Cosa sono i giunti idraulici e come funzionano nei sistemi di potenza fluida?

Introduzione

Immagina di provare ad avviare un enome nastro trasportatore industriale o l’elica di una nave sbattendo insieme una frizione meccanica. La scossa improvvisa probabilmente farebbe scattare le marce, danneggerebbe il motore e creerebbe un'esperienza spiacevole per chiunque si trovi nelle vicinanze. È qui che i giunti idraulici, noi anche come giunti idraulici, forniscono una soluzione elegante. Invece del rigido contatto metallo-metallo, questi dispositivi intelligenti utilizzano nient'altro che liquido per trasmettere la potenza in modo fluido ed efficiente da un albero rotante all'altro.

Giunti idraulici sono utilizzati da oltre un secolo, originati dal lavoro dell'ingegnere tedesco Hermann Föttinger, che ne brevettò il concetto nel 1905. Oggi si trovano ovunque, dalla trasmissione automatica delle auto agli enormi macchinari industriali, ai sistemi di propulsione marina e persino alle locomotive diesel. Ma nonostante il loro utilizzo diffuso, molte persone non comprendono appieno cosa siano o come funzionino.

Cos'è un giunto idraulico?

Definizione e concetto fondamentale

A accoppiamento idraulico -chiamato anche a accoppiamento fluido or accoppiamento idrodinamico —è un dispositivo che trasmette potenza meccanica rotante da un albero all'altro utilizzando un liquido, tipicamente olio, come mezzo di trasmissione. A differenza di una frizione meccanica che utilizza dischi di attrito o di un cambio che utilizza denti ad incastro, un accoppiamento idraulico ha nessun collegamento meccanico diretto tra gli alberi di ingresso e di uscita. Invece, la potenza fluisce attraverso l'energia cinetica del fluido.

Il termine “accoppiamento idraulico” può in realtà riferirsi a due categorie distinte di dispositivi e comprendere questa distinzione è importante. Secondo la Britannica, esistono due tipi principali di sistemi di trasmissione di potenza idraulica:

Questo articolo si concentra su giunti idrocinetici , che vengono utilizzati per la trasmissione di potenza rotante. I sistemi idrostatici (pompe e motori idraulici) sono una tecnologia completamente diversa, nonostante siano anche chiamati “idraulici”.

I tre componenti principali

Un semplice giunto idraulico è costituito da tre componenti primari, più il fluido idraulico che riempie la camera di lavoro:

L'alloggiamento (guscio) – Questo è l'involucro esterno che contiene il fluido e le due turbine. Deve avere guarnizioni a tenuta d'olio attorno agli alberi di trasmissione per evitare perdite. L'alloggiamento funge anche da collegamento fisico tra l'albero di ingresso e la girante della pompa.

La pompa (girante) – Questo componente simile a un ventilatore è collegato direttamente all'albero d'ingresso, che proviene dal motore primo (un motore elettrico, un motore a combustione interna o una turbina a vapore). Quando il motore primo ruota, la pompa ruota con esso esattamente alla stessa velocità. La pompa contiene pale radiali, in genere da 20 a 40, che spingono e dirigono il fluido.

La Turbina (Corridore) – Questo secondo componente a forma di ventola è rivolto verso la pompa ed è collegato all'albero di uscita, che aziona il carico (come un trasportatore, una pompa o una trasmissione del veicolo). La turbina non è collegata meccanicamente alla pompa; tocca solo il fluido che la pompa gli lancia.

Distinzione dai convertitori di coppia

Vale la pena notare che c'è un accoppiamento idraulico not è la stessa cosa di un convertitore di coppia, anche se spesso i due vengono confusi. Un giunto idraulico di base trasmette la coppia senza moltiplicarla: la coppia in uscita è uguale alla coppia in ingresso (meno piccole perdite). Un convertitore di coppia, al contrario, include un componente aggiuntivo chiamato a statore che reindirizza il flusso del fluido per moltiplicare effettivamente la coppia alle basse velocità. Nelle applicazioni automobilistiche, i convertitori di coppia hanno ampiamente sostituito i semplici giunti idraulici a partire dalla fine degli anni '40 perché forniscono migliori prestazioni a bassa velocità. Tuttavia, i giunti idraulici rimangono ampiamente utilizzati in ambienti industriali dove non è richiesta la moltiplicazione della coppia.

Come funziona un giunto idraulico?

