ES2333487T3

ES2333487T3 - Material para dispositivo de conversion de un movimiento alternativo rectilineo en un movimiento de rotacion.

Info

Publication number: ES2333487T3
Application number: ES07790108T
Authority: ES
Inventors: Andrea Di Foggia; Mariano Migliaccio; Ottavio Pennacchia
Original assignee: LA ME Srl
Current assignee: LA ME Srl
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2010-02-22
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: CA2652922A1; EP2032874B1; WO2007138637A3; ITNA20060070A1; WO2007138637A2; DE602007002497D1; EP2032874A2; US20090192003A1; ATE443219T1

Abstract

Un mecanismo de cigüeñal de movimiento alternativo (2, 3, 4) para su uso en un motor de combustión interna alternativo o en un compresor alternativo, que comprende un engranaje planetario (4), en el que un punto (B) sobre la línea primitiva de un piñón (12) del engranaje planetario (4) se desplaza de acuerdo con el movimiento rectilíneo alternativo durante el funcionamiento, incluyendo así mismo dicho mecanismo de cigüeñal una corona dentada (2) que tiene unos dientes internos, y cuyo círculo primitivo tiene un radio igual a dos veces el radio del círculo primitivo del piñón (12) de dicho engranaje planetario (4) el cual engrana con la corona dentada fija (2); caracterizado porque dicho engranaje planetario (4) está hecho de un material endurecido por sinterización, en el que el engranaje planetario (4), con el fin de simplificar el proceso de producción, se constituye mediante unos componentes (11, 12, 13) obtenidos de forma separada, y posteriormente montados, del material endurecido por sinterización.

Description

Materiales para dispositivo de conversión de un movimiento alternativo rectilíneo en un movimiento de rotación.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo que puede ser utilizado en lugar del mecanismo de cigüeñal clásico, con el fin de convertir un movimiento alternativo rectilíneo en un movimiento rotatorio, o viceversa, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y según se divulga en el documento WO 02/059503 A. En particular, el dispositivo puede ser aplicado a motores de pistón de combustión interna, o a compresores, aunque no está limitado a dichas aplicaciones.

Técnica antecedente

En el mecanismo de cigüeñal clásico (Fig. 1) de un motor de combustión interna surgen diversos inconvenientes. Uno de ellos es que la cantidad de fuerza de fricción, abreviada como "Fia", que se suma a la fuerza debida a la acción de los gases ejercida sobre las juntas de estanqueidad (anillos del pistón o anillos de obturación), y que actúa entre la pared lateral del pistón y la pared del cilindro durante el deslizamiento del pistón, debido a la reacción frente al empuje ejercido por la oblicuidad del vástago del pistón (vástago de conexión). De ello se deriva que en todos los tipos de motores de pistón de movimiento alternativo existe una reducción en la eficiencia mecánica provocada por la disipación de energía producida por esta fuerza adicional, y específicamente en motores de dos tiempos -con el fin de asegurar su funcionamiento adecuado- es, por consiguiente, necesario emplear una cantidad considerable de aceite en la gasolina (hasta un 2%) para asegurar un deslizamiento satisfactorio, aunque su combustión es muy contaminante.

Una desventaja adicional reside en la acción de vuelco ejercida por el vástago del pistón sobre el pistón, y por esta razón este último generalmente tiene una longitud suficiente para limitar esta acción y reducir el riesgo de gripado.

Sin embargo, el aumento de tamaño determina un aumento del peso y, en consecuencia, también unas fuerzas de inercia más altas, las cuales contribuyen a la reducción de la eficiencia. Podrían conseguirse unas reducciones del peso considerables de los componentes del mecanismo, en combinación con una refrigeración más eficiente del cilindro, si fuera posible utilizar un determinado desplazamiento del pistón con unos calibres del cilindro pequeños y carreras amplias. El sistema constituido por un mecanismo de cigüeñal clásico tiene limitaciones en este sentido; de hecho, dado que en dicho sistema el vástago de conexión efectúa un movimiento oscilante así como un movimiento traslativo junto con el pistón, ello impide, por razones de espacio, sobrepasar determinados límites de valor de las carreras.

Una limitación adicional del mecanismo de cigüeña clásico es que la ley del movimiento del pistón no es perfectamente sinusoidal sino que contiene armónicos de orden superior, y esto provoca dificultades de equilibro bien conocidas. Estos armónicos, incluyendo el de orden más bajo, no pueden simplemente ser equilibrados mediante contrapesos; por el contrario, requieren la utilización de unos árboles contrarrotativos. De hecho, un principio de la técnica antecedente que resolvería brillantemente los problemas inherentes al mecanismo de cigüeñal convencional, se muestra en la Fig. 2. Para ilustrar su funcionamiento, se puede imaginar, partiendo del mecanismo de cigüeñal clásico (Fig. 1) dividir el vástago de conexión (vástago del pistón) OB en dos partes idénticas, obteniendo de esta forma dos cigüeñales O\Omega y \OmegaB (Fig. 2). Imponiendo sobre el cigüeñal O\Omega, una rotación sinistrorso "\alpha", y sobre el cigüeñal \OmegaB una rotación idéntica pero opuesta "-\alpha" el punto B necesariamente se desplaza de forma rectilínea a lo largo del eje geométrico del cilindro. De esta forma el ángulo constituido entre el ángulo de conexión y el eje geométrico del cilindro es constantemente igual a cero y, en consecuencia, el componente de las fuerzas "N" normal al eje geométrico, las cuales se deben a la oblicuidad del vástago de conexión, se reduce a cero. Por otro lado, dado que no existe rotación relativa entre el vástago de conexión y el pistón, ya no hay necesidad de proporcionar una conexión articulada en el punto C como en el mecanismo de cigüeñal clásico; en otras palabras, el muñón del pistón puede ser eliminado y el vástago del pistón puede quedar conformado de manera integral con el pistón. Desde el punto de vista de su realización práctica, los movimientos del cigüeñal O\Omega y del cigüeñal auxiliar \OmegaB pueden obtenerse utilizando un par de ruedas dentadas, una de las cuales tenga unos dientes interiores, con un centro O, esté fijada con respecto al bastidor de la máquina concreta objeto de consideración en una aplicación específica, y tiene un diámetro de paso 2r, mientras que la segunda rueda dentada tiene unos dientes externos con un diámetro de paso r, que engrana con la primera rueda dentada, y rota alrededor del eje que pasa a través de \Omega que es solidario con el cigüeñal (Fig. 3). Dos posibles realizaciones prácticas del dibujo esquemático de la Fig. 3 se muestran respectivamente en la Fig. 4 y en la Fig. 5. Este es en realidad un tren de engranajes planetario (Fig. 7) en el cual el engranaje central (el sol 1) está ausente y la rueda dentada 2 está bloqueada (Fig. 7; compárese con la Fig. 6). En este tren de engranajes el cigüeñal O\Omega forma el soporte planetario 3 mientras que la rueda dentada con los dientes externos forma el engranaje planetario o planeta 4. Desde un punto de vista cinemático, el soporte planetario 3 solo rota alrededor de su propio eje, mientras que el engranaje planetario (planeta) 4 se caracteriza por un movimiento compuesto, un movimiento consistente en una rotación alrededor del eje \Omega, y el otro, en un revolución alrededor del eje O junto con el soporte planetario 3.

