Applicazione della trasmissione idrostatica chiusa a doppio cingolo nei trasportatori cingolati

In Cina cresce il numero dei mezzi cingolati da trasporto dotati di trasmissione idrostatica chiusa a doppio cingolo, soprattutto tra bulldozer cingolati, trattori cingolati e trasportatori cingolati. Questa soluzione offre diversi vantaggi: isola il motore dagli urti trasmessi dal terreno; consente velocità di marcia più elevate; permette la variazione continua della velocità, adattandosi alle diverse esigenze operative; assicura partenze progressive anche in condizioni di lavoro particolari; elimina i complessi organi meccanici di trasmissione, riducendo il peso complessivo della macchina. Inoltre, i componenti idraulici sono altamente intercambiabili e facilitano la modifica della macchina base. I vantaggi della trasmissione idrostatica a circuito chiuso sono ancora più evidenti sui mezzi cingolati di grandi dimensioni e ad alta potenza. Sebbene il sistema idraulico richieda pressioni e portate elevate, rispetto a un impianto idraulico aperto di pari potenza, i componenti e gli accessori idraulici e il serbatoio occupano meno spazio, agevolando l'installazione sulla macchina. Di seguito presentiamo alcune considerazioni basate su anni di esperienza nella progettazione di trasmissioni idrostatiche, come riferimento per i colleghi del settore.

1. Configurazione del sistema

In condizioni normali, la trasmissione idrostatica chiusa a doppio cingolo è composta da una pompa a cilindrata variabile, a comando idraulico o elettronico, e da un motore a cilindrata fissa. Per soddisfare diverse esigenze di velocità operativa e forza di trazione, talvolta è necessario un motore a cilindrata variabile a più rapporti. La figura 1 mostra la configurazione di base di una trasmissione idrostatica chiusa a doppio cingolo, composta da comandi pilota, pompe, motori, riduttori e altri componenti.

2. Abbinamento tra comando pilota e pompa a cilindrata variabile

In fase di progettazione è fondamentale scegliere correttamente la curva di controllo cilindrata-pressione (tensione) della pompa e la curva di regolazione della pressione del circuito pilota o di quella elettrica. Per i veicoli a trazione idraulica integrale a doppio cingolo, è preferibile che la zona morta della curva di controllo della pressione della pompa di trazione sia leggermente ampia: ciò riduce le attivazioni involontarie della pompa dovute a vibrazioni anomale della leva pilota e migliora la marcia rettilinea della macchina. È inoltre preferibile una pendenza maggiore, che riduce la sensibilità dello sterzo e limita la cilindrata della pompa durante la sterzata, contenendone la velocità. In questo modo diminuisce anche la resistenza inerziale da superare durante la sterzata, riducendo il rischio di arresto del motore. In genere si utilizzano due tipi di curve di regolazione della pressione della leva pilota. Nella progettazione dell'abbinamento, il punto di pressione (tensione) iniziale della curva della leva, una volta superata la zona morta, deve essere inferiore alla pressione (tensione) massima corrispondente alla cilindrata della pompa nella zona morta (punto f). Ciò favorisce partenze progressive e consente l'avvio da fermo. La pressione di alimentazione pilota (tensione di alimentazione) deve superare quella corrispondente alla cilindrata massima della pompa, così da permettere la variazione continua della cilindrata nell'intero intervallo. In genere, nei sistemi a comando idraulico, la pressione di alimentazione deve superare di circa 5 × 10⁵ Pa quella corrispondente alla cilindrata massima: ciò riduce l'instabilità della velocità causata dalle vibrazioni della leva durante la marcia ad alta velocità. È preferibile che la corsa della leva dedicata alla variazione continua della cilindrata sia ampia. Come illustrato nella figura 2, rispetto alla curva di controllo II, la curva III amplia la corsa della leva associata alla variazione continua della cilindrata della pompa (tratto nj > tratto mi), pur restando limitata dalla corsa operativa della leva. La pendenza del tratto proporzionale dovrebbe essere quanto più ridotta possibile. A parità di corsa operativa Δs, la variazione di cilindrata della pompa è maggiore con la curva II che con la curva III (Δq2 < Δq3); per il conducente, la curva II risulta quindi troppo sensibile, mentre la curva III offre una risposta più progressiva e un controllo più confortevole. Inoltre, con la curva III, la pressione (tensione) massima del tratto proporzionale (punto c) dovrebbe avvicinarsi al punto di pressione (tensione) massima di controllo sulla curva cilindrata-pressione (tensione) della pompa (punto h). Per migliorare lo sterzo e la manovrabilità della macchina, riducendo la resistenza eccessiva durante le sterzate strette e il conseguente elevato assorbimento di potenza, che può arrestare il motore, è possibile limitare in una certa misura la cilindrata della pompa. Di norma, durante la sterzata si limita la pressione di alimentazione (tensione) della leva di comando pilota, mantenendola al di sotto del valore di controllo corrispondente alla cilindrata massima della pompa. Il limite può essere definito in base ai parametri complessivi della macchina, assicurando che il motore non si arresti.