Il principio di Föttinger

Ogni moderno accoppiamento idraulico funziona con il cosiddetto Principio di Fottinger , dal nome dell'ingegnere tedesco che per primo brevettò il concetto nel 1905 . Il principio è ingannevolmente semplice: una pompa accelera il fluido verso l'esterno e il fluido in movimento colpisce poi una turbina, facendola ruotare. Il fluido ritorna quindi alla pompa per ripetere il ciclo.

Immaginatelo come se fossero due ventilatori uno di fronte all'altro all'interno di una custodia sigillata piena d'olio. Se accendi una ventola (la pompa), le sue pale spingono l'olio. L'olio in movimento colpisce poi le pale della seconda ventola (la turbina), facendola girare. La seconda ventola non è collegata alla prima da alcun collegamento solido, ma solo dal fluido in movimento. Questa è l'essenza della trasmissione di potenza idrodinamica.

Passo dopo passo: il ciclo di trasmissione della potenza

Esaminiamo esattamente cosa succede all'interno di un giunto idraulico durante il normale funzionamento.

Passaggio 1: il motore primo fa girare la pompa

Il motore o il motore elettrico fa ruotare l'albero di ingresso, che è collegato alla girante della pompa. Mentre la pompa gira, le sue pale radiali catturano il fluido idraulico (solitamente olio) all'interno dell'alloggiamento del giunto. Le pale sono angolate in modo da lanciare il fluido verso l'esterno e tangenzialmente, proprio come una pompa centrifuga.

Passaggio 2: il fluido acquisisce energia cinetica

La pompa impartisce al fluido sia il movimento lineare verso l'esterno che il movimento rotatorio. Quando il fluido si sposta dal centro della pompa verso il bordo esterno, acquisisce una notevole energia cinetica. Più velocemente gira la pompa, maggiore è l'energia assorbita dal fluido. Il rapporto è proporzionale al quadrato della velocità in ingresso: la coppia trasmessa aumenta con il quadrato della velocità in ingresso, mentre la potenza trasmessa aumenta con il cubo della velocità in ingresso.

Passaggio 3: il fluido colpisce le pale della turbina

Il fluido energizzato viene diretto dalla forma della pompa verso la turbina (runner). Poiché la pompa e la turbina sono una di fronte all'altra con un piccolo spazio tra loro, il fluido attraversa questo spazio e colpisce le pale della turbina. La forza di questo impatto trasferisce il momento angolare dal fluido alla turbina, facendola ruotare nel stessa direzione come la pompa.

Passaggio 4: il fluido ritorna alla pompa

Dopo aver ceduto gran parte della sua energia alla turbina, il fluido ritorna verso il centro del giunto e rientra nella pompa. Questo crea un continuo schema di flusso toroidale —il fluido circola lungo un percorso a forma di ciambella (un toro) all'interno del giunto . Finché la pompa continua a ruotare, il fluido continua a circolare e a trasmettere la coppia.

Passaggio 5: la coppia viene erogata al carico

La turbina è collegata all'albero di uscita, che aziona il carico. Mentre la turbina gira, fa girare l'albero di uscita, fornendo potenza meccanica a qualunque macchina sia collegata, sia che si tratti di un nastro trasportatore, di una girante di pompa, di una trasmissione di veicolo o di un'elica di nave.

Il percorso del flusso del fluido (circolazione toroidale)

Il moto del fluido all'interno di un giunto idraulico segue un affascinante percorso toroidale (a forma di ciambella). Ci sono due componenti in questo movimento:

• Flusso circolare – Il fluido gira attorno all'asse di rotazione, seguendo la circonferenza del giunto.
• Flusso meridionale – Il fluido si sposta dalla pompa alla turbina e viceversa, creando un circuito di riciclo.

Quando gli alberi di ingresso e di uscita ruotano alla stessa velocità, non c'è flusso netto da una turbina all'altra: il fluido gira semplicemente sul posto. Ma quando c'è a differenza di velocità tra la pompa e la turbina (che esiste sempre sotto carico), il fluido scorre vigorosamente dalla pompa alla turbina trasmettendo la coppia.

Principali caratteristiche operative

Scivolare: l'inevitabile differenza di velocità

Una delle caratteristiche più importanti di qualsiasi giunto idraulico è scivolare . Lo scorrimento è la differenza nella velocità di rotazione tra l'albero di ingresso (pompa) e l'albero di uscita (turbina), espressa in percentuale.

