E’ l’olio che sposta la terra

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I componenti oleoidraulici installati nelle macchine mobili, movimento terra e da costruzione, rappresentano lo stato dell’arte nella trasmissione di potenza. Le crescenti richieste legislative circa le emissioni dei motori e l’efficienza energetica rappresentano le principali sfide dei costruttori.

Le gocce d’acqua riescono dopo lunghi anni a scavare e modellare anche la roccia più tenace, una lezione dalla natura dove gli elementi più duri si sottomettono alla potenza del fluido. E l’uomo non è stato da meno, ha creato macchine dove con la forza dell’olio si trasportano ogni giorno tonnellate di terra, e diversamente non si potrebbe fare in quanto quell’olio, il fluido idraulico che trasferisce potenza nelle macchine movimento terra, è praticamente insostituibile quando le applicazioni diventano veramente gravose.

I sistemi e i componenti oleoidraulici installati nelle macchine mobili, movimento terra, agricole e da costruzione, rappresentano lo stato dell’arte nella trasmissione di potenza. Con l’aumento dei prezzi del carburante e le crescenti richieste legislative circa le emissioni dei motori, il problema dell’efficienza nel trasferimento dell’energia quindi della diminuzione delle perdite si presenta ogni giorno sempre con maggiore importanza.

All electric vehicle, ancora in attesa

L’affermarsi sul mercato di sistemi alternativi come gli azionamenti elettrici ha portato in altri settori, specialmente nell’ oleoidraulica industriale, a una diminuzione nel trend di installazione di componentistica che, nel mondo mobile, non si è ancora verificata.

Se l’evoluzione della tecnologia brushless, specialmente nel suo aspetto relativo ai magneti permanenti, ha consentito di raggiungere simili prestazioni in termini di densità di potenza rispetto alla controparte idraulica, questo avanzamento risulta confinato al lato motore ed è condizionato da elementi al contorno quali l’elevata tensione e la dimensione dei sistemi di generazione e controllo della stessa. Fattori dunque come dimensioni dell’azionamento complessivo e presenza di alte tensioni limitano l’impiego dei servoazionamenti elettrici nel mondo delle macchine mobili complicato tra l’altro dalla necessità di generare l’energia elettrica, attività nella quale i sistemi attuali non eccellono dal punto di vista del volume e del peso.

Dal lato dei sistemi la tendenza verso l’utilizzo di comandi elettronici prosegue ed è confermata nella sua grande utilità perché consente, con l’introduzione di capacità di calcolo aggiuntiva, di ottimizzare le prestazioni e i consumi dei veicoli. Il motore primo, elemento non lineare propriamente detto le cui caratteristiche prestazionali variano secondo il carico a cui è sottoposto, trae profitto dall’introduzione di sistemi di controllo elettronico digitale adattando il rapporto di trasmissione e la sua velocità di rotazione alla velocità e alla potenza richiesta dal veicolo.

Sistemi ibridi

Immagazzinare l’energia persa in frenata convertendola in energia idraulica. E’ questa la sfida di tecnici e ingegneri per poi usarla per incrementare le prestazioni in accelerazione riducendo in pratica il consumo di carburante. Questo concetto, che è alla base delle auto ibride come la Toyota Prius, viene al momento impiegato nelle autovetture commerciali come la Prius e altri modelli e trova applicazione nella Formula 1 con il famoso dispositivo detto Kers.

Questi sistemi sono elettrici, l’accumulo di energia avviene in batterie di accumulatori ed il motore a combustione interna è accoppiato ad un generatore brushless tramite una sorta di differenziale. Questo va bene per i veicoli più leggeri, ma per i veicoli pesanti come le macchine movimento terra che hanno cicli di funzionamento principalmente di stop-and-go, sarebbe molto difficile da applicare; l’alternativa idraulica invece è molto appetibile. Veicoli per movimento terra come pale caricatrici e ruspe sono già dotati di trasmissione idrostatica dove avviene la conversione della potenza meccanica in idraulica e viceversa, accumulando pressione in un accumulatore il gioco è fatto. Questo è esattamente ciò che fa il sistema di Parker denominato RunWise Hybrid Drive serie Advanced (Ashd). Si tratta di una nuova tecnologia impiegata su veicoli terrestri di grandi dimensioni che si debbano muovere con frequenti arresti in grado di recuperare fino al 70% dell’energia persa in frenata.