3. Determinazione della pressione di sistema

Nei veicoli a doppio cingolo con trasmissione idrostatica a circuito chiuso, in condizioni normali la pressione necessaria per superare la resistenza in sterzata è la più elevata e può essere utilizzata come pressione di taratura del sistema. Tuttavia, per determinarla è necessario considerare non solo la resistenza in sterzata, ma anche le prestazioni raggiungibili dai componenti e dagli accessori idraulici disponibili, le condizioni operative e i costi della macchina.

4. Scelta del motore

L'impiego di motori a due velocità è necessario per soddisfare i requisiti di velocità del veicolo e di trazione massima, oltre che per migliorare l'efficienza del sistema idraulico. Occorre inoltre scegliere tra motori ad alta velocità e motori a bassa velocità e coppia elevata in base all'applicazione. I motori ad alta velocità sono compatti e possono essere integrati nel riduttore; la soluzione migliore è alloggiarli all'interno del cingolo, migliorando così le prestazioni di marcia della macchina. I motori a bassa velocità e coppia elevata sono invece più ingombranti. Per migliorare la capacità della macchina di affrontare il terreno, il motore va posizionato più in alto rispetto al centro della ruota motrice, lontano dal suolo.

5. Scelta della pompa idraulica

La velocità di calcolo della pompa idraulica dovrebbe essere quanto più elevata possibile, idealmente vicina al regime nominale, affinché il circuito composto da pompa e motore mantenga un'elevata efficienza di trasmissione anche quando il motore funziona al minimo. Per determinare la cilindrata massima della pompa, in genere è opportuno fare riferimento alla prima marcia del motore a due velocità, quella con cilindrata minore. Ciò consente di ridurre la potenza richiesta e migliora l'efficienza di trasmissione del sistema.

6. Nella scelta degli accessori idraulici per i sistemi a circuito chiuso occorre prestare particolare attenzione ai seguenti aspetti: 1) Il tubo di aspirazione deve essere il più corto possibile e avere un diametro interno ampio, per ridurre il rischio di ingresso d'aria. Sulla linea di aspirazione è sufficiente montare un filtro a maglia grossa. Se lo spazio lo consente, è preferibile utilizzare un serbatoio idraulico sopraelevato, con il livello dell'olio più alto rispetto alla bocca di aspirazione della pompa, per migliorarne l'aspirazione. Prestare particolare attenzione alla tenuta del tubo di aspirazione: eventuali perdite possono causare oscillazioni del veicolo, difficoltà nel mantenere la traiettoria rettilinea e danni alla pompa e al motore. 2) Il diametro interno delle linee di drenaggio della pompa e del motore deve essere il più ampio possibile, e va previsto un serbatoio separato per il drenaggio diretto. Non installare filtri dell'olio sulla linea di drenaggio: ridurre al minimo la contropressione evita il danneggiamento delle tenute degli alberi di pompa e motore. In caso contrario, l'olio può fuoriuscire nel sistema idraulico e nei componenti di trasmissione collegati, provocando perdite e contaminazione del fluido e, nei casi più gravi, guasti al sistema.