Variatore di velocità

variatori di velocità sono meccanismi che consentono non solo di trasmettere il moto con rapporto di trasmissione costante, ma anche di variare con continuità tale rapporto, agendo dall’esterno su un apposito comando.

Hanno generalmente un limitato campo di variazione. I variatori che includono fra le loro velocità in uscita anche la velocità zero sono detti a campo infinito di variazione di velocità. I variatori continui di velocità sono usualmente classificati in:

  • meccanici, se la variazione di velocità e ottenuta modificando la posizione di un elemento intermedio che serve per accoppiare gli alberi motore e condotto;
  • idraulici, se la variazione di velocità e ottenuta modificando le caratteristiche (pressione e portata) di un fluido che trasmette forze e spostamenti fra i corpi accoppiati agli alberi motore e condotto;
  • elettrici, se la variazione di velocità e ottenuta modificando le caratteristiche (corrente e tensione) di un dispositivo elettrico.

Variatori di velocità meccanici

I componenti di questa categoria sono caratterizzati dalla presenza di un elemento mobile che consente di realizzare la variazione del rapporto di trasmissione. Esso può essere rigido o flessibile.

variatori a elemento intermedio mobile rigido si distinguono solitamente a seconda della forma del movente che può essere piano, conico, sferico.

La trasmissione può essere di tipo ordinario (assi fissi) o planetario (assi rotanti). Come si nota la variazione del rapporto di trasmissione è ottenuta spostando il punto (o la linea) di contatto di un elemento intermedio che collega movente e cedente. La trasmissione, in questi casi, è di forza. Per aumentare la forza tangenziale trasmessa si possono aumentare i punti di contatto.

variatori con elemento mobile flessibile possono essere realizzati mediante cinghie, di solito a V oppure con catene. Spostando la posizione del flessibile varia il rapporto di trasmissione. Per aumentare il campo di variazione si può raddoppiare il numero di pulegge (disponendole in serie).

I variatori con catene che scorrono in apposite scanalature hanno il vantaggio di eliminare gli scorrimenti propri delle trasmissioni di forza.

Lo sviluppo di cinghie con elevate caratteristiche, in particolare nel funzionamento ad alte velocità, ha reso possibili soluzioni a basso costo con ottima affidabilità e semplicità costruttiva. Inoltre, le trasmissioni a catena sono le uniche soluzioni di variatori (meccanici) continui di velocità che garantiscano il rispetto delle relazioni di fase fra ingresso e uscita. I variatori a catena sono quindi importanti sia quando le relazioni di fase sono essenziali, sia per la trasmissione di coppie elevate.

Variatori di velocità idraulici

Il trascinamento idraulico è usato in diverse applicazioni, quali gli innesti idraulici e i moltiplicatori di coppia. Queste applicazioni offrono lo spunto per costruzioni quali i cambi automatici, in cui l’innesto idraulico è parte essenziale del variatore (che quindi potrà essere chiamato idromeccanico).

I variatori idraulici propriamente detti si suddividono in due grandi categorie:

  1. variatori con pompa e motore a cilindrata costante e valvole di controllo sulla portata;
  2. variatori con pompa e/o motore a cilindrata variabile.

Le unità usate, pompe e motori idraulici, sono di tipo volumetrico, rotative a paletta (con eccentricità del rotore registrabile), o alternative a pistoni (con cilindrata frazionata e corsa registrabile dei pistoni). La pompa idraulica è trascinata da un motore elettrico che ruota a velocità praticamente costante.

Variatori della prima categoria sono usati quando il campo di variazione della velocità richiesto è piccolo. La pompa è, per lo più, del tipo a palette e fornisce una portata circa proporzionale alla velocità angolare. La variazione della velocità si ottiene modulando la parte di portata inviata ad alimentare il motore idraulico, mediante valvole.

Per applicazioni che richiedano una più ampia gamma di variazione di velocità (fino a 1 – 2000), si ricorre a variatori della seconda categoria nei quali si possono usare pompe a portata variabile. La variazione è ottenuta grazie a soluzioni costruttive speciali che consentono di modificare la cilindrata e quindi la portata, anche se la velocità angolare del motore elettrico di trascinamento rimane praticamente costante.

Di fatto, per garantire una buona regolazione della pressione e della portata a seconda delle esigenze dell’utenza si inseriscono dispositivi aggiuntivi che garantiscono l’asservimento di velocità richiesto.

Caratteristiche dei variatori di velocità

Le principali caratteristiche funzionali sono:

Potenza trasmissibile

È modesta nel caso dei variatori meccanici, mentre può essere assai elevata con i variatori idraulici ed elettrici.

Momento trasmissibile

Il momento varia con il rapporto di trasmissione. I variatori meccanici sono atti a trasmettere, a seconda dei tipi, momenti costanti al crescere della velocità angolare di uscita (quindi, potenze crescenti), oppure potenze costanti (quindi, momenti decrescenti), oppure momenti decrescenti e potenze crescenti, sempre all’aumentare della velocità angolare in uscita.

Rendimento

Il rendimento dei variatori meccanici oscilla in condizioni operative medie fra 0,75 e 0,95, a seconda dei tipi. Quello dei variatori idraulici più comuni è di solito compreso fra 0,50 e 0,65. Il rendimento dei variatori elettrici oscilla fortemente a seconda dei tipi (in corrente continua, in corrente alternata, eccetera).

Campo di variazione della velocità in uscita. È, in genere, modesto o medio nel caso di variatori meccanici e massimo per quelli idraulici. I variatori elettrici hanno un campo di variazione della velocità in uscita medio, salvo le applicazioni speciali.

Rapporto «momento trasmesso/inerzia del variatore»

È modesto nel caso di variatori meccanici e massimo per quelli idraulici. È medio nel caso di variatori elettrici.

Possibilità di staccare il motore dall’utenza

Tale possibilità esiste, nel caso di variatori idraulici ed elettrici, che possono essere collegati al motore rispettivamente da tubi o da fili, mentre è impossibile nel caso dei variatori meccanici, per i quali il motore deve essere direttamente collegato all’albero d’ingresso.

Inversioni del movimento

Nel caso di variatori meccanici, il verso di rotazione dell’albero condotto è, in generale, unico. Se si vuole ottenere l’inversione del moto, occorre cambiare il verso di rotazione del motore, oppure introdurre una ruota oziosa fra motore e variatore. È facile realizzare l’inversione, invece, nel caso di variatori idraulici ed elettrici.

Costo

I variatori meccanici sono quelli che costano meno. I variatori idraulici possono avere costi competitivi rispetto a quelli elettrici, se sulle macchine sono già stati installati altri comandi idraulici. In ogni caso, però, i variatori elettrici costano meno di quelli idraulici se le potenze da trasmettere sono modeste.

In generale si può dire che i metodi più semplici e meno costosi per variare la velocità angolare sono quelli basati su principi meccanici. Molti variatori meccanici richiedono infatti scarsissima manutenzione. Date le limitazioni cui sono soggetti non possono però essere sempre utilizzati.