Principio di funzionamento e applicazioni delle pompe a ingranaggi interni

Principio di ingranamento: come funziona una pompa a ingranaggi interni

Una pompa a ingranaggi interni è composta da un ingranaggio motore (ingranaggio a denti esterni, posizionato all’interno) e da un ingranaggio condotto (ingranaggio a denti interni, posizionato all’esterno) i due ingranaggi ruotano nello stesso senso; i rispettivi denti si sigillano l’uno contro l’altro in un punto di contatto, separando così il lato di aspirazione da quello di mandata.

Esistono due principali architetture per le pompe a ingranaggi interni. Il tipo a mezzaluna utilizza una piastra divisoria a forma di mezzaluna posta tra le punte dei denti, per impedire perdite tra le punte dell’ingranaggio motore e di quello condotto. Il tipo senza mezzaluna, invece, fa affidamento sul contatto diretto tra le punte dei denti di entrambi gli ingranaggi in un singolo punto per separare le sezioni di aspirazione e di mandata, con un gioco molto ridotto previsto nella pratica per evitare il bloccaggio .

Il design senza falce offre un importante vantaggio in termini di efficienza: poiché il volume compreso tra i denti della ruota motrice e di quella condotta è maggiore, la pompa può raggiungere uno spostamento teorico più elevato quando la larghezza dei denti, il diametro esterno della ruota motrice e il diametro esterno della ruota condotta sono identici a quelli di una pompa di tipo falce. In alternativa, a parità di spostamento, il diametro esterno della ruota condotta può essere ridotto, diminuendo così la coppia di attrito generata dal taglio dell’olio viscoso sulle parti di scorrimento delle ruote dentate e migliorando l’efficienza meccanica — motivo principale per cui questo tipo di pompa è ampiamente utilizzato nei cambi automatici automobilistici, inclusi i CVT .

Calcolo dello spostamento per principianti

Esistono due approcci fondamentali per calcolare la cilindrata di una pompa a ingranaggi interni. Il metodo geometrico calcola il volume dello spazio racchiuso dai denti dell’ingranaggio motore e di quello condotto. Il metodo della coppia teorica calcola innanzitutto la coppia teorica della pompa, quindi ricava la cilindrata dal principio secondo cui l’energia idraulica fornita all’olio equivale alla potenza necessaria per azionare l’albero della pompa (trascurando le perdite di energia) .

Per i principianti, il calcolo pratico della portata è:

Q = Vd × N

dove Q è la portata volumetrica, Vd è la cilindrata per giro e N è la velocità di rotazione .

Il metodo teorico del volume spostato è storicamente stato difficile da applicare con precisione, poiché richiede l’integrazione del volume compreso tra i denti degli ingranaggi per ogni minima variazione dell’angolo di rotazione — il che implica la disponibilità di disegni degli ingranaggi per ogni posizione angolare. Gli strumenti CAD hanno reso questo approccio più praticabile, ma il calcolo teorico accurato della coppia rimane prezioso perché evita la complessità dell’integrazione volumetrica istante per istante. .

Nella pratica, lo spostamento di una pompa a ingranaggi è correlato al quadrato del modulo dell’ingranaggio. A parità di diametro della circonferenza primitiva, un modulo maggiore produce uno spostamento volumetrico maggiore della pompa. .

Limiti di pressione di aspirazione

Le prestazioni di aspirazione influenzano direttamente la capacità della pompa di funzionare in modo affidabile senza cavitazione. Per le pompe a ingranaggi interni valgono i seguenti limiti:

Limite generale per pompe a ingranaggi: l’altezza reale di aspirazione non deve superare 0,5 m.

Limite specifica per la serie NBL: l’altezza di aspirazione automatica non deve superare i 500 mm, equivalente a una depressione in ingresso di non oltre 0,03 MPa (0,3 bar). Se si utilizza un sistema di alimentazione forzata, la pressione di alimentazione non deve superare 0,5 MPa; in caso contrario, è necessario impiegare una tenuta oleodinamica resistente alla pressione .

Riferimento alla serie Rexroth PGH: pressione minima di aspirazione (a carico nullo) è 0,8 bar; pressione massima di aspirazione (a carico nullo) è 2 bar .

Superare tali limiti comporta il rischio di cavitazione, che provoca precipitazione di gas, vaporizzazione dell’olio, rumore e usura accelerata delle superfici interne .

Diagnostica tipica dei guasti

Aspirazione insufficiente o assente

Le cause comuni includono: rotore interno non in rotazione (verificare il sistema di trasmissione, ingranaggio a vite senza fine, ruota elicoidale o ingranaggio, viti di fissaggio o perni di posizionamento del rotore interno per allentamento); direzione di rotazione non corrispondente a quella del motore primo, con conseguente inversione delle bocche di ingresso ed uscita; ostruzione della tubazione di scarico; filtro di aspirazione intasato; usura eccessiva dei rotori interno ed esterno, che impedisce la formazione della cavità chiusa; estremità della tubazione di aspirazione a contatto con il fondo del serbatoio dell’olio; ingresso d’aria all’ingresso di aspirazione della pompa; livello dell’olio troppo basso .

Ampia fluttuazione di pressione

Ciò deriva spesso da: errore di eccentricità eccessivo o gioco eccessivo tra rotore esterno e corpo pompa (l’errore di eccentricità deve essere entro ±0,02 mm; il gioco tra rotore esterno e corpo pompa deve essere compreso tra 0,04 e 0,06 mm); scarsa precisione del profilo dei denti dei rotori interno ed esterno (comune nei rotori prodotti mediante metallurgia delle polveri); eccentricità radiale ed assiale eccessiva; gioco laterale eccessivo tra i denti (deve essere entro 0,07 mm); oppure presenza di aria nella pompa .

Pressione non crescente

Verificare: ingresso di aria all'aspirazione della pompa; velocità troppo bassa del rotore interno (ispezionare il collegamento di trasmissione di potenza dall'albero principale al rotore interno per allentamento o slittamento); ostruzione parziale del porto di aspirazione; oppure ingranaggio a vite senza fine/ruota dentata o accoppiamento degli ingranaggi non ottimale, che causa una velocità fluttuante del rotore interno .

rumore eccessivo

Le cause includono: livello dell'olio troppo basso, con conseguente ingestione di aria, oppure ostruzione parziale della griglia del filtro, con conseguente aspirazione insufficiente; usura grave dei componenti; oppure spostamento della posizione del punto di accoppiamento nella trasmissione di potenza della pompa .

Perdita esterna di olio

Verificare: viti di fissaggio del corpo pompa o connettori allentati; guarnizioni danneggiate; tenuta non ottimale del raccordo di mandata; oppure deformazione o danneggiamento del corpo pompa o del coperchio .

Note sulla selezione della serie NBL

La serie NBL è una pompa a ingranaggi interni con dentatura dritta e coniugata, progettata per garantire prestazioni affidabili di autoadescamento. Principali considerazioni per la scelta, rivolte ai principianti:

Spostamento e velocità: abbinare lo spostamento della pompa ai requisiti di portata del sistema alla velocità di funzionamento prevista. Le pompe a ingranaggi interni forniscono generalmente una portata regolare con bassa pulsazione, rendendole adatte ad applicazioni che richiedono un’erogazione stabile.

Configurazione di aspirazione: la serie NBL richiede un’altezza di autoadescamento ≤500 mm (vuoto in aspirazione ≤0,03 MPa). Se si utilizza un’alimentazione forzata, la pressione non deve superare 0,5 MPa, a meno che non si passi a una tenuta per olio resistente alla pressione. .

Fissaggio e albero: verificare che il tipo di flangia (standard SAE o ISO) e le caratteristiche dell’albero (con chiavetta o dentato) siano compatibili con il proprio sistema. Interfacce di fissaggio standard SAE e ISO sono disponibili sulle pompe a ingranaggi interni della serie QT e simili. .

Idoneità all’applicazione: le pompe a ingranaggi interni offrono vantaggi in termini di prestazioni ad alta velocità, basso rumore e ridotta pulsazione di portata, ma presentano profili dei denti complessi e costi di produzione più elevati rispetto alle pompe a ingranaggi esterni. sono preferite laddove sia richiesto un funzionamento regolare e silenzioso.

Punti chiave per principianti

Le pompe a ingranaggi interni forniscono un flusso regolare e a bassa pulsazione sigillando i lati di aspirazione e mandata in un punto di contatto tra le punte dei denti dell’ingranaggio motore e di quello condotto. La cilindrata è calcolata con maggiore precisione applicando i principi teorici della coppia, mentre la portata pratica è data dalla formula Q = Vd × N. I limiti di aspirazione sono severi: tipicamente 0,5 m di altezza di autoadescamento e una depressione in ingresso di 0,03 MPa per le pompe della serie NBL. La maggior parte dei guasti sul campo è causata da ingresso d’aria, direzione di rotazione errata, filtri di aspirazione contaminati o usura eccessiva dei giochi nei rotori. Nella scelta di pompe delle serie QT o NBL, verificare cilindrata, pressione nominale, intervallo di velocità, configurazione di aspirazione e interfaccia di fissaggio in base ai requisiti del proprio sistema.