Un giunto idraulico non può sviluppare una coppia in uscita quando le velocità angolari in ingresso e in uscita sono identiche . Ciò significa che sotto carico la turbina deve sempre ruotare leggermente più lentamente della pompa. In un giunto idraulico adeguatamente progettato in condizioni di carico normali, la velocità dell'albero condotto è di circa 3% in meno rispetto alla velocità dell'albero motore. Per i giunti più piccoli, lo scorrimento può variare dall'1,5% (unità di potenza grandi) al 6% (unità di potenza piccole).

Perché lo scivolamento è importante? Perché lo scivolamento rappresenta l'energia perduta. La potenza che non viene trasmessa all'albero di uscita viene dissipata sotto forma di calore all'interno del fluido a causa dell'attrito interno e della turbolenza. Questo è il motivo per cui i giunti idraulici non sono efficienti al 100%: l'efficienza tipica varia dal 95% al ​​98%. L'energia persa riscalda il fluido idraulico, motivo per cui molti giunti idraulici richiedono sistemi di raffreddamento o sono progettati per dissipare il calore in modo efficace.

Velocità di stallo

Un'altra caratteristica critica è la velocità di stallo . Questa è definita come la velocità massima alla quale la pompa può girare quando la turbina di uscita è bloccata (non può muoversi) e viene applicata la coppia di ingresso completa. In condizioni di stallo, tutta la potenza del motore a quella velocità viene convertita in calore all’interno del giunto idraulico. Il funzionamento prolungato in stallo può danneggiare il giunto, le guarnizioni e il fluido.

La velocità di stallo è particolarmente rilevante nelle applicazioni automobilistiche. Quando si è fermi a un semaforo con il cambio automatico innestato, il convertitore di coppia (che si è evoluto dal giunto idraulico) è in una condizione di stallo parziale. Il motore è al minimo e il giunto idraulico dissipa una piccola quantità di potenza sotto forma di calore.

Controllo della paletta per velocità variabile

Una delle caratteristiche più preziose dei giunti idraulici industriali è la capacità di variare la velocità di uscita senza modificare la velocità di ingresso. Ciò si ottiene utilizzando a controllo della paletta sistema.

Una paletta è un tubo non rotante che entra nel raccordo rotante attraverso un mozzo centrale. Muovendo questa paletta, ruotandola o estendendola, l'operatore può rimuovere il fluido dalla camera di lavoro e restituirlo a un serbatoio esterno. Meno fluido nel giunto significa minore trasmissione di coppia e, quindi, minore velocità dell'albero di uscita. Quando è necessaria una maggiore velocità, il fluido viene pompato nuovamente nel giunto.

Ciò consente controllo continuo della velocità variabile di macchine di grandi dimensioni come pompe di alimentazione di caldaie, ventilatori e trasportatori. Il motore elettrico può funzionare a una velocità costante ed efficiente mentre la velocità di uscita viene regolata in modo fluido secondo necessità.

Tipi di giunti idraulici

Giunti a riempimento costante

Il tipo più elementare di accoppiamento idraulico è il riempimento costante accoppiamento. Come suggerisce il nome, questi raccordi contengono un volume fisso di fluido che rimane sempre nella camera di lavoro. Sono semplici, affidabili e richiedono una manutenzione minima.

Gli accoppiamenti a riempimento costante forniscono:

• Accelerazione fluida e senza shock
• Protezione da sovraccarico (se il carico si inceppa, il giunto scivola invece di mandare in stallo il motore)
• Smorzamento delle vibrazioni torsionali

Questi si trovano comunemente in applicazioni industriali come trasportatori, frantoi, ventilatori e pompe. La serie Transfluid K è un esempio di giunto a riempimento costante, disponibile sia per applicazioni elettriche che diesel.

Giunti con riempimento ritardato

A accoppiamento di riempimento ritardato (noto anche come accoppiamento a circuito a gradini) aggiunge un serbatoio che trattiene parte del fluido quando l'albero di uscita è fermo o ruota lentamente. Ciò riduce la resistenza sull'albero di ingresso durante l'avvio, con due vantaggi:

• Minore consumo di carburante quando il motore è al minimo
• “Creep” ridotto nelle applicazioni automobilistiche (la tendenza di un veicolo ad avanzare con la marcia innestata e il motore al minimo)

Una volta che l'albero di uscita inizia a ruotare, la forza centrifuga spinge il fluido fuori dal serbatoio e lo riporta nella camera di lavoro principale, ripristinando la piena capacità di trasmissione della potenza.