Considerando dos bastidores de referencia levógiros O_{xyz} y O_{\xi \eta z}, en los cuales el primero es un bastidor absoluto "solidario" con la rueda dentada 2 con unos dientes internos, y el segundo es un bastidor relativo "solidario" con el soporte planetario, siendo su eje común z perpendicular al plano de movimiento, e imponiendo una rotación \alpha_{t} = \alpha_{z} al soporte planetario (y, por consiguiente al bastidor de referencia \Omega_{\xi \eta z}) con respecto al bastidor de referencia O_{xyz}, se sigue que el planeta 4 estando obligado a engranar con una rueda de engranaje (la rueda dentada 2 con dientes internos) con dos veces su radio de paso - rotará en un ángulo \alpha_{r} = -2 \alpha_{z} con respecto al soporte planetario, esto es, con respecto al bastidor de referencia \Omega_{\xi \eta z}, por consiguiente, el ángulo de rotación del planeta 4 con respecto al bastidor de referencia absoluto O_{xyz} será \alpha_{a} = a_{r} + a_{t} = - 2\alpha_{z} + \alpha_{z} = - \alpha_{z}. La Fig. 8 muestra diversas posiciones del mecanismo de cigüeñal durante una variación del ángulo \alpha del cigüeñal, esto es, el ángulo constituido por O\Omega (véase también la Fig. 2). Suponiendo que el punto B esté fijado al (sea "solidario con") el planeta, el recorrido (trayectoria) de este punto durante la rotación del soporte planetario, en el bastidor absoluto, será un segmento rectilíneo. El punto B puede incorporarse, en la práctica, mediante un pasador y un buje, en el que el pistón puede estar conectado al planeta mediante un vástago, fijado al pistón sin una articulación y sobre el otro lado del planeta a través de dicho pasador. Hay varias técnicas conocidas que han llevado a la práctica el sistema cinemático referido con anterioridad; sin embargo ofrecen soluciones técnicas que tienen algunas incoherencias e impiden su correcto funcionamiento, mientras que, en otros casos, dan como resultado una gran complejidad estructural lo que disuade de su empleo. La siguiente lista incluye algunas solicitudes de patente depositadas en base al principio operativo expuesto con anterioridad:

\bullet: Patente No. 2.271,766 depositada el 3 de Febrero de 1942 de H.A. HUEBOTTER

\bullet: Patente No. 875110 depositada el 30 de Abril de 1952 de Harald Schultze, Bochum

\bullet: Patente No. 3,626,786 depositada el 14 de Septiembre de 1972 de Haruo Kinoshita et Alli

\bullet: Patente No. 3 791 227 depositada el 12 de Febrero de 1973 de Myron E. Cherry

\bullet: Patente No. 36 04 254 A1 depositada el 11 de Febrero de 1986 de TRAN, Ton Dat

\bullet: Patente No. DE 44 31 726 A1 depositada el 6 de Septiembre de 1994 de Hans Gerhards

\bullet: Solicitud de Patente No. RM2001A000038 depositada el 26 de Enero de 2001 (WO 02059503) de Di Loggia A.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describirá la presente invención mediante referencia a algunas de sus formas de realización ilustrativas y no limitativas, en las que:

La Figura 1 es un dibujo esquemático de un mecanismo de cigüeñal tradicional sencillo;

la Figura 2 es un dibujo esquemático de un mecanismo de cigüeñal que subyace a la presente invención;

la Figura 3 ilustra el principio de la realización práctica del mecanismo de cigüeñal de acuerdo con la Fig. 2;

las Figuras 4 y 5 son dos posibles diagramas (dibujos esquemáticos) de formas de realización concretas del mecanismo de cigüeñal de la Fig. 3;

la Figura 6 es un tren de engranajes planetario que incluye el sol (rueda dentada central), el planeta (engranaje planetario), la corona dentada, y el soporte planetario;

la Figura 7 sirve para comparar un mecanismo de cigüeñal sobre el cual se basa la presente invención, con el tren de engranajes planetario mostrado en la Fig. 6;

la Figura 8 muestra diversas posiciones del mecanismo de cigüeñal de la Fig. 3, para diversos ángulos (\alpha) del cigüeñal;

la Figura 9 muestra una forma de realización del engranaje planetario (planeta) hecho de acero sinterizado, de acuerdo con la presente invención;

la Figura 10 se refiere a una aplicación del planeta de la Fig. 9 a un compresor de dos cilindros.

