ITTO20010698A1 - Attuatore elettromeccanico. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Attuatore elettromeccanico"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un attuatore elettromeccanico; più in particolare, ma non esclusivamente, il trovato si riferisce ad un attuatore elettromeccanico adatto ad essere montato su autoveicoli per azionare, ad esempio, la frizione, il cambio di velocità, ecc..

Nell'industria automobilistica al giorno d'oggi vi è una tendenza a sviluppare le cosiddette soluzioni "drive by wire" secondo le quali le tradizionali trasmissioni idrauliche per il controllo dei freni, della frizione e del cambio di velocità sono sostituite da attuatori elettromeccanici connessi elettricamente a pulsanti o leve di comando azionabili dal conducente.

Sono state recentemente proposte alcune soluzioni di attuatori elettromeccanici comprendenti un motore elettrico, di tipo brushless o di tipo con spazzole, accoppiato ad un'unità vite/madrevite che trasforma il movimento rotatorio del rotore del motore elettrico in movimento di traslazione rettilineo della vite senza fine. In talune applicazioni sono utilizzate viti a circolazione di sfere che conferiscono all'attuatore un rendimento elevato, grazie all'attrito ridotto dalle loro sfere, e garantiscono una elevata precisione della posizione assiale della vite.

Gli attuatori elettromeccanici con vite a ricircolo di sfere, pur essendo precisi ed affidabili, comportano.costi di fabbricazione molto elevati che non li rendono adatti per la produzione in grande serie dell'industria automobilistica, soprattutto se si considera il fatto che per l'azionamento di una frizione o di un cambio di velocità il grado di precisione richiesto non è generalmente molto elevato. La vite a ricircolo di sfere richiede lavorazioni meccaniche molto accurate per la produzione della madrevite (in acciaio temprato) , ed in particolare per la realizzazione delle scanalature elicoidali che fanno da piste esterne per le sfere e degli elementi che formano i condotti di ritorno delle sfere. Minime imprecisioni di queste parti possono infatti determinare il bloccaggio delle sfere.

Inoltre, i motori elettrici del tipo con spazzole o del tipo brushless solitamente utilizzati per far ruotare la madrevite, a volte necessitano di essere associati ad un gruppo di riduzione ad ingranaggi e a sensori che rilevano la posizione assiale raggiunta dalla vite e che sono collegati al motore elettrico secondo una configurazione ad anello chiuso per garantire l'esatto posizionamento della vite.

È scopo della presente invenzione realizzare un attuatore elettromeccanico affidabile e di basso costo, adatto ad essere montato su un veicolo a motore per azionare un organo quale ad esempio un innesto a frizione o una leva di selezione per il cambio di velocità.

Questo ed altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio in seguito, sono raggiunti, secondo la presente invenzione, per mezzo di un attuatore elettromeccanico avente le caratteristiche definite nella rivendicazione indipendente 1. Forme di attuazione preferenziali sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Verranno ora descritte, a titolo puramente esemplificativo e non limitativo, le caratteristiche strutturali e funzionali di due forme di realizzazione preferite dell'invenzione, facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 è una vista schematica in sezione assiale di una prima forma di realizzazione di un attuatore elettromeccanico secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una vista schematica in sezione assiale di una seconda forma di realizzazione di un attuatore elettromeccanico secondo l'invenzione; e la figura 3 è una vista schematica in scala ingrandita di un'unità vite/madrevite di cui sono provvisti gli attuatori delle figure 1 e 2.

Nel testo che segue, la struttura e il funzionamento dell'attuatore verranno descritti solo in misura strettamente necessaria alla comprensione dell'invenzione.

Facendo inizialmente riferimento alla figura I, un attuatore elettromeccanico secondo la presente invenzione è indicato complessivamente con 10. L'attuatore 10 ha una carcassa 11 in cui è incorporato un motore elettrico passo-passo 12, di tipo di per sé noto. Con 13 è indicata un'unità elettronica di controllo del motore 12; l'unità 13 è montata sul lato, qui definito posteriore, della carcassa II, e comprende l'elettronica di alimentazione e di controllo della posizione angolare del rotore 14, che è montato in modo girevole attorno ad un asse longitudinale x per mezzo di una coppia di cuscinetti 15, uno solo dei quali è illustrato. Le caratteristiche di realizzazione e di funzionamento del motore passo-passo (che può essere di un qualunque tipo disponibile in commercio) sono di per sé note e non verranno pertanto qui descritte in modo particolareggiato.

L'attuatore elettromeccanico comprende un'unità vite/madrevite, indicata complessivamente con 16, che trasforma il movimento rotatorio del rotore 14 in movimento di traslazione rettilineo lungo l'asse x per azionare un organo 17, in questo esempio una leva di comando di un innesto a frizione.

L'unità vite/madrevite 16 comprende una vite 18 a più principi accoppiata ad una madrevite 19 bloccata sul rotore 14 per ruotare solidalmente con esso. L'estremità anteriore della vite 18 presenta una testa di spinta indicata schematicamente con 20 che interagisce con la leva 17; una cuffia di protezione 21 chiude ermeticamente l'ambiente interno della carcassa 11.

Con 22 è indicato un elemento elastico, quale ad esempio una molla, interposta e compressa longitudinalmente tra una parte assialmente stazionaria dell 'attuatore e l'elemento assialmente mobile (che è costituito dalla vite 18 nell'esempio della figura 1, e dalla madrevite 19 nell'esempio della figura 2, come sarà spiegato più avanti); l'elemento elastico 22 assicura il contatto della testa di spinta 20 con la leva 17 della frizione sia dopo l'assemblaggio e sia durante il funzionamento dell'attuatore nel caso in cui la frizione sia usurata.

I dettagli del collegamento con l'organo 17 da controllare non sono né descritti né illustrati in dettaglio in quanto irrilevanti ai fini della comprensione dell'invenzione.

La vite a più principi 18 è costituita da una barra cilindrica preferibilmente filettata su tutta la sua lunghezza con filettatura trapezia per favorire lo spostamento in entrambi i sensi di traslazione lungo l'asse x, in altre parole, per assicurare la reversibilità del moto alternativo rettilineo. Allo stesso scopo, l'angolo dell'elica delle filettature trapezie è elevato per assicurare tale reversibilità e per produrre spostamenti assiali notevoli della vite 18 in seguito a spostamenti angolari limitati del rotore 14.

La scelta del numero di principi della vite (ad esempio dieci principi), dell'angolo dell'elica delle filettature e del diametro della vite potrà variare in funzione dello spostamento assiale desiderato e delle forze in gioco.

Le filettature della vite 18 possono essere vantaggiosamente formate in modo veloce ed economico mediante rullatura (senza asportazione di materiale), alimentando con barre lisce una macchina formatrice provvista di rulli di formatura motorizzati e quindi tagliando le barre filettate in spezzoni della lunghezza desiderata. La vite 18 è quindi fatta preferibilmente di acciaio lavorabile a freddo, con un contenuto di carbonio compreso nel campo 0.3÷0.4%.

La madrevite 19 è realizzata per stampaggio di un materiale plastico avente un'elevata resistenza all'usura e proprietà di basso attrito nei confronti dell'acciaio costituente la vite 18. Il materiale plastico della madrevite 19 è un materiale polimerico che si presenta dimensionalmente stabile alle temperature di esercizio (tipicamente comprese tra -40° e 160°C) che si possono verificare nell'ambiente in cui viene montato l'attuatore sul veicolo .

Preferibilmente il materiale polimerico comprende polietereterchetone (PEEK) e/o politetrafluoruroetilene (PTFE o Teflon®), o Nylon PA6 con l'aggiunta di MoSO, che possiedono caratteristiche lubrificanti.

Naturalmente, la scelta del materiale o dei materiali componenti la madrevite potrà anche dipendere dall'applicazione, cioè dall'organo che l'attuatore deve controllare e dalle forze che l'attuatone deve sviluppare.

Le esperienze condotte dalla Richiedente dimostrano che risultati eccellenti in termini di affidabilità possono essere ottenuti con madreviti in PEEK o PTFE. In entrambi questi casi, madreviti sottoposte ad un funzionamento in continuo per un periodo di tre mesi, che corrisponde ad un totale di 430 km percorsi dalla vite, hanno esibito un grado di usura di appena 100 micron, che è assolutamente ininfluente ai fini del controllo di innesti a frizione e cambi di velocità di un veicolo.

Per l'azionamento di questi dispositivi (frizioni, cambi, ecc.) l'attuatore elettromeccanico deve essere in grado di provocare uno spostamento assiale di alcuni centimetri. Ad esempio, per l'azionamento di un innesto a frizione è tipicamente richiesto uno spostamento o corsa di circa 30÷40 mm. Dimensionando opportunamente il diametro della vite, il numero dei suoi principi e l'angolo dell'elica della vite, si può ottenere uno spostamento assiale di questa lunghezza comandando una rotazione del rotorq ad esempio di appena mezzo giro o un quarto di giro.

L'adozione di un motore passo-passo è quindi particolarmente vantaggiosa in quanto la rotazione del suo rotore 14 (e il conseguente spostamento assiale della vite 18) può essere controllata con notevole precisione; soprattutto, un motore passopasso garantisce il controllo della posizione assiale assoluta della vite, e non solamente dello spostamento assiale effettuato. Come noto alle persone esperte nel settore, ciò avviene per effetto di un apposito chip che è solitamente previsto nell'unità elettronica di controllo di ogni motore a passo. Quindi, con un motore passo-passo, non occorre predisporre i tradizionali sensori di posizione che sono invece indispensabili con i motori brushless o a spazzole per conoscere e controllare la posizione assiale raggiunta dalla vite. Inoltre, una determinata posizione assiale iniziale può essere automaticamente ripristinata all'avviamento del veicolo.

In aggiunta, per l'azionamento di organi che non richiedono elevate forze assiali (ad esempio per comandare frizioni e cambi di velocità), non è richiesta alcuna riduzione ad ingranaggi associata al motore elettrico.

Nella figura 2 è illustrata una forma di attuazione alternativa in cui la vite 18 è bloccata in rotazione solidalmente al rotore 14 del motore elettrico, e la madrevite 19 costituisce in questo esempio l'elemento traslante.

In entrambi gli esempi, per effetto dell'unità vite/madrevite 16, il movimento rotatorio impartito al rotore 14 viene trasformato in moto di traslazione assiale (della vite 18 nell'esempio della figura 1, e della madrevite 19 nell'esempio della figura 2).

Come si potrà apprezzare, l'attuatore della presente invenzione offre una precisione di azionamento forse leggermente inferiore ma comunque paragonabile alle soluzioni tradizionali con viti a circolazione di sfere, discusse nella parte introduttiva della descrizione. In compenso, l'attuatore della presente invenzione ha costi di produzione molto più contenuti, che lo rendono ideale per essere applicato nella produzione su grande scala dell'industria automobilistica. In particolare, lo stampaggio della madrevite in materiale plastico costituisce un'alternativa economica e che comporta una notevole riduzione di peso rispetto alle viti a circolazione di sfere.

Nonostante l'invenzione sia stata qui descritta con riferimento al comando di innesti a frizione e cambi di velocità, si comprenderà che il riferimento a questi possibili campi di applicazione non deve in alcun modo essere interpretato come limitativo della portata del brevetto.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Attuatore elettromeccanico comprendente: un motore elettrico (12); un'unità a vite/madrevite (16) associata al rotore (14) del motore elettrico (12) per trasformare il moto rotatorio del rotore (14) in moto di traslazione assiale della vite (18) o della madrevite (19); caratterizzato dal fatto che il motore elettrico (12) è un motore passopasso; la vite (18) è una vite a più principi; la madrevite (19) è fatta in materiale plastico.
2. 2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la vite a più principi (18) presenta filettature trapezie.
3. 3. Attuatore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che le filettature della vite (18) sono formate per rullatura.
4. 4. Attuatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la vite (18) è prodotta tagliando un tronco di lunghezza desiderata di una barra cilindrica in cui le filettature sono formate per rullatura.
5. 5. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la vite (18) è fatta di acciaio lavorabile a freddo, con un contenuto di carbonio compreso nel campo 0.3÷0.4%.
6. 6. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la madrevite (19) è realizzata per stampaggio di un materiale plastico cheesibisce una elevata resistenza ad usura e proprietà di basso attrito nei confronti dell'acciaio della vite (18).
7. 7. Attuatore secondo la rivendicazione 1 o 6, caratterizzato dal fