune è di tipo cremagliera-pignone. Questo tipo può mantenere una coppia di uscita costante in entrambe le direzioni durante l’intera rotazione. In questa configurazione, la pressione idraulica agisce sul pistone, spingendo la cremagliera collegata al pistone, che a sua volta fa ruotare il pignone e quindi l’albero. I cilindri standard a cremagliera-pignone hanno corsi di rotazione di 90°, 180°, 360° o anche superiori. La coppia di uscita dei cilindri a cremagliera-pignone può raggiungere 52.000.000 in·lb (5.876.000 Nm).

Motore oscillante a palette

È inoltre disponibile un motore oscillante a palette. Questo tipo può essere a singola o a multiple palette. Un motore a singola pala può ruotare fino a 280°; un motore a doppia pala può ruotare fino a 200°. La coppia di uscita di un motore a doppia pala è il doppio rispetto a quella di un motore a singola pala. Questo tipo di motore oscillante può raggiungere coppie di uscita fino a 500.000 in·lb (Nm).

Motore oscillante ad avvolgimento elicoidale

Esiste un altro tipo di motore oscillante che genera coppia utilizzando un meccanismo a scanalatura elicoidale. Le variazioni della lunghezza e del passo della scanalatura consentono di far variare l’escursione rotatoria su un ampio intervallo. Questo tipo di motore oscillante è dotato di un albero scanalato elicoidalmente con una manica a pistone internamente scanalata montata sull’albero; la rotazione della manica a pistone è vincolata da barre di guida. Quando la manica a pistone si muove all’interno del cilindro, fa ruotare l’albero scanalato. Le escursioni rotatorie standard sono 90°, 180°, 270° e 360°, con coppie in uscita fino a 1.000.000 in·lb (13.000 Nm).

Motore oscillante a catena e ruota dentata

I motori oscillanti a catena e ruota dentata utilizzano pistoni, catene e ruote dentate per azionare l’albero. Questo attuatore è tipicamente dotato di un pistone di grandi dimensioni (come dispositivo di azionamento) per tirare la catena e di un pistone più piccolo per impedire la fuoriuscita dell’olio attraverso il percorso di ritorno della catena. Le coppie in uscita possono raggiungere circa 23.000 in·lb (2.599 Nm), mentre la rotazione dell’albero di trasmissione può arrivare fino a cinque giri completi, ovvero 1.800°.

Per selezionare il cilindro oscillante più adatto a una specifica applicazione, è necessario tenere conto di diversi fattori, tra cui la coppia, la velocità e il metodo di funzionamento. La selezione pratica del motore oscillante verrà descritta in un altro capitolo, dove verranno approfonditi anche altri aspetti, quali la scelta tra versione a semplice o doppio effetto, l’eventuale necessità di un posizionamento in circuito chiuso, la necessità di ammortizzatori, ecc. Verrà inoltre esaminata la frequenza di funzionamento o il periodo di ciclo.

Riepilogo della velocità dell’attuatore

La velocità lineare della stelo del pistone di un cilindro idraulico dipende dalla velocità con cui la pompa immette fluido nella camera del pistone del cilindro (gpm, L/min). La velocità di rotazione dell’albero di uscita di un motore idraulico dipende invece dalla portata (gpm, L/min) immessa nel motore idraulico.

Riepilogo della forza di uscita dell’attuatore

La forza di uscita di un cilindro è espressa in psi (bar); la forza di uscita sull'albero di uscita di un motore è determinata dalla pressione agente sull'area esposta dell'insieme rotante del motore. La potenza prodotta da un attuatore è funzione della velocità dell'attuatore moltiplicata per la forza di uscita dell'attuatore.

Per i cilindri, la forza di uscita è espressa in psi e la velocità della stelo del pistone in gpm. La costante 0,000583 descrive la relazione tra psi, gpm e potenza. Per i motori, la forza di uscita è espressa in coppia e la velocità di funzionamento del motore in giri al minuto (rpm). La costante 63.025 descrive la relazione tra rpm, coppia e potenza.