Una centralina elettronica coordina le funzioni di pompa, motori idraulici e accumulatori, quando utilizzato su veicoli pesanti il sistema passa senza soluzione di continuità a trazione meccanica convenzionale per massimizzare l’efficienza operativa alle alte velocità oltre 64 km/h. Secondo un articolo del 2007 la pressione idraulica nei sistemi delle macchine mobili sarebbe aumentata a 450 bar entro il 2010: tale previsione ha discretamente colto nel segno per quanto concerne l’esercizio dei sistemi di trasmissione della potenza dedicati alla trazione e i sistemi ibridi attuali sono progettati per lavorare a queste pressioni pur effettuando un rigoroso controllo sulla pressione della linea ed ammettendo fasi in cui si lavora con meno carico.

Per completezza si fa notare che l’idraulica dal lato operativo, ad esempio bracci di escavatori, pale caricatrici, sistemi di sollevamento, non ha seguito questo trend che in previsione sembrava generalizzato assestandosi sui 140 bar e in alcuni casi salendo fino alla classe 210 bar, servizi e operazioni ausiliarie restano anch’essi a pressione relativamente bassa.

Intelligenza distribuita

Quando i controlli elettronici arrivarono sui veicoli la prima richiesta fu un bus (CAN) la cui funzione principale era quella di migliorare le prestazioni e la diagnostica del motore. A differenza dei veicoli stradali le macchine fuoristrada hanno molteplici sistemi aggiuntivi che forniscono funzioni come il controllo del sistema di sollevamento (trattori) gestione dei freni, gestione dell’inclinazione, sospensioni attive ed autolivellanti ed altro. I moderni veicoli hanno integrato queste funzioni utilizzando la rete CAN come scambio di dati fra tutti i sottosistemi indipendentemente dalla loro funzione.

Una moderna trattrice agricola per esempio ha le funzioni di motore trasmissione e sollevamento ognuna controllata da una rispettiva centralina elettronica installata in prossimità della funzione stessa, una rete can coordina tutto quanto includendo una centralina di controllo della trazione disposta in cabina che riceve gli input dall’operatore sotto forma di segnale elettrici dalle leve e dai pedali; dopodiché essa invia tramite rete CAN i dati alla centralina di gestione della trasmissione che provvede anche a richiedere maggiore potenza dal motore. Questo esempio pone subito l’accento sul fatto che si sia progressivamente abbandonata la tradizionale visione dell’elettronica on board come sistema unico di controllo che gestisce tutto allo stesso livello, la riduzione della complessità dei cablaggi, la possibilità di fornire soluzioni preassemblate tarate e collaudate e la grande facilità di installazione hanno fatto nascere questo primo concetto di intelligenza distribuita dove i controllori dei vari sottosistemi cooperano l’un con l’altro.

L’evoluzione di questo concetto porta a distribuire l’intelligenza sempre più verso il singolo componente integrando la comunicazione digitale laddove correvano solo segnali in corrente arrivando ad equipaggiare le singole elettrovalvole con un microcontrollore che riceve ordini e comunica stato di funzionamento e condizioni operative tutto in formato numerico senza possibilità di errore. Il controllo elettronico è evoluto ben oltre lo stadio in cui era nei primi giorni del CAN-bus e come intelligenza distribuita continua a muoversi verso le più piccole valvole per continuare la sua lunga marcia nel settore della tecnologia idraulica. Grazie alle pompe a cilindrata variabile e all elettronica integrata sono possibili grandi miglioramenti energetici, si può ridurre la pressione di load sensing e controllare la funzione motore ottimizzando i giri per un miglior consumo. Dal punto di vista della sicurezza si va verso la crescita del livello SIL arrivando a elettrovalvole pilotate di piccole dimensioni e costo che supportano la certificazione SIL 2 dove progettazione e selezione dei componenti soddisfano i requisiti ISO 61508.

Roberto Grassi

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