ITMO20120037A1 - Assieme cilindro-pistone a basso attrito - Google Patents

Description

Assieme cilindro-pistone a basso attrito L’invenzione concerne un assieme cilindro-pistone a basso attrito, in particolare utilizzabile in macchine utensili. L’invenzione concerne altresì un circuito di alimentazione dell’assieme cilindro-pistone, ed una macchina utensile comprendente il suddetto assieme cilindro-pistone a basso attrito.

L’assieme pistone-cilindro à ̈ un accoppiamento ben noto nello stato della tecnica.

Quando questo assieme viene impiegato nell’ambito di un dispositivo di azionamento oleodinamico (o idraulico), ad esempio in macchine utensili, durante il movimento del pistone all’interno del cilindro si può verificare in alcune modalità di funzionamento il cosiddetto effetto o fenomeno di “stick-slip†.

Con effetto “stick-slip†si intende il movimento a scatti che caratterizza il moto di un corpo mobile in scorrimento rispetto ad un altro corpo fisso con cui à ̈ in contatto quando movimentato da una posizione statica. Il movimento a scatti à ̈ causato dall’attrito di primo distacco che si verifica tra due corpi in movimento nel momento in cui il corpo mobile inizia a muoversi, attrito che può essere anche notevole. Quando si verifica l’effetto stick-slip, l’attrito tra i due corpi provoca arresti e accelerazioni improvvise del corpo mobile, che generano il suddetto movimento a scatti.

Nel caso di un assieme cilindro-pistone, sulla parete laterale del pistone – o mantello – à ̈ realizzata una gola anulare in cui viene ricevuta una guarnizione di tenuta grazie alla quale il pistone può separare a tenuta le due camere del cilindro tra cui il pistone à ̈ interposto.

Durante il movimento del pistone, la guarnizione di tenuta striscia contro la parete del cilindro – o camicia – generando una forza resistente di attrito che può provocare l’effetto stick-slip sopra descritto. A questo effetto si aggiunge l’effetto di schiacciamento e deformazione della guarnizione all’interno della sede causato dalla spinta dell’olio proveniente dalla camera del cilindro a pressione elevata. La combinazione di questi effetti determina quindi un movimento a scatti del pistone, come sopra esposto.

Questo à ̈ un grave inconveniente che affligge un assieme cilindro-pistone di tipo noto, in particolare se impiegato nell’ambito di un dispositivo di azionamento oleodinamico. In molte applicazioni non à ̈ infatti tollerabile un movimento a scatti del pistone all’interno del cilindro poiché ciò implica conseguenze che compromettono il corretto funzionamento della macchina a cui l’assieme cilindro-pistone à ̈ associato. Ad esempio, se l’assieme cilindro-pistone à ̈ impiegato nella movimentazione o nel posizionamento o bilanciamento di una testa operatrice di una macchina utensile, à ̈ evidente che se si verifica l’effetto stick-slip, si hanno lavorazioni meccaniche molto imprecise. Ciò può determinare un notevole deterioramento della qualità dei pezzi lavorati, e di conseguenza un aumento degli scarti e quindi dei costi di produzione.

Un esempio in cui l’effetto stick-slip in un assieme cilindro-pistone di una macchina utensile non à ̈ tollerabile, à ̈ rappresentato dal sistema di bilanciamento per macchina utensile descritto dalla domanda di brevetto europeo EP2363236 della stessa richiedente.

In alternativa, sono note guarnizioni di tenuta comprendenti materiale antiaderente, come ad esempio teflon, che sebbene consenta di ridurre lievemente l’indesiderato effetto stickslip, non consentono di eliminarlo completamente. Inoltre, tale materiale ha caratteristiche di tenuta peggiori rispetto ad altri materiali polimerici comunemente usati per le guarnizioni.

Uno scopo dell’invenzione à ̈ quello di migliorare un assieme cilindro-pistone di tipo noto.

Un altro scopo à ̈ quello di rendere disponibile un assieme cilindro-pistone a basso attrito, in particolare nell’ambito di una macchina utensile.

Un ulteriore scopo à ̈ quello di far sì che il pistone non si sposti all’interno del cilindro mediante un movimento a scatti, ossia quello di evitare l’effetto stick-slip nell’assieme cilindro-pistone.

Secondo l’invenzione, à ̈ previsto un assieme cilindro-pistone come definito nella rivendicazione 1.

Secondo l’invenzione à ̈ altresì previsto un circuito di alimentazione di un assieme cilindro-pistone come definito nella rivendicazione 8.

Inoltre, secondo l’invenzione à ̈ prevista una macchina utensile come definita nella rivendicazione 10.

L’invenzione potrà essere meglio compresa ed attuata con riferimento agli allegati disegni, che ne mostrano una forma esemplificativa e non limitativa di attuazione, in cui:

Figura 1 à ̈ una sezione longitudinale di un assieme cilindropistone secondo l’invenzione;

Figura 2 Ã ̈ una porzione ingrandita di Figura 1;

Figura 3 à ̈ uno schema oleodinamico che mostra un circuito in cui à ̈ compreso l’assieme cilindro-pistone di Figura 1.

Con riferimento alle Figure 1 e 2, à ̈ mostrato un assieme cilindro-pistone 1 secondo l’invenzione, in particolare associabile ad una macchina utensile (non raffigurata).

L’assieme cilindro-pistone 1 comprende un cilindro 2 ed un pistone 3.

Il cilindro 2, che si sviluppa in maniera simmetrica attorno ad un asse longitudinale X, comprende una parete di base 4, una parete di sommità 5 ed una parete interna cilindrica 6 che delimitano una camera interna 7 disposta per ricevere un fluido operatore.

Il pistone 3 à ̈ scorrevole all’interno del cilindro 2 lungo una direzione sostanzialmente parallela all’asse X in modo da dividere la camera interna 7 in una camera ad alta pressione 7a ed in una camera a bassa pressione 7b. In altre parole, il pistone 3 à ̈ interposto tra le camere 7a e 7b a volume variabile. Entrambe le camere 7a e 7b sono collegate ad un circuito 30, come ad esempio quello mostrato in Figura 3 e descritto in dettaglio nel seguito della descrizione, attraverso rispettive aperture (non raffigurate) tramite le quali il fluido operatore può entrare in, o fuoriuscire da, le suddette camere 7a e 7b.

Il pistone 3 comprende una parete laterale 8 affacciata alla la parete interna cilindrica 6, una prima faccia 8a affacciata verso la camera ad alta pressione 7a ed una seconda faccia 8b affacciata verso la camera a bassa pressione 7b. Nella parete laterale 8 sono realizzati mezzi a sede 9, sagomati come una scanalatura anulare, in cui sono ricevuti mezzi di tenuta 10. I mezzi di tenuta 10 possono comprendere una guarnizione di tenuta 11 sagomata come un anello realizzato con un idoneo materiale a basso attrito al cui interno à ̈ montato un o-ring 12 di precarico.

I mezzi a sede 9 sono realizzati sulla parete laterale 8 in adiacenza alla camera ad alta pressione 7a, cosicché i mezzi di tenuta 10 sono in grado di impedire la fuoriuscita del fluido operatore dalla camera ad alta pressione 7a.

L’assieme cilindro-pistone 1 comprende inoltre mezzi a cavità 13 che si estendono anularmente sulla parete laterale 8 e sono interposti tra i mezzi di tenuta 10 e la camera a bassa pressione 7b. In una configurazione operativa i mezzi a cavità 13, che comprendono sostanzialmente una rispettiva scanalatura anulare, sono disposti per essere alimentati dal fluido operatore alla stessa pressione di alimentazione della camera ad alta pressione 7a in modo tale che i mezzi di tenuta 10 siano soggetti all’interno dei mezzi a sede 9 ad una medesima pressione di alimentazione da opposti lati. I mezzi a cavità 13 sono realizzati sulla parete laterale 8 ad una distanza dalla seconda faccia 8b tale da limitare l’entità del trafilamento di fluido dai mezzi a cavità 13 verso la camera a bassa pressione 7b.

Nella forma di realizzazione mostrata nelle figure, il pistone 3 comprende uno stelo 15 che si estende attorno all’asse X ed avente, ad esempio, forma cilindrica. Il pistone comprende altresì un foro centrale passante 14 in cui viene ricevuta una porzione dello stelo 15, la quale contatta quindi le pareti laterali interne del foro 14.

In una variante non raffigurata, lo stelo 15 e il pistone 3 sono integrali, ossia realizzati in corpo unico.

L’assieme cilindro-pistone 1 comprende mezzi a condotto di adduzione 16, 17 realizzati nel pistone 3 e nello stelo 15 per alimentare con il fluido operatore i mezzi a cavità 13. I mezzi a condotto di adduzione 16, 17 comprendono un primo condotto di adduzione 16 che à ̈ realizzato nello stelo 15. Il primo condotto di adduzione 16 comprende un ramo longitudinale 16a, sostanzialmente coassiale all’asse X, ed un ramo radiale 16b che à ̈ collegato al ramo longitudinale 16a ed à ̈ sostanzialmente ortogonale a quest’ultimo.

I mezzi a condotto di adduzione 16, 17 comprendono inoltre un secondo condotto di adduzione 17, ad esempio avente asse sostanzialmente ortogonale all’asse X, che à ̈ realizzato nel pistone 3 e sfocia nei mezzi a cavità 13. Il secondo condotto di adduzione 17 à ̈ interposto tra il primo condotto di adduzione 16 e i mezzi a cavità 13. In particolare, il secondo condotto di adduzione 17 à ̈ connesso al primo condotto di adduzione 16, ad esempio allineato al ramo radiale 16b, in modo da definire insieme a quest’ultimo un unico condotto di alimentazione dei mezzi a cavità 13. Il fluido che viene convogliato verso questi ultimi attraversa quindi in sequenza il ramo longitudinale 16a, il ramo radiale 16b e il secondo condotto di adduzione 17.

Nel caso della suddetta variante, in cui lo stelo 15 e il pistone 3 sono realizzati in corpo unico, al loro interno à ̈ realizzato un unico condotto di adduzione che convoglia il fluido in pressione verso i mezzi a cavità 13.

Il pistone 3 può comprendere una fascia di guida 18 anulare disposta in una ulteriore sede ricavata sulla parete laterale 8. La fascia di guida 18 à ̈ posizionata in una zona della parete laterale disposta in prossimità della camera a bassa pressione 7b, in modo tale che i mezzi a cavità 13 siano interposti tra i mezzi a sede 9 e la fascia di guida 18.

La forma di realizzazione dell’assieme cilindro-pistone 1 illustrata e descritta nelle figure a titolo esemplificativo e non limitativo prevede uno stelo 15 passante, che attraversa cioà ̈ il cilindro 2 lungo l’asse X. A questo scopo, nella parete di sommità 5 à ̈ realizzato un foro passante 19, coassiale all’asse X, e attraversato dallo stelo 15. Nella parete di sommità 5 à ̈ disposto almeno un elemento di tenuta 20 disposto per impedire la fuoriuscita verso l’esterno del fluido operatore presente nella camera a bassa pressione 7b. Similmente, nella parete di base 4, à ̈ realizzato un rispettivo foro passante 21, il cui asse à ̈ sostanzialmente coincidente con l’asse del foro passante 19 (in modo che i fori 19, 21 siano sostanzialmente allineati), anch’esso attraversato dallo stelo 15. Nella parete di sommità 5 à ̈ disposto almeno un rispettivo elemento di tenuta 22 disposto per impedire la fuoriuscita verso l’esterno del fluido operatore presente nella camera ad alta pressione 7a.

Nella parete di base 4 sono inoltre previsti mezzi di collegamento filettati 23, ad esempio viti, bulloni, ecc., attraverso i quali à ̈ possibile fissare l’assieme cilindropistone ad una macchina utensile.

In una variante non illustrata dell’assieme cilindro-pistone dell’invenzione, lo stelo non à ̈ passante e fuoriesce da un solo lato del cilindro 2.

Nel seguito viene descritto il funzionamento dell’assieme cilindro-pistone 1, con particolare riferimento al circuito 30 mostrato dallo schema oleodinamico di Figura 3.

L’assieme cilindro-pistone 1 può ad esempio essere compreso in un sistema di compensazione idraulico di una macchina utensile. Si intende che l’assieme cilindro-pistone 1 secondo l’invenzione può essere efficacemente impiegato in altri sistemi, diversi da quello di compensazione, e/o in altri apparati o dispositivi, diversi da una macchina utensile.

In uso, à ̈ previsto alimentare con un fluido in pressione, ad esempio un idoneo olio industriale, la camera ad alta pressione 7a del cilindro 2 attraverso un condotto di alimentazione 31. La pressione del fluido con cui viene alimentato il cilindro 2 può essere definita, ad esempio, da una valvola regolatrice di pressione 32 disposta sul condotto di alimentazione 31, come mostrato in figura 3.

A valle della valvola regolatrice di pressione 32, il condotto di alimentazione 31 si suddivide in un primo condotto 31a sfociante direttamente nel primo condotto di adduzione 16, e in un secondo condotto 31b che sfocia nella camera ad alta pressione 7a dopo aver attraversato una valvola di ritegno 33. Quest’ultima à ̈ un dispositivo di sicurezza che consente al pistone 3 di mantenere la sua posizione all’interno del cilindro 2 anche nel caso in cui la pressione del fluido operatore nel condotto di adduzione 31 cali repentinamente, ad esempio a causa dell’accidentale spegnimento dell’impianto.

Nel circuito 30 la camera ad alta pressione 7a e il primo condotto di adduzione 16 sono alimentate dallo stesso condotto di alimentazione 31 così da garantire che il fluido che raggiunge i mezzi a cavità 13 sia lo stesso fluido operatore che alimenta la camera ad alta pressione 7a. In tal modo, la camera ad alta pressione 7a e i mezzi a cavità 13 sono alimentati da un fluido avente la medesima pressione. Il fluido che riempie i mezzi a cavità 13 trafila poi verso la camera a bassa pressione 7b attraverso un’intercapedine 24 (raffigurata schematicamente nel circuito 30 di figura 3). Dalla camera a bassa pressione 7b il fluido raggiunge quindi un serbatoio (non mostrato) attraverso un condotto di uscita 34.

Grazie all’invenzione, à ̈ reso disponibile un assieme cilindro-pistone 1 in cui, grazie alla duplice e simultanea alimentazione di fluido alla stessa pressione nella camera ad alta pressione 7a e nei mezzi a cavità 13, il pistone 3 può scorrere agevolmente all’interno del cilindro 2.

Poiché i mezzi a cavità 13 sono alimentati da fluido operatore alla stessa pressione di alimentazione della camera ad alta pressione 7a, i mezzi di tenuta 10 sono soggetti all’interno dei mezzi a sede 9 ad una medesima pressione di alimentazione da opposti lati. La spinta dell’olio proveniente dalla camera ad alta pressione 7a agente sui mezzi di tenuta à ̈ quindi bilanciata dalla spinta opposta che esercita l’olio proveniente dai mezzi a cavità 13. In tal modo i mezzi di tenuta si mantengono sostanzialmente al centro dei mezzi a sede 9 ed in particolare non sono schiacciati e/o deformati all’interno di questi ultimi (nella direzione opposta a quella della camera ad alta pressione) come avviene in un assieme cilindro-pistone noto. L’assenza di deformazione dei mezzi di tenuta 10 permette di ridurre l’attrito e la resistenza allo scorrimento del pistone 3 nel cilindro ed in particolare di ridurre notevolmente l’effetto stick-slip durante il movimento del pistone 3, garantendo comunque una efficace separazione a tenuta delle due camere 7a, 7b.

Si noti che il fluido in pressione che viene immesso nei mezzi a cavità 13 – che rappresenta un flusso aggiuntivo rispetto ad un assieme cilindro-pistone di tipo noto – dato che viene recuperato pressoché completamente all’interno del serbatoio, non comporta un aggravio di costi di funzionamento.

Quando il cilindro non à ̈ alimentato, i mezzi a cavità 13 non sono più alimentati con il fluido in pressione e il cilindro 2 si comporta come un cilindro tradizionale, mantenendo la sua posizione per mezzo della valvola di ritegno 33.

Sono inoltre possibili varianti e/o aggiunte a quanto sopra descritto e/o a quanto mostrato nei disegni allegati.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Assieme cilindro-pistone (1) comprendente: - un cilindro (2) che racchiude una camera interna (7) alimentabile con un fluido operatore in pressione; - un pistone (3), scorrevole all’interno di detto cilindro (2) in modo da dividere detta camera interna (7) in una camera ad alta pressione (7a) ed in una camera a bassa pressione (7b) e provvisto di una parete laterale (8) affacciata ad una parete interna (6) di detto cilindro (2); - mezzi di tenuta (10) alloggiati in mezzi a sede (9) che si estendono anularmente su detta parete laterale (8) adiacenti a detta camera ad alta pressione (7a), detti mezzi di tenuta (10) essendo disposti per impedire la fuoriuscita di detto fluido operatore da detta camera ad alta pressione (7a); caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi a cavità (13) estendentisi anularmente su detta parete laterale (8) ed interposti tra detti mezzi di tenuta (10) e detta camera a bassa pressione (7b), detti mezzi a cavità (13) essendo alimentati, in una configurazione operativa, con detto fluido operatore alla stessa pressione di alimentazione di detta camera ad alta pressione (7a) in modo tale che detti mezzi di tenuta (10) siano soggetti all’interno dei mezzi a sede (9) ad una medesima pressione di alimentazione da opposti lati.
2. 2. Assieme secondo la rivendicazione 1, in cui detto pistone (3) comprende uno stelo (15).
3. 3. Assieme secondo la rivendicazione 2, comprendente mezzi a condotto di adduzione (16, 17) realizzati in detti pistone (3) ed in detto stelo (15) per alimentare con detto fluido operatore detti mezzi a cavità (13).
4. 4. Assieme secondo la rivendicazione 2 oppure 3, in cui detto cilindro (2) comprende una parete di base (4) ed una parete di sommità (5) provviste di rispettivi fori (19, 21) attraversati da detto stelo (15) e nelle quali sono disposti ulteriori mezzi di tenuta (20, 22) per impedire che il fluido operatore possa fuoriuscire da dette camere (7a, 7b) attraverso detti fori (19, 21).
5. 5. Assieme secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto pistone (3) comprende una fascia di guida (18) disposta in un’ulteriore sede realizzata su detta parete laterale (8).
6. 6. Assieme secondo la rivendicazione 5, in cui detti mezzi a cavità (13) sono interposti tra detti mezzi a sede (9) e detta fascia di guida (18).
7. 7. Assieme secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di tenuta (10) comprendono una guarnizione precaricata mediante o-ring.
8. 8. Circuito di alimentazione (30) di un assieme cilindropistone (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un condotto di alimentazione (31) che si suddivide in un primo condotto (31a) sfociante nel primo condotto di adduzione (16), e in un secondo condotto (31b) che sfocia in detta camera ad alta pressione (7a).
9. 9. Circuito di alimentazione (30) secondo la rivendicazione 9, comprendente una valvola di ritegno (33) disposta lungo detto secondo condotto (31b).
10. 10. Macchina utensile comprendente un assieme cilindropistone (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7.