ITMI20090748A1 - Anello poligonale di azionamento di una pompa a pistoni, pompa a pistoni comprendente tale anello poligonale, e metodo per realizzare l'anello poligonale - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“ANELLO POLIGONALE DI AZIONAMENTO DI UNA POMPA A PISTONI, POMPA A PISTONI COMPRENDENTE TALE ANELLO POLIGONALE, E METODO PER REALIZZARE L'ANELLO POLIGONALEâ€

La presente invenzione riguarda un anello poligonale di azionamento di una pompa a pistoni.

In particolare, la presente invenzione riguarda un anello poligonale del tipo comprendente un corpo anulare, il quale si estendente attorno a un asse determinato; ha una superficie interna cilindrica estendentesi attorno all’asse determinato, almeno una superficie esterna piana parallela all’asse determinato e atta a scambiare forze di compressione con un pistone della pompa a pistoni; e almeno una superficie esterna, la quale à ̈ parallela al detto asse ed à ̈ adiacente alla superficie piana in direzione circonferenziale.

Le pompe a pistoni hanno trovato larga applicazione nell’alimentazione di combustibile, in particolare di gasolio, ai motori a combustione interna soprattutto con l’avvento dei sistemi di alimentazione che, come il sistema common rail, prevedono di alimentare il combustibile a pressioni molto elevate, attualmente sopra i 2.000 bar.

Generalmente, una pompa a pistoni di alta pressione per alimentare gasolio a un motore a combustione interna, comprende un corpo pompa; tre pistoni mobili in rispettive camere di compressione ricavate nel corpo pompa; e un gruppo di azionamento dei pistoni. In maggiore dettaglio, il gruppo di azionamento comprende un albero, una porzione eccentrica solidale all’albero, l’anello poligonale montato in modo girevole attorno alla porzione eccentrica tramite l’interposizione di un cuscinetto a strisciamento, ed eventualmente tre elementi intermedi, ciascuno dei quali à ̈ disposto fra l’anello poligonale e un rispettivo pistone lungo una rispettiva superficie piana.

Il corpo pompa ha una camera nella quale sono alloggiati la porzione eccentrica, l’anello poligonale, gli elementi intermedi e, in parte, l’albero. La camera à ̈ alimentata con parte del combustibile in modo da lubrificare e raffreddare le parti in reciproco scorrimento del gruppo di azionamento. Infatti, alla luce dell’elevato rapporto di compressione generalmente associato alle pompe a pistoni per l’alimentazione di combustibile, le forze scambiate dal gruppo di azionamento sono particolarmente elevate ed à ̈ necessario dissipare il calore prodotto dagli attriti.

Anche gli elementi strutturali sono particolarmente sollecitati dalle forze scambiate dal gruppo di azionamento. Ad esempio, l’anello poligonale à ̈ soggetto a forze di compressione dirette sostanzialmente in direzione radiale dai rispettivi pistoni nella fase di compressione del combustibile.

In accordo con lo stato della tecnica à ̈ noto realizzare l’anello poligonale secondo un metodo che prevede di tagliare un elemento anulare da un tubo avente una parete relativamente spessa, di rifinire tramite tornitura una superficie interna cilindrica dell’elemento anulare estendentesi attorno ad un asse determinato, di spianare tre superfici esterne piane, le quali sono parallele all’asse determinato, e uniformemente distribuite attorno all’asse determinato; e di trattare termicamente l’elemento anulare.

Uno degli inconvenienti riscontrati negli anelli poligonali realizzati in accordo con l’arte nota à ̈ quello della deformazione dell’anello poligonale durante le fasi di trattamento termico.

Un altro inconveniente consiste nel fatto che gli anelli poligonali realizzati con il metodo sopra descritto sono relativamente costosi.

Inoltre, gli studi sperimentali della richiedente hanno dimostrato che le tre superfici piane si incurvano leggermente attorno all’asse a causa di una deformazione nella fase di calettamento forzato del cuscinetto a strisciamento nell’anello poligonale in corrispondenza della superficie cilindrica interna.

Uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un anello poligonale per una pompa a pistoni che sia in grado di minimizzare gli inconvenienti dell’arte nota.

In accordo con lo scopo della presente invenzione à ̈ realizzato un anello poligonale di azionamento di una pompa a pistoni, l’anello poligonale comprendendo un corpo anulare estendentesi attorno a un asse determinato; il corpo anulare avendo una superficie interna cilindrica estendentesi attorno al detto asse, almeno una superficie esterna piana, la quale à ̈ parallela al detto asse, à ̈ atta a scambiare forze di compressione con un pistone della detta pompa a pistoni; e almeno una superficie esterna, la quale à ̈ adiacente alla superficie esterna piana in direzione circonferenziale, ed à ̈ conformata in modo tale da definire una zona rientrata rispetto a un’ipotetica circonferenza centrata sul detto asse e passante per le estremità della detta superficie esterna.

Di fatto, la superficie esterna non ha particolari funzioni di trasmissione di moto nel gruppo di azionamento e, di conseguenza, non ha vincoli particolari dettati dal cinematismo del gruppo di azionamento. In questo modo, la superficie può essere scelta in modo da ridurre la massa compresa fra superficie esterna e la superficie interna cilindrica per rendere maggiormente uniforme la struttura dell’anello poligonale attorno all’asse. Di conseguenza, la variazione della deformazione radiale nella fase di calettamento forzato del cuscinetto a strisciamento à ̈ maggiormente omogenea lungo l’elemento anulare attorno all’asse determinato.

Inoltre, la maggiore omogeneità strutturale dell’anello poligonale attorno all’asse à ̈ particolarmente vantaggiosa perché contribuisce a limitare anche le deformazioni permanenti dell’anello poligonale derivanti dal trattamento termico.

Secondo una particolare forma di attuazione dell’anello poligonale, la zona rientrata si estende, almeno in parte fra la superficie cilindrica interna e una corda della detta circonferenza e che collega le estremità della detta superficie esterna.

In questo modo à ̈ possibile accrescere il rapporto superficie/massa e, quindi, migliorare il raffreddamento dell’anello poligonale durante il funzionamento.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una pompa a pistoni di alta pressione.

Secondo la presente invenzione à ̈ realizzata una pompa a pistoni di alta pressione per alimentare combustibile, in particolare gasolio a un motore a combustione interna, la pompa a pistoni comprendendo un corpo pompa, pistoni mobili in rispettive camere di compressione ricavate nel corpo pompa e un dispositivo di azionamento dei pistoni comprendente un anello poligonale, il quale à ̈ realizzato in accordo con una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.

Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo per realizzare un anello poligonale di azionamento di una pompa a pistoni.

In accordo con la presente invenzione à ̈ fornito un metodo per realizzare un anello poligonale di azionamento di una pompa a pistoni; il metodo comprendendo le fasi di forgiare un corpo anulare estendentesi attorno ad un asse determinato e comprendente una superficie interna cilindrica estendentesi attorno al detto asse, una superficie esterna piana, la quale à ̈ parallela al detto asse, à ̈ atta a scambiare forze di compressione con un pistone della detta pompa a pistoni; e almeno una superficie esterna, la quale à ̈ adiacente in senso circonferenziale alla parete esterna piana, ed à ̈ conformata in modo tale da definire una zona rientrata rispetto un’ipotetica circonferenza centrata sul detto asse e passante per le estremità della detta superficie esterna.

La realizzazione dell’anello poligonale a partire da un semilavorato ottenuto per forgiatura permette sostanzialmente di ridurre i costi. Infatti, la forgiatura permette di realizzare dei semilavorati con delle forme relativamente complesse senza la necessità di eseguire un numero eccessivo di lavorazioni ad asportazione di truciolo o di asportare molto materiale tramite lavorazioni meccaniche ad asportazione di truciolo. La superficie interna cilindrica, la superficie esterna piana, e la superficie esterna sono realizzate direttamente per forgiatura. Di conseguenza, la superficie interna cilindrica, e la superficie esterna piana richiedono unicamente operazioni di finitura, mentre la superficie esterna non richiede alcuna operazione aggiuntiva.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure allegate, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista schematica in sezione, con parti asportate per chiarezza, di una pompa a pistoni per alimentare combustibile a un motore a combustione interna realizzato secondo la presente invenzione;

- la figura 2 à ̈ una vista in elevazione frontale, con parti asportate per chiarezza, di un anello poligonale realizzato in accordo con l’arte nota;

- la figura 3 Ã ̈ una vista in elevazione frontale, con parti asportate per chiarezza, di un anello poligonale realizzato secondo la presente invenzione;

- la figura 4 à ̈ una vista di un diagramma in coordinante polari delle deformazioni rilevate su un cuscinetto a strisciamento durante il calettamento forzato dello stesso nell’anello poligonale della figura 2; e

- la figura 5 à ̈ una vista di un diagramma in coordinante polari delle deformazioni rilevate su un cuscinetto a strisciamento durante il calettamento forzato dello stesso nell’anello poligonale della figura 3.

Nella figura 1 à ̈ indicato con il numero di riferimento 1 una pompa a pistoni per alimentare combustibile, preferibilmente gasolio a un motore a combustione interna non illustrato nelle figure allegate. La pompa a pistoni 1 à ̈ dotata di un elevato rapporto di compressione ed à ̈ in grado di portare il combustibile a pressioni superiori a 2.000 bar.

La pompa a pistoni 1 comprende un corpo pompa 2, tre pistoni 3, e un gruppo di azionamento 4 per movimentare simultaneamente i pistoni 3 rispetto al corpo pompa 2. Il corpo pompa 2 à ̈ la struttura portante della pompa a pistoni 1 e, nella fattispecie, comprende un corpo centrale 5 e tre testate 6 assemblate al corpo principale 5. Ciascuna testata 6 presenta una rispettiva camera di compressione 7 in cui à ̈ mobile un rispettivo pistone 3. Condotti di alimentazione e di mandata del combustibile, non illustrati nelle figure allegate, sono ricavati nel corpo pompa per alimentare e, rispettivamente, evacuare il combustibile dalle rispettive camere di compressione 7. Inoltre, lungo i citati condotti di alimentazione e di mandata sono disposte delle valvole di alimentazione e di mandata, non illustrate nelle figure allegate, che generalmente sono realizzate come valvole di non ritorno.

Nel corpo centrale à ̈ ricavata una camera H che alloggia in parte il gruppo di azionamento 4, il quale comprende un albero 8, una porzione eccentrica 9 solidale all’albero 8, un anello poligonale 10 girevole attorno alla porzione eccentrica 9, un cuscinetto a strisciamento 11 disposto fra la porzione eccentrica 9 e l’anello poligonale 10, tre elementi intermedi 12, ciascuno dei quali à ̈ disposto fra l’anello poligonale 10 e un rispettivo pistone 3; e tre molle 13, ciascuna delle quali à ̈ compressa fra il corpo pompa 2 e un rispettivo pistone 3 per assicurare la corsa di aspirazione del rispettivo pistone 3. Il cuscinetto a strisciamento 11 à ̈ preassemblato all’anello poligonale 10 tramite calettamento forzato.

Nella fattispecie illustrata nella figura 1, ciascun elemento intermedio 12 à ̈ definito da un bicchierino avente una parete di fondo a contatto dell’anello poligonale 10 e una parete laterale che funge da elemento di guida per il pistone 3.

L’albero 8 à ̈ supportato in corrispondenza di due estremità opposte dal corpo pompa 2 secondo una configurazione di tipo noto e non illustrata nelle figure allegate e tramite rispettivi cuscinetti a strisciamento non illustrati nella figura allegata.

Secondo quando meglio illustrato nella figura 3, l’anello poligonale 10 comprende un corpo anulare 14, il quale si estende attorno a un asse A determinato, ha una superficie interna cilindrica 15 estendentesi attorno all’asse A, tre superfici esterne piane 16, ciascuna delle quali à ̈ parallela all’asse A ed à ̈ atta a scambiare forze di compressione con un rispettivo pistone 3 della detta pompa a pistoni 1 (figura 1); e tre superfici esterne 17 parallele all’asse A.

Nella fattispecie, illustrata nella figura 3, le superfici esterne piane 16 sono uniformemente distribuite attorno all’asse A e sono intervallate dalle superfici esterne 17. Ciascuna superficie esterna 17 definisce una zona rientrata rispetto a una circonferenza C1 centrata sull’asse A e passante attraverso le estremità della superficie esterna 17.

Nella fattispecie illustrata nella figura 3, la zona rientrata si estende in parte fra una corda C2 passante fra le estremità della superficie esterna 17 stessa e la superficie interna cilindrica 15, In particolare, ciascuna superficie esterna 17 à ̈ definita da due facce concave 18 adiacenti, le quali presentano una curvatura di segno opposto alla curvatura della superficie cilindrica interna 15. Le due facce concave 18 sono raccordate fra loro da una faccia convessa 19 disposta fra le due superfici concave 18.

Ciascuna superficie esterna 17 si estende, in parte, radialmente all’esterno della corda C2 e, in parte, fra la corda C2 e la superficie interna cilindrica 15. In sostanza, le facce concave 18 sono sostanzialmente disposte fra la superficie interna cilindrica 15 e la corda C2, mentre la faccia convessa 19 à ̈ disposta radialmente all’esterno della corda C2.

Inoltre, nella forma di attuazione descritta le superfici esterne 17 sono parallele all’asse A.

Con riferimento alla figura 2, con il riferimento 20 à ̈ indicato un anello poligonale, il quale à ̈ realizzato in accordo con l’arte nota e comprende un corpo anulare 21, il quale si estende attorno a un asse A1 determinato, ha una superficie interna cilindrica 22 estendentesi attorno al detto asse A1; tre superfici esterne piane 23, ciascuna delle quali à ̈ parallela all’asse A1 ed à ̈ atta a scambiare forze di compressione con un pistone 3 della detta pompa a pistoni 1 (figura 1); e tre superfici esterne 24 convesse, in particolare si tratta di superfici cilindriche concentriche alla superficie interna cilindrica 22.

La forma dell’anello poligonale 20 à ̈ determinata dai requisiti richiesti dal gruppo di azionamento di cui fa parte; dal metodo adottato per realizzarlo; e, in parte, dai costi di produzione. In sostanza e con riferimento al metodo dell’arte nota, la forma dell’anello poligonale 20 à ̈ determinato dalla forma di un tubo, non illustrato nelle figure allegate, e dalle successive lavorazioni meccaniche ad asportazione di truciolo effettuate su tale tubo. Le caratteristiche del materiale sono ottimizzate tramite dei processi di trattamento termico.

La richiedente ha effettuato delle prove sperimentali che consistono nel rilevare ed elaborare con calcoli FEM le deformazioni del cuscinetto a strisciamento 11 durante il calettamento forzato del cuscinetto a strisciamento 11 nell’anello poligonale 10 (figura 1) e nel calettamento forzato di un cuscinetto a strisciamento nell’anello poligonale 20 della figura 2.

Tali prove hanno evidenziato che, nel caso dell’anello poligonale 20 della figura 3, le deformazioni radiali del cuscinetto a strisciamento variano in modo molto consistente rispetto alla deformazione massima DMAX1, all’incirca nella misura del 40% della deformazione DMAX1 secondo quando mostrato nel diagramma a coordinate polari della figura 4. Questa grande variazione lungo il corpo anulare 21 à ̈ imputabile a una non uniforme distribuzione delle masse attorno all’asse A1 determinato dalla spianatura delle superfici esterne piane 23.

Al contrario, il cuscinetto a strisciamento 11 piantato nell’anello poligonale 10 (figura 1) presenta una minore variazione della deformazione in direzione circonferenziale come mostrato nel diagramma a coordinate polari della figura 5. Infatti, a fronte di un leggero aumento della deformazione massima DMAX2, la deformazione del cuscinetto 11 à ̈ contenuta in un intervallo pari al 10% della deformazione massima DMAX2. Questo fatto implica che l’anello poligonale 10 consente una deformazione abbastanza uniforme in fase di calettamento forzato del cuscinetto a strisciamento 11 e, quindi, esso stesso si deforma in modo abbastanza uniforme. La deformazione uniforme dell’anello poligonale 10 attorno all’asse A ha una piccola incidenza sulla forma dell’anello poligonale 10, in particolare, delle superfici piane 16 e determina unicamente una leggera variazione dimensionale, ma riduce sensibilmente l’effetto dell’incurvamento delle superfici piane 16. Inoltre, la maggiore uniformità strutturale dell’anello poligonale 10 riduce le deformazioni permanenti derivanti dai processi di trattamento termico al quale à ̈ sottoposto l’anello poligonale 10.

Inoltre, la forma dell’anello poligonale 10 (figura 3) aumenta il rapporto superficie/massa e favorisce la dissipazione del calore dall’anello poligonale 20 rispetto all’anello poligonale della figura 2.

Al fine di limitare i costi di produzione, l’anello poligonale 10 della figura 3 à ̈ realizzato con un processo che include una fase di forgiatura, la cui operazione fornisce un semilavorato avente sostanzialmente la forma dell’anello poligonale 10 della figura 3.

Le operazioni di lavorazione meccanica ad asportazione di truciolo sono limitate a operazioni di finitura della superficie cilindrica interna 15 e delle superfici esterne piane 16. Le superfici esterne 17 non necessitano di ulteriori lavorazioni e sono direttamente ottenute nella fase di forgiatura.

I vantaggi della presente invenzione emergono in modo chiaro dalla precedente descrizione.

La presente descrizione fa esplicito riferimento a un anello poligonale provvisto di tre superfici piane, beninteso che la presente invenzione trova applicazione in anelli poligonali provvisti di un numero qualsiasi di superfici piane.

È inoltre evidente che alla presente invenzione possono essere apportate variazioni senza uscire peraltro dall’ambito di protezione definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Anello poligonale di azionamento di una pompa a pistoni, l’anello poligonale (10) comprendendo un corpo anulare (14) estendentesi attorno a un asse (A) determinato; il corpo anulare (14) avendo una superficie interna cilindrica (15) estendentesi attorno al detto asse (A); almeno una superficie esterna piana (16), la quale à ̈ parallela al detto asse (A), à ̈ atta a scambiare forze di compressione con un pistone (3) della detta pompa a pistoni (1); e almeno una superficie esterna (17), la quale à ̈ adiacente alla superficie esterna piana (16) in direzione circonferenziale, ed à ̈ conformata in modo tale da definire una zona rientrata rispetto a un’ipotetica circonferenza (C1) centrata sul detto asse (A) e passante per le estremità della detta superficie esterna (17).
2. 2. Anello poligonale secondo la rivendicazione 1, in cui la detta zona rientrata si estende, almeno in parte fra la superficie cilindrica interna (15) e una corda (C2) della detta circonferenza (C1) e che collega le estremità della detta superficie esterna (17).
3. 3. Anello poligonale secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la detta superficie esterna (17) comprende almeno una faccia concava (18).
4. 4. Anello poligonale secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la detta superficie esterna (17) comprende almeno due facce concave (18).
5. 5. Anello poligonale secondo la rivendicazione 4 in cui la superficie esterna (17) comprende una faccia convessa (19) disposta fra le due facce concave (18).
6. 6. Anello poligonale secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo anulare (14) comprendente tre dette superfici esterne piane (16) uniformemente distribuite attorno al detto asse (A), e tre superfici esterne (17) intervallate alle superfici esterne piane (16).
7. 7. Pompa a pistoni di alta pressione per alimentare combustibile, in particolare gasolio a un motore a combustione interna, la pompa a pistoni (1) comprendendo un corpo pompa (2); pistoni (3) mobili in rispettive camere di compressione (7) ricavate nel corpo pompa (2); e un gruppo di azionamento (4) dei pistoni (3) comprendente un anello poligonale (10), il quale à ̈ realizzato in accordo con una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
8. 8. Metodo per realizzare un anello poligonale di azionamento di una pompa a pistoni; il metodo comprendendo le fasi di forgiare un corpo anulare (14) estendentesi attorno ad un asse (A) determinato e comprendente una superficie interna cilindrica (15) estendentesi attorno al detto asse (A); una superficie esterna piana (16), la quale à ̈ parallela al detto asse (A), à ̈ atta a scambiare forze di compressione con un pistone (3) della detta pompa a pistoni (1); e almeno una superficie esterna (17), la quale à ̈ adiacente in direzione circonferenziale alla parete esterna piana (16), ed à ̈ conformata in modo tale da definire una zona rientrata rispetto a un’ipotetica circonferenza (C1) centrata sul detto asse (A) e passante per le estremità della detta superficie esterna (17).
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui la detta zona rientrata si estende fra la superficie interna cilindrica (15) e una corda (C2) della detta circonferenza (C1) e che collega le estremità della detta superficie esterna (17).
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui la detta superficie esterna (17) comprende almeno una faccia concava (18).
11. 11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 10, in cui la detta superficie esterna (17) comprende almeno due facce concave (18).
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui la superficie esterna (17) comprende una faccia convessa (19) disposta fra le due le facce concave (18).
13. 13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 12 comprendente la fase di trattare termicamente il corpo anulare (14).