Descripción de la invención y de algunas formas de realización

En realidad, ninguna de las invenciones anteriormente mencionadas ha sido aplicada industrialmente no obstante el hecho de que algunas de ellas parecen ser soluciones válidas, lo que se debe a la complejidad de su fabricación, a razones de espacio, y a su nivel de fiabilidad, de acuerdo con los cuales el sistema no es competitivo -en las configuraciones propuestas hasta ahora- en comparación con el mecanismo de cigüeñal convencional. De acuerdo con la presente invención se cree que una solución practicable, para fines industriales, para la fabricación de mecanismos basados en este tipo de mecanismo de cigüeñal (el cual se muestra de forma esquemática de principio en la Fig. 2), para la aplicación tanto de motores como de compresores, es utilizar la tecnología de sinterización para la producción del engranaje planetario. Utilizando esta tecnología resulta posible obtener planetas en una configuración monolítica o, mejor aún, constituidos mediante varios componentes (Fig. 9), y reduciendo de forma ventajoso los costes de producción en virtud de los bajos costes implicados en esta tecnología en comparación con otras, lo que posibilita, evitando un maquinado mecánico complicado (utillaje), para obtener un engranaje planetario acabado (incluyendo las ruedas dentadas), que se ajuste a las tolerancias de diseño y quede listo para su montaje después de someter sus componentes a posibles tratamientos térmicos como cementado y endurecimiento por sinterización; este último proceso/tecnología ha sido desarrollado en los últimos años y se lleva a cabo simultáneamente con el proceso de sinterización. Mediante la producción del engranaje planetario de acuerdo con esta tecnología, resulta posible solventar las dificultades de complejidad estructural y los problemas de espacio, dado que el planeta llevado a cabo de esta manera puede ser montado directamente sobre el rotor del árbol de accionamiento sin ningún buje interpuesto, debido a las muy buenas características tribológicas del material sinterizado; así mismo, este material, en virtud de su textura, compuesta por microgránulos, tiene excelentes propiedades de resistencia a la fatiga, y unos límites elásticos/de resistencia a la fractura cercanos a los valores correspondientes del material compacto.

La Fig. 10 muestra con fines ilustrativos y no limitativos una aplicación concerniente a un compresor de dos cilindros, realizada por medio de la tecnología de material sinterizado descrita con anterioridad, y la cual comprende:

-: un planeta 4 obtenido utilizando la tecnología de sinterización, constituido por tres piezas (componentes);

-: una rueda 2 con unos dientes internos (corona dentada), la cual se obtiene mediante la tecnología de sinterización;

-: un soporte planetario 3;

-: dos pistones 5 conformados en los dos extremos del mismo vástago del pistón (vástago de conexión);

-: dos unidades de cilindro completas 6;

-: una bomba 7 para el lubricante (aceite);

-: una carcasa 8;

-: una cubierta 9;

-: un elemento 10, elásticamente unido a la cubierta 9 y que tiene la función de mantener (retener) en posición los elementos 2 y 7 del compresor.

Claims

1. Un mecanismo de cigüeñal de movimiento alternativo (2, 3, 4) para su uso en un motor de combustión interna alternativo o en un compresor alternativo, que comprende un engranaje planetario (4), en el que un punto (B) sobre la línea primitiva de un piñón (12) del engranaje planetario (4) se desplaza de acuerdo con el movimiento rectilíneo alternativo durante el funcionamiento, incluyendo así mismo dicho mecanismo de cigüeñal una corona dentada (2) que tiene unos dientes internos, y cuyo círculo primitivo tiene un radio igual a dos veces el radio del círculo primitivo del piñón (12) de dicho engranaje planetario (4) el cual engrana con la corona dentada fija (2);

caracterizado porque dicho engranaje planetario (4) está hecho de un material endurecido por sinterización, en el que el engranaje planetario (4), con el fin de simplificar el proceso de producción, se constituye mediante unos componentes (11, 12, 13) obtenidos de forma separada, y posteriormente montados, del material endurecido por sinterización.

2. Un mecanismo de cigüeñal (2, 3, 4) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos componentes (11, 12, 13) hechos de un material endurecido por sinterización, los cuales son realizados por separado y montados después, comprende al menos el piñón (12) del engranaje planetario (4) un apoyo de bancada (13) para la conexión con el vástago (5) del pistón del cilindro o de los cilindros que forman parte del compresor/motor, y un contrapeso (11).

3. Un mecanismo de cigüeñal (2, 3, 4) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material endurecido por sinterización tiene propiedades autolubricantes.

4. Un mecanismo de cigüeñal (2, 3, 4) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el engranaje planetario (4), no obstante su compleja geometría, se obtiene mediante un proceso de moldeo sin necesidad alguna de llevar a cabo un complejo maquinado.