IT201600076227A1

IT201600076227A1 - Ruota dentata bi-elicoidale con angolo d’elica variabile e con profilo del dente non incapsulante per apparecchiature idrauliche ad ingranaggi

Info

Publication number: IT201600076227A1
Application number: IT102016000076227A
Authority: IT
Inventors: Manuele Rossi
Original assignee: Settima Meccanica S R L Soc A Socio Unico
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-01-20
Also published as: ES2726026T3; TR201907186T4; EP3272999B1; CN107642592A; DK3272999T3; US11187227B2; CN107642592B; EP3272999A1; US20180023561A1

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione si riferisce ad una ruota dentata bielicoidaie a profilo non incapsulante, atta ad ingranare in un'apparecchiatura idraulica ad ingranaggi.

Più in particolare, l'invenzione riguarda una ruota dentata destinata ad ingranare senza incapsulamento con una ruota dentata dello stesso tipo in un'apparecchiatura idraulica ad ingranaggi.

Esempi tipici di apparecchiature idrauliche ad ingranaggi, in cui trovano ottimale applicazione la ruote dentate della presente invenzione, e a cui si farà specifico riferimento nel seguito della presente descrizione, sono le pompe volumetriche rotative ad ingranaggi. Tuttavia, le ruote dentate della presente invenzione possono essere analogamente applicate anche ai motori idraulici ad ingranaggi e/o a tutte le apparecchiature idrauliche funzionanti grazie ad una coppia di ingranaggi, che si intendono perciò inclusi nell'ambito della presente invenzione.

Arte nota

Come è ben noto in questo settore tecnico, le pompe volumetriche rotative ad ingranaggi comprendono generalmente due ruote dentate, nella maggior parte dei casi del tipo a denti diritti, delle quali una, detta conduttrice, è connessa ad un albero di comando e trascina in rotazione l’altra ruota, detta condotta.

Nelle ruote dentate a denti diritti ogni coppia di denti entra in presa contemporaneamente su tutta la larghezza assiale della corona e allo stesso modo abbandona la presa. Questo tipo di accoppiamento provoca a livello meccanico vibrazioni e rumori dovuti alla variazione del carico sul dente e agli urti di accesso e recesso.

Altro svantaggio particolarmente sentito nelle suddette pompe ad ingranaggi di tipo tradizionale è dovuto al fatto che il fluido pompato viene incapsulato, cioè intrappolato e compresso, o comunque sottoposto a variazioni di volume nei vani racchiusi fra i profili dei denti nella zona di ingranamento, dando luogo in questo modo a dannosi ed incontrollati picchi di sollecitazione locale che sono all' origine di una rumorosità idraulica diretta di funzionamento.

Una soluzione tecnica nota per ovviare alla rumorosità meccanica diretta di funzionamento è rappresentata dall'adozione di ruote dentate a denti elicoidali. I denti di queste ruote elicoidali, anziché essere paralleli all’asse della ruota, sono orientati seconde eliche cilindriche.

Nelle ruote dentate a denti elicoidali, a causa dell’inclinazione, ogni coppia di denti entra in presa gradualmente e allo stesso modo abbandona la presa, dando una trasmissione più silenziosa e regolare.

Pur vantaggiose sotto vari aspetti e sostanzialmente rispondenti allo scopo di ridurre il rumore di funzionamento, queste ruote dentate introducono altre problematiche dovute alla loro peculiare struttura. Infatti, a causa dell’inclinazione dei denti, la forza trasmessa si divide in una componente tangenziale, necessaria alla trasmissione del momento torcente, ed in una componente assiale, che tende invece a spostare la ruota.

Per ovviare a questo problema si ricorre a cuscinetti reggispinta oppure si utilizzano due eliche contrapposte ad angoli complementari eliminando la spinta assiale indotta.

L'invenzione vuole ovviare aH'impiego di cuscinetti reggispinta o di qualunque altro accorgimento di compensazione delle forze assiali generate internamente e si innesta invece sul filone delle eliche contrapposte.

Nella qui allegata figura 1 è mostrato un esempio di tipo noto di ruota dentata ad eliche contrapposte, normalmente denominata con ingranaggi a spina di pesce.

Gli ingranaggi a spina di pesce di figura 1 sono utilizzati come rotori per pompe idrauliche in applicazioni a bassi giri ed elevata potenza.

Nonostante il fatto che questo tipo di dentatura sia in uso da parecchi anni, la precisione del profilo dei denti e la loro durezza sono limitati dalle difficoltà di realizzazione dovute alla lavorazione in corrispondenza della cuspide.

Infatti, le macchine per realizzare questo tipo di ruote dentate sono delle macchine stozzatrici in cui le due eliche contrapposte sono lavorate simultaneamente con un moto alternativo di coltelli che interferiscono tra loro in corrispondenza della cuspide.

Una limitazione di questo processo è l’impossibilità di realizzare ruote di grandi dimensioni ed elevata durezza, in quanto la lavorazione in prossimità del punto di cuspide è molto delicata e complicata al punto che solitamente non si riescono ad ottenere ingranaggi con materiali aventi una durezza superiore a 35 Rockwell C. Questi ingranaggi possono essere trattati ad esempio con trattamenti termici di nitrurazione successivamente alla lavorazione del dente. Tuttavia la distorsione del dente successiva al trattamento termico obbliga il progettista ad utilizzare tolleranze più ampie per evitare danneggiamenti alla superficie del dente con ottenimento di rendimenti inferiori.

Una soluzione alternativa è mostrata nella figura 2 nella quale è previsto un interspazio tra le due eliche che permette di utilizzare una varietà di macchine utensili per la costruzione dell’ingranaggio e che consentono di raggiungere ottime precisioni anche su elevate durezze, ad esempio superiori a 58-60 Rockwell C. Questi ingranaggi tuttavia non sono utilizzabili per applicazioni di pompaggio.

Ad esempio nella domanda di brevetto statunitense n° US 2004/0031152 Al che si riferisce a ingranaggio con profilo ad evolvente, in particolare con dentatura a spina di pesce e ad un processo per realizzare un tale ingranaggio, è stato possibile risolvere tali problematiche, ovvero durezza del dente intorno ai 58-60 HRC e miglioramento delle tolleranze dimensionali, pur tuttavia non risolvendo i problemi di incapsulamento del fluido tra cresta e fondo dente tipico di ingranaggi ad evolvente. Inoltre gli scarichi al centro del rotore creano inevitabilmente una perdita di efficienza volumetrica della pompa.

Altresì specificamente la pompa è idonea al pompaggio di materiale plastico fuso.

Sempre nell’ambito di pompe ad ingranaggi esterni per l’alimentazione di materiale elastomerico, si inserisce il brevetto statunitense US 7,040,870 Bl. L’ingranaggio ha tratto centrale ricurvo pari a p/2, in cui p corrisponde al passo trasversale.

Specificatamente il tratto ricurvo è utilizzato per migliorare alcune problematiche legate al pompaggio di materiale termoplastico rispetto ad un ingranaggio tradizionale a spina di pesce.

Inoltre il profilo del dente è ad evolvente, identico alle sezioni trasversali di ingranaggi cilindrici standard utilizzati per pompe ad ingranaggi, non risolvendo quindi i problemi di incapsulamento del fluido tra cresta e fondo dente.

Il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è quello di escogitare un nuovo tipo di ruota dentata bi- elicoidale per apparecchiature idrauliche ad ingranaggi, la quale abbia caratteristiche strutturali e funzionali tali da consentire contemporaneamente di annullare il rumore di funzionamento meccanico ed idraulico e di evitare la generazione di spinte assiali che richiedano una qualunque compensazione delle forze.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione una ruota dentata bi-elicoidale che sia di semplice e facile realizzazione mediante macchine a controllo numerico di tipo sostanzialmente convenzionale.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un ingranaggio per pompe volumetriche ed altre tipologie di apparecchiature idrauliche assolutamente privo di incapsulamento.

Sommario dell' invenzione

L’idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di ottenere una ruota dentata bi- elicoidale ad angolo di elica variabile lungo la direzione assiale del dente, con profilo del dente non incapsulante, ciò mantenendo continuità di forma della sua sezione trasversale.

In altre parole, il dente parte in direzione assiale o longitudinale come dente elicoidale con un certo angolo di elica, per esempio destra, e finisce, sempre come dente elicoidale, ma con angolo di elica sinistra, avendo cura che durante il percorso l'angolo vari con continuità evitando di avere punti angolosi e con simmetria rispetto alla metà lunghezza del dente, in questo modo viene conseguito un desiderato bilanciamento assiale.

In una forma preferita di realizzazione l’angolo di elica del dente varia lungo tutta la lunghezza dell’ingranaggio a formare sostanzialmente un arco di parabola.

Sulla base della suddetta idea di soluzione il problema tecnico è risolto da una ruota dentata bi-elicoidale per apparecchiature idrauliche ad ingranaggi, del tipo vincolato ad un albero di supporto a formare una ruota conduttrice o condotta di detta apparecchiatura idraulica e comprendente una pluralità di denti estesi ad elica in direzione longitudinale, caratterizzata dal fatto che lo sviluppo dell’elica è arcuato in modo continuo lungo la direzione longitudinale del dente mantenendo continuità di forma della sua sezione trasversale.

Vantaggiosamente, ciascun dente della ruota dentata dell’invenzione è suddiviso in tre zone: iniziale, centrale e terminale e che la zona centrale è ad angolo elica variabile mentre le zone iniziali e terminali sono ad angolo d’elica costante.

Inoltre, detta zona centrale è priva di cuspidi.

La continuità di forma della sua sezione trasversale coincide inoltre con il profilo frontale della ruota dentata.

In alternativa, lo sviluppo elicoidale della zona centrale del dente è ad arco di cerchio.

In sostanza, il profilo ha un punto di raccordo centrale con derivata pari a zero.

Questa zona centrale dello sviluppo elicoidale del dente è ottenuta con passo ed angolo di elica variabile.

Invece, le zone iniziali e terminali hanno passo ed angolo di elica costante.

L'invenzione è applicata ad una apparecchiatura idraulica ad ingranaggi che comprende una coppia di ruote dentate ingrananti senza alcun incapsulamento. Una tale apparecchiatura può essere ad esempio una pompa volumetrica.

Le caratteristiche ed i vantaggi della ruota dentata bielicoidale realizzata secondo l'invenzione per apparecchiature idrauliche ad ingranaggi risulteranno pienamente dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

Breve descrizione dei disegni

- la Figura 1 mostra una vista prospettica e schematica di una ruota dentata a spina di pesce realizzata secondo l’arte nota;

- la Figura 2 mostra una vista prospettica e schematica di una ruota dentata bi- elicoidale con eliche separate tra loro, realizzata secondo l'arte nota;

- la Figura 3 mostra una vista prospettica e schematica di una ruota dentata bi-elicoidale realizzata in accordo con un primo esempio di realizzazione della presente invenzione;

- la Figura 4 mostra una vista prospettica e schematica di una ruota dentata bi-elicoidale realizzata in accordo con un secondo esempio di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 5 mostra una vista prospettica e schematica di una coppia di ruote dentate bi-elicoidale accoppiate tra loro in una apparecchiatura idraulica ad ingranaggi, ad esempio una pompa volumetrica;

- la figura 6 mostra una vista sezionata perpendicolarmente agli assi di rotazione di una coppia di ruote dentate bi-elicoidale accoppiate tra loro in una apparecchiatura idraulica ad ingranaggi, ad esempio una pompa volumetrica;

- la figura 7 mostra una vista schematica laterale di un tratto di una ruota secondo rinvenzione che mostra un ricoprimento di fascia;

- la figura 8 mostra un diagramma che rappresenta lo sviluppo lineare di un profilo d'elica cilindrica;

- le figure da 9 a 13 mostrano rispettive viste schematiche di diagrammi utilizzati per illustrare il profilo ad elica cilindrica della ruota dentata secondo l'invenzione;

- la figura 14 mostra una vista schematica e frontale di una coppia di ruote dentate realizzate secondo l'invenzione ed ingrananti senza incapsulamento;

- la figura 15 mostra una vista prospettica di un fase di lavorazione su macchina utensile per realizzare la ruota dentata secondo l'invenzione.

Descrizione dettagliata

Con riferimento a tali figure, con 1 è globalmente e schematicamente indicata una ruota dentata realizzata in accordo con la presente invenzione e del tipo a profilo bi-elicoidale.

La ruota dentata 1 è destinata in particolare, ma non esclusivamente, ad apparecchiature idrauliche ad ingranaggi e la descrizione che segue farà riferimento a questo specifico campo di applicazione per semplificarne l'esposizione.

Per meglio comprendere tutti gli aspetti della presente invenzione è bene rammentare che con il termine "elica cilindrica" è denominata una la curva descritta da un punto animato di moto circolare continuo e, contemporaneamente, di moto rettilineo uniforme avente direzione perpendicolare al piano di rotazione.

Inoltre, con il termine "passo dell’elica" definiremo nel seguito la distanza che il punto generatore dell’elica percorre in un giro completo in direzione assiale.

L’invenzione si propone di realizzare una ruota dentata bielicoidale che possa essere impiegata con una ruota dello stesso tipo in un ingranaggio per una pompa volumetrica che utilizzi rotori con elica contrapposta. Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, la ruota 1 presenta un profilo non incapsulante ed una conformazione d’elica tale da eliminare il punto angoloso al centro degli ingranaggi tradizionali a spina di pesce realizzati secondo la tecnica nota,

In questo modo sono eliminate all'origine le problematiche connesse alla lavorazione con macchine utensili di rotori aventi un tale profilo.

La figura 3 mostra la vista prospettica della ruota dentata 1 che fa parte di un ingranaggio 2 di tipo bi-elicoidale destinato ad accoppiarsi senza alcun incapsulamento con un analogo ingranaggio di una apparecchiatura idraulica, ad esempio una pompa volumetrica.

La ruota dentata 1 è convenzionalmente vincolata o calettata su un albero 5 di supporto a formare una ruota conduttrice o condotta a seconda del ruolo assegnatole nella apparecchiatura idraulica.

Nell'esempio di realizzazione qui descritto a titolo indicativo e non limitativo, la ruota 1 ha un profilo frontale 4 a sette denti, ma nulla vieta di poter utilizzare una diversa pluralità di denti.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, lo sviluppo 3 bielicoidale della ruota dentata 1 varia con funzione continua e con andamento arcuato lungo la direzione assiale del dente, mantenendo però continuità di forma della sua sezione trasversale, che coincide con il profilo frontale 4.

In altre parole, l'ingranaggio 2 non presenta alcuna cuspide, ma neppure alcun angolo acuto nella sua zona centrale. Ogni corrispondente dente 6 è continuo e privo di sottosquadri.

Questo sviluppo di elica peculiare, che verrà dettagliato ulteriormente nel seguito, consente di ottenere una coppia di rotori in cui passo e angolo elica variano con regolarità matematica e, in particolare, è stata assicurata una continuità di trasmissione con grado di ricoprimento pari ad 1.

Ciò significa in buona sostanza che: prima che due denti 6 siano abbandonati contemporaneamente altri due denti 6 iniziano ad ingranare. Il contatto è continuo e reversibile, a seconda della rotazione destrorsa o sinistrorsa e della disposizione delle eliche, si sposta dal centro del rotore verso l’esterno o viceversa.

E' da notare inoltre che i profili dei denti sono coniugati per tutta la lunghezza del rotore ovvero le tangenti ai profili nel punto di contatto coincidono e la comune normale passa per il centro di istantanea rotazione,

Facendo riferimento alla figura 4, è mostrato un rotore che rispetta i principi della presente invenzione ma che presenta un ulteriore perfezionamento rispetto alla soluzione di figura 3.

Valutazioni di carattere geometrico sullo spessore del dente, di carattere meccanico sulla trasmissione della coppia e deformazione ed usura del dente, nonché prove sperimentali svolte presso la Richiedente hanno portato a realizzare un ingranaggio concettualmente uguale al precedente ma che presenta questa peculiarità:

- zona A: ad angolo elica costante

- zona B: ad angolo elica variabile

- zona C: ad angolo elica costante

In sostanza, lo sviluppo longitudinale del dente può essere suddiviso in tre zone: iniziale, centrale e terminale per le quali le zone A e C corrispondono alle zone iniziale e terminale e la zona B corrisponde alla zona centrale.

Le lunghezze dei vari tratti A, B e C del rotore sono regolate da considerazioni di tipo meccanico e variano al variare della fascia del rotore seguendo una regola geometrica.

Come già detto in precedenza, i denti 6, 6' in una ruota elicoidale entrano in presa in modo graduale e gradualmente abbandonano la presa. Affinché ciò avvenga in modo continuo e regolare deve verificarsi quanto mostrato in figura 6 in cui è rappresentato lo sviluppo dei denti fino a metà rotore.

Se indichiamo ad esempio con I e II due denti 6 attigui in sezione perpendicolare all’asse di rotazione dei rotori ed indichiamo con Γ e ΙΓ gli stessi denti in sezione perpendicolare all’asse di rotazione a fine rotore, affinché vi sia un ingranamento continuo sul diametro primitivo del rotore, (indicato con Φρ in figura 6) e sempre un dente in presa e necessario che I e ΙΓ si trovino tra loro ad una distanza Lf ( mostrati in figura 7) ma ruotati rispettivamente di 360°/ 7 (con ricoprimento pari ad 1); dove: Lf è pari al passo diviso il numero dei denti.

Questa scelta è stata adottata per lo sviluppo della geometria che andremo a descrivere qui di seguito. E<1>comunque da rimarcare che è possibile realizzare rotori con lo stesso principio ma con ricoprimento inferiore o superiore ad 1.

La suddetta condizione è appunto soddisfatta quando, per un rotore con elica ad angolo costante, Lf è pari al passo diviso il numero dei denti.

Per realizzare il tipo di rotore desiderato i denti della ruota elicoidale saranno orientati secondo eliche cilindriche per i tratti A e C (come in figura 4), ovvero animate di moto circolare continuo e, contemporaneamente, di moto rettilineo uniforme avente direzione perpendicolare al piano di rotazione, mentre nel tratto B (sempre di figura 4) 1’elica sarà formata da un punto animato di moto circolare continuo e di moto vario avente direzione perpendicolare al piano di rotazione.

Ecco quindi che per ottenere le coordinate dello sviluppo dell'elica nello spazio tridimensionale, si è utilizzato tipo di rappresentazione bidimensionale.

Se infatti in geometria possiamo considerare un elica come una curva nello spazio a tre dimensioni, rappresentata da una linea avvolta con un angolo costante attorno ad un cilindro, è anche possibile rappresentare questa elica secondo uno sviluppo lineare, come mostrato ad esempio in figura 8.

Lo sviluppo di una sola spira dell'elica è un segmento di retta corrispondente all’ipotenusa del triangolo rettangolo avente per cateti il passo e la lunghezza della circonferenza deirelica. Ebbene, l’inclinazione è determinata da un angolo a compreso tra l’ipotenusa del triangolo di sviluppo e il cateto corrispondente alla circonferenza dell’elica; da cui si ottiene la seguente relazione:

tang α = P / (n * d)

Il triangolo rettangolo rappresentato in figura 8 è lo sviluppo dell’elica ed è utilizzato come base per il calcolo del nuovo sviluppo bielicoidale dell’ingranaggio secondo l'invenzione.

Nell’ottenere la desiderata rappresentazione si sostituirà:

- per il cateto orizzontale (per ottenere ricoprimento 1) la variabile P con P / num. denti

- per il cateto verticale (per ottenere ricoprimento 1) la variabile n*dp con n*dp/ num. denti

dove:

P: è il passo dell’elica, e

dp: è il diametro primitivo utilizzato per il calcolo dell’angolo d’elica medio.

L’angolo d’elica è definito in fìg. 12 come l’angolo β compreso fra l’ipotenusa del triangolo rettangolo che rappresenta lo sviluppo dell’elica e il cateto passo/ n°denti, parallelo all’asse della ruota

Se si ricostruisce il grafico di figura 8 con queste nuove variabili si ottiene quanto mostrato nella figura 9, vale a dire: un triangolo isoscele costruito ribaltando il triangolo rettangolo in figura 8 rispetto all’asse Y2 e in cui il punto angoloso di un ingranaggio tradizionale a spina di pesce è indicato con il vertice, come se corrispondesse al punto centrale del rotore.

Se consideriamo un profilo A che si muove perpendicolarmente lungo un asse Z, che coincide con l’asse di rotazione del rotore, ruotando intorno a tale asse Z e traslando di moto rettilineo uniforme lungo Z ed indichiamo con:

A la sezione in posizione Ziniziale

A' la sezione in posizione Zfrnale

Le infinite sezioni tra A e A' hanno il medesimo profilo. In altri termini sezionando il rotore perpendicolarmente all’asse di rotazione (o asse Z) in qualsiasi posizione nello spazio il profilo non cambia, come già illustrato in precedenza riferendosi al mantenimento della continuità di forma della sezione trasversale del profilo.

Per semplificare il procedimento di calcolo è possibile concentrarsi solo su una metà del rotore e posizionare ad esempio un sistema di riferimento cartesiano Xl-Yl per lo sviluppo di una spira che corrisponderà ad un segmento di retta corrispondente all’ipotenusa del triangolo rettangolo avente per cateti il passo/n°denti e la lunghezza della circonferenza dell’elica/ n°denti.

In questo modo si ottiene una equazione cartesiana in forma esplicita della retta per descrivere lo sviluppo della spira dell’elica.

Se definiamo come due variabili dipendenti ascissa ( F ) e ordinata (A) di un triangolo rettangolo che rappresenta metà dello sviluppo elicoidale del dente del rotore:

(F) la variabile che indica la posizione assiale della spira dell’elica

(A) la variabile che indica la posizione della spira dell’elica sul diametro primitivo

y - mx q con q=0 e A = tgβ * F

Allora si possono ricavare una serie di punti Fi ed Ai per tutto lo sviluppo dell'elica in direzione dell'asse Z.

Per ricavare le coordinate mancanti Xi e Yi, si può procedere nel seguente modo. Facendo riferimento alla figura 10, si può considerare nota la lunghezza dell'arco di cerchio in corrispondenza di una data quota assiale Fi ricavata secondo la precedente relazione: A = tgP * F

Sapendo inoltre che A = Y * rp si ottiene che Y = A / rp e quindi si ottengono:

Xi = rp * sen (Y)

Yi = rp * cos (Y)

Avendo completato la serie di coordinate (Xi; Yi; Zi) necessarie per descrivere in modo completo lo sviluppo dell’elica nello spazio tridimensionale, risulta possibile disegnare la geometria del rotore mediante un opportuno software 3D. E’ sufficiente fornire ad un elaboratore munito di software per elaborazioni 3D, le coordinate del profilo (X; Y) e quelle di due spire dell’elica (Xi;Yi;Zi) vincolate alle estremità del profilo.

In questo modo è possibile altresì disegnare il vano interdentale. Nulla vieta però di utilizzare altri metodi per realizzare la geometria con un software 3D, l'esempio precedente è solo una delle tante possibilità.

Tornando però all'esempio della figura 9, occorre anche comprendere come si è operato per rendere privo di angoli acuti il punto centrale angoloso situato nella zona B del rotore, vale a dire nel punto di cambio di orientamento del profilo ad elica cilindrica.

II punto angoloso al centro della figura 9 presenta matematicamente due derivate, una destra ed una sinistra a seconda di quale parte inclinata venga considerata.

Ebbene, imponendo un’unica derivata "0" in quel punto si ottiene una funzione che descriverà lo sviluppo dell’elica in quel punto. Ciò vuol dire avere in quel punto una tangente al grafico orizzontale con derivata seconda negativa, quindi la funzione di partenza ha ivi un massimo relativo.

Ad esempio, applicando come funzione l'equazione di una circonferenza si può ottenere un punto di raccordo con derivata pari a zero.

In altre parole, derivando la funzione che descrive lo sviluppo dell’elica, si può ricavare il complementare dell’angolo elica (a) che è variabile punto per punto lungo l’asse del rotore in corrispondenza di un determinato punto sul diametro primitivo.

Dall’analisi matematica infatti sappiamo che la derivata di una funzione f in un punto X0 è il valore del coefficiente angolare della retta tangente alla curva in quel punto, cioè la tangente trigonometrica dell’angolo formato dalla tangente in un punto della curva di equazione y=f(x) e l’asse delle ascisse.

Quello che è importante notare è che se considerassimo lo sviluppo dell’elica in un giro completo lungo la direzione assiale (che per definizione è il passo dell’elica), la funzione che ne descrive il comportamento è analoga nel caso con angolo elica costante.

Nel caso invece di angolo elica variabile per ottenere ricoprimento 1 ed eliminare il punto angoloso al centro del rotore la costruzione geometrica che ne deriva porta alla formulazione di una funzione unica e che dipende dalla lunghezza di fascia del rotore ricavata da passo/n°denti e dal rapporto (dp*n)/n°denti.

Per definire una tale funzione geometrica occorre operare in tre fasi e partire ad esempio con lo stabilire alcuni parametri di progetto quali:

1)

Cilindrata della pompa

Diametri dei rotori

Angolo d’elica minimo

Spessore minimo del dente

Successivamente, si ottiene una costruzione geometrica che rappresenta la forma desiderata dello sviluppo dell’elica in prossimità del cambio di orientamento dell'elica cilindrica.

2)

Viene dapprima realizzata la rappresentazione del triangolo rettangolo di riferimento, come mostrato ad esempio in figura 11, costruendo poi lo sviluppo dell’elica ad angolo costante, questo ci consente di ricavare due cateti che rappresenteranno la base per la costruzione del nuovo sviluppo dell’elica e saranno rispettivamente:

F = passo / num. denti

A = n * dprimitivo / num. denti

Come mostrato in figura 12, il punto angoloso centrale viene completamente eliminato tracciando un cerchio di diametro 2r centrato rispetto al cateto A.

Partendo da G si traccia un segmento di lunghezza F tangente al cerchio Ω (perpendicolare al raggio r del cerchio). Si individua un punto H che rappresenta la fine del primo tratto del rotore con angolo elica costante.

L’arco di cerchio passante per H-I-L individua la zona centrale del rotore con angolo elica variabile, la zona B.

Simmetricamente il segmento L-N di lunghezza conclude il tratto finale del rotore con angolo elica costante.

3)

A questo punto occorre determinare le equazioni che descrivono lo sviluppo dell’elica. Le variabili rappresentate in figura 1 1 verranno utilizzate per scrivere le formule necessarie a ricavare le coordinate (Xi; Yi; Zi) delle spire su cui il profilo di sezione frontale si muoverà descrivendo la geometria del vano interdentale.

Con riferimento alla figura 13, si può apprezzare come gli ingranaggi utilizzati hanno un profilo realizzato con archi di cerchio derivati da profili cicloidali nelle zone di fondo dente (tratto C) e sulla cresta (tratto A), mentre per generare la zona prossima al diametro primitivo è stata utilizzata una equazione polare dell’evolvente di cerchio (tratto B).

Nella figura 14 è mostrato schematicamente il tracciamento dei profili coniugati nel piano che può avvenire in diversi modi, ma nell'esempio con il metodo dell’inviluppo.

Il contatto e continuo per tutto lo sviluppo del dente, questo per evitare l’incapsulamento del fluido tra la cresta ed il fondo degli ingranaggi durante il loro moto relativo.

Dalla precedente descrizione deriva in modo evidente come il profilo della ruota dentata secondo l'invenzione consenta di risolvere completamente anche i problemi connessi con la loro lavorazione alle macchine utensili.

Infatti, la ruota dentata della presente invenzione può essere realizzata con macchine a controllo numerico alimentate da apposito software derivato dalla costruzione 3D del modello di sviluppo bielicoidale del dente dell’ingranaggio precedentemente descritto.

Più in particolare, la ruota dentata secondo l’invenzione può essere ottenuta mediante una macchina automatica a controllo numerico alimentata da apposito software derivato da una costruzione 3D del modello di sviluppo bi-elicoidale del dente della ruota, come descritto con riferimento alle formule precedenti, ottenendo uno sviluppo dell’elica è arcuato in modo continuo lungo la direzione longitudinale del dente, mantenendo inoltre continuità di forma della sua sezione trasversale.

Vantaggiosamente, la suddetta macchina è un centro di lavoro a controllo numerico con almeno quattro assi.

La figura 15 è una rappresentazione schematica ed esemplificativa di come può essere ottenuta la ruota dentata secondo l'invenzione.

Le fasi operative di dettaglio possono essere le seguenti:

Fase 1:

Stesura delle equazioni del profilo non incapsulante e delle equazioni di passo e angolo elica.

Fase 2:

Realizzazione del modello solido con software 3D.

Fase 3:

Trasferimento del modello solido su CAD -CAM

Fase 4:

Sgrossatura del vano interdentale utilizzando centro di lavoro a controllo numerico, ad esempio una macchina a cinque assi.

Fase 5:

Trattamento termico di indurimento superficiale 58-60 HRC. Questa fase si può considerare opzionale.

Fase 6:

Rettifica codoli e rasamenti

Fase 7:

Finitura del vano interdentale su centro di lavoro L'invenzione risolve brillantemente il problema tecnico e consegue numerosi vantaggi il primo dei quali è dato dal fatto che è stato reso possibile ingranaggi con elica contrapposta parzialmente o totalmente ad angolo di elica variabile, con profilo non incapsulante e con una conformazione tale da eliminare la cuspide al centro dei rotori,

Inoltre, la precisa e continua inclinazione contrapposta dei denti non genera alcuna forza assiale che possa tendere allo spostamento della ruota che può quindi essere incorporata in ingranaggi privi di compensazione assiale.

In estrema sintesi, Tinvenzione consente di realizzare rotori con elica contrapposta, con profilo non incapsulante e con una

conformazione d’elica tale da eliminare il punto angoloso al centro dei

rotori stessi e conseguentemente tutte le problematiche connesse alla

loro lavorazione alle macchine utensili.

L’invenzione consente inoltre di realizzazione di ingranaggi di

apparecchiature idrauliche con elica contrapposta parzialmente o

totalmente ad angolo di elica variabile.

!

Claims

RIVENDICAZIONI Ruota dentata bi-elicoidale (1) a profilo non incapsulante (4) per apparecchiature idrauliche ad ingranaggi (2), del tipo vincolato ad un albero (5) di supporto a formare una ruota conduttrice o condotta di detta apparecchiatura idraulica e comprendente una pluralità di denti (6) estesi con angolo di elica variabile con funzione continua in direzione longitudinale o assiale del dente, in cui il profilo dei denti (4) mantiene una continuità di forma in ogni sua sezione trasversale.
2. Ruota dentata secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che ciascun dente in direzione longitudinale è suddiviso in tre zone: iniziale (A), centrale (B) e terminale (C) dove le zone iniziale (A) e terminale (C) sono ad angolo di elica simmetrico.
3. Ruota dentata secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto l’angolo di elica del dente varia lungo tutta la lunghezza dell’ingranaggio.
4. Ruota dentata secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che ogni sezione trasversale coincide con il profilo frontale (4) della ruota dentata (1).
5. Ruota dentata secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che lo sviluppo dell’elica ha un punto di transizione fra una porzione destrorsa e una porzione sinistrorsa in cui l’angolo d’elica è pari a 0° ed esistono finite ed uguali le derivate destra e sinistra della funzione dell’angolo d’elica in quel punto.
6. Ruota dentata secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta zona centrale (B) è ad angolo di elica variabile.
7. Ruota dentata secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che lo sviluppo dell’elica ha un punto di transizione fra una porzione destrorsa e una porzione sinistrorsa in cui l’angolo d’elica è pari a 0° ed esistono finite ed uguali le derivate destra e sinistra della funzione dell’angolo d’elica in quel punto.
8. Ruota dentata secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che dette zone iniziale (A) e terminale (C) hanno angolo di elica costante.
9. Ruota dentata secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che dette zone (A), (B), (C) sono ottenute a partire dallo sviluppo bidimensionale di una sola spira dell' elica mediante un segmento di retta corrispondente all’ipotenusa di un triangolo rettangolo aventi cateti corrispondenti al passo ed alla lunghezza della circonferenza dell’elica; l’inclinazione di detto segmento di retta essendo determinata da un angolo (a) compreso tra l’ipotenusa del triangolo di sviluppo e il cateto corrispondente alla circonferenza dell’elica secondo la seguente relazione: tang a = P / (π * d)
10. Ruota dentata secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detto triangolo rettangolo che rappresenta lo sviluppo dell’elica ed è utilizzato come base per il calcolo lo sviluppo bi-elicoidale dell’ingranaggio secondo detta relazione, viene utilizzato con le seguenti correlazioni di sostituzione: - per il cateto orizzontale, con desiderato ricoprimento pari ad 1, la variabile P è sostituita con (P/ num. denti); - per il cateto verticale, sempre con ricoprimento pari ad 1, la variabile (rr*dp) è sostituita con (n*dp/ num. denti) dove: P: è il passo dell’elica, e dp: è il diametro primitivo utilizzato per il calcolo dell’angolo d’elica medio.
11. Ruota dentata secondo le rivendicazioni 1 o 2, con ricoprimento compreso fra 0.6 e 1.4.
12. Apparecchiatura idraulica ad ingranaggi caratterizzata dal fatto di comprendere una coppia di ruote dentate secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni.
13. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto di essere una pompa volumetrica.
14. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto di essere un motore idraulico ad ingranaggi.
15. Procedimento per realizzare una ruota dentata bielicoidale (1) a profilo non incapsulante (4), per apparecchiature idrauliche ad ingranaggi (2), mediante una macchina automatica a controllo numerico alimentata da apposito software derivato da una costruzione 3D del modello di sviluppo bi-elicoidale del dente della ruota, caratterizzato dal fatto che lo sviluppo dell’elica è arcuato in modo continuo o in un solo tratto centrale lungo la direzione longitudinale del dente mantenendo continuità di forma della sua sezione trasversale.
16. Procedimento secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detta macchina è un centro di lavoro a controllo numerico con almeno quattro assi.