Giunti a riempimento variabile (controllati dal cucchiaio).

Come descritto sopra, i raccordi a riempimento variabile utilizzano un tubo a cucchiaio per controllare la quantità di fluido nella camera di lavoro mentre il raccordo è in funzione. Ciò consente un controllo continuo e continuo della velocità dell'attrezzatura azionata. Vengono utilizzati in applicazioni che richiedono velocità di uscita variabile, come ad esempio:

• Azionamenti di pompe di alimentazione di caldaie in centrali elettriche
• Grandi azionamenti di ventilatori e ventilatori
• Sistemi di propulsione marina
• Azionamenti per compressori centrifughi

Applicazioni dei giunti idraulici

Macchinari industriali

I giunti idraulici sono ampiamente utilizzati in applicazioni industriali che coinvolgono potenza rotazionale, in particolare dove sono presenti avviamenti ad alta inerzia o carichi ciclici costanti. Esempi comuni includono:

• Trasportatori – L'avviamento regolare previene danni al nastro e fuoriuscite di materiale
• Frantoi e trituratori – Protegge il motore in caso di inceppamento del frantoio su materiale infrangibile
• Pompe centrifughe – Consente l'avvio del motore senza carico, quindi porta gradualmente la pompa a regime
• Ventilatori e soffiatori – Fornisce il controllo della velocità variabile per il risparmio energetico
• Miscelatori e spappolatori – Assorbe i carichi d'urto provenienti da materiali irregolari

Propulsione marina

Navi e imbarcazioni utilizzano accoppiamenti idraulici tra il motore diesel e l'albero dell'elica. Il giunto idraulico offre numerosi vantaggi in questo ambiente esigente:

• Permette al motore di avviarsi e girare al minimo senza girare l'elica
• Smorza le vibrazioni torsionali del motore
• Fornisce un innesto fluido e senza urti quando viene applicata l'alimentazione
• Protegge la trasmissione se l'elica colpisce i detriti

Trasporto ferroviario

Le locomotive diesel e le unità multiple diesel (DMU) utilizzano spesso giunti idraulici come parte dei loro sistemi di trasmissione di potenza. Produttori come Voith producono turbotrasmissioni che combinano giunti idraulici e convertitori di coppia per applicazioni ferroviarie. La società Self-Changing Gears realizzava trasmissioni semiautomatiche per la British Rail che utilizzavano giunti idraulici.

Automobilistico (storico)

Nelle applicazioni automobilistiche, la pompa è generalmente collegata al volano del motore (l'alloggiamento del giunto può anche far parte del volano stesso) e la turbina è collegata all'albero di ingresso della trasmissione. Il comportamento di un giunto idraulico ricorda molto quello di una frizione meccanica che aziona una trasmissione manuale: all'aumentare della velocità del motore, la coppia viene trasferita in modo fluido alla trasmissione.

L'applicazione automobilistica più famosa è stata la Volano fluido Daimler , utilizzato insieme ad un cambio preselettore Wilson. Daimler li utilizzò in tutta la sua gamma di auto di lusso fino a passare al cambio automatico con la Majestic del 1958. La General Motors ha utilizzato anche un giunto idraulico nel Idramatico trasmissione, introdotta nel 1939 come la prima trasmissione completamente automatica in un'automobile prodotta in serie.

Oggi, il convertitore di coppia idrodinamico ha ampiamente sostituito il semplice giunto idraulico nelle autovetture perché i convertitori di coppia forniscono la moltiplicazione della coppia a basse velocità, migliorando l'accelerazione da fermo.

Aviazione

I giunti idraulici hanno trovato impiego anche nell'aviazione. L'esempio più importante è stato nel Motore alternativo Wright turbocompound , utilizzato su aerei come il Lockheed Constellation e il Douglas DC-7 . Tre turbine di recupero di potenza hanno estratto circa il 20% dell’energia (circa 500 cavalli) dai gas di scarico del motore. Utilizzando tre giunti idraulici e ingranaggi, la potenza della turbina ad alta velocità e bassa coppia è stata convertita in uscita a bassa velocità e coppia elevata per azionare l'elica.

Vantaggi e limitazioni

Vantaggi dei giunti idraulici

Limitazioni e considerazioni

Scivolone intrinseco – Un giunto idraulico non può raggiungere il 100% di efficienza perché è necessario lo scorrimento per la trasmissione della coppia. Una parte dell'energia viene sempre persa sotto forma di calore.

Generazione di calore – In condizioni di stallo o di slittamento pesante, viene generato un calore significativo. I giunti di grandi dimensioni possono richiedere un raffreddamento esterno.

Efficienza inferiore rispetto ai giunti rigidi – A causa delle perdite fluidodinamiche interne, le trasmissioni idrodinamiche tendono ad avere un’efficienza di trasmissione inferiore rispetto alle trasmissioni ad accoppiamento rigido come le trasmissioni a cinghia o i cambi.

Manutenzione dei fluidi – Il fluido idraulico si degrada nel tempo e deve essere sostituito periodicamente. La viscosità del fluido influisce sulle prestazioni e il fluido sbagliato può causare surriscaldamento.

Non adatto per una sincronizzazione precisa della velocità – Se gli alberi di ingresso e di uscita devono ruotare esattamente alla stessa velocità, non è possibile utilizzare un giunto idraulico poiché lo scorrimento è inerente al suo funzionamento.

Domande frequenti (FAQ)

Q1: Qual è la differenza tra un giunto idraulico e un convertitore di coppia?

Un accoppiamento idraulico di base trasmette la coppia senza moltiplicazione: la coppia in uscita è uguale alla coppia in ingresso (meno le perdite). Un convertitore di coppia include un componente aggiuntivo chiamato statore che reindirizza il flusso del fluido, consentendo la trasmissione della coppia in uscita moltiplicato a basse velocità. Ciò rende i convertitori di coppia migliori per le applicazioni automobilistiche in cui è necessaria un'elevata coppia di avviamento.

Q2: Un giunto idraulico può raggiungere un'efficienza del 100%?

No. Un giunto idraulico non può sviluppare una coppia di uscita quando le velocità di ingresso e di uscita sono identiche, quindi è sempre necessario un certo slittamento. In condizioni di funzionamento normale, l'efficienza è generalmente del 95–98%.

Q3: Che tipo di fluido viene utilizzato in un giunto idraulico?

La maggior parte dei giunti idraulici utilizza fluidi a bassa viscosità come oli motore multigrado o fluidi per trasmissioni automatiche (ATF). Aumentando la densità del fluido aumenta la coppia che può essere trasmessa ad una data velocità di ingresso. Per le applicazioni in cui le prestazioni devono rimanere stabili nonostante le variazioni di temperatura, è preferibile un fluido con un indice di viscosità elevato. Alcuni raccordi sono disponibili anche per il funzionamento ad acqua.

Q4: Come si controlla la velocità di un giunto idraulico?

In un raccordo a riempimento variabile (controllato dalla paletta), un tubo a paletta non rotante rimuove il fluido dalla camera di lavoro mentre il raccordo è in funzione. Meno fluido significa minore trasmissione di coppia e minore velocità di uscita. Controllando la posizione della paletta, la velocità di uscita può essere regolata in modo continuo da zero fino quasi alla velocità di ingresso.

Q5: Cosa succede se un giunto idraulico funziona a secco?

Se un giunto idraulico funziona senza fluido sufficiente, non sarà in grado di trasmettere la coppia richiesta. Ancora più critico, il volume limitato del fluido si surriscalda rapidamente, causando spesso danni alle guarnizioni, ai cuscinetti e all'alloggiamento.

Q6: I giunti idraulici sono ancora utilizzati nelle auto moderne?

I semplici giunti idraulici sono stati in gran parte sostituiti dai convertitori di coppia nelle autovetture. Tuttavia, alcune moderne trasmissioni automatiche utilizzano ancora i principi dell'accoppiamento fluido e il termine "accoppiamento fluido" è talvolta usato in modo intercambiabile con "convertitore di coppia" in conversazioni informali.

Q7: Perché il mio giunto idraulico si surriscalda?

La generazione di calore è normale perché l'energia persa durante lo scivolamento viene dissipata sotto forma di calore. Tuttavia, un calore eccessivo indica uno slittamento eccessivo, che potrebbe essere causato da sovraccarico, basso livello del fluido, tipo di fluido errato o sistema di raffreddamento malfunzionante.

Q8: Quanto dura un attacco idraulico?

Poiché non vi è alcun contatto meccanico tra la pompa e la turbina, i giunti idraulici sono estremamente durevoli. I principali componenti soggetti ad usura sono le guarnizioni e i cuscinetti. Con una corretta manutenzione e cambi di fluido, i giunti idraulici industriali possono durare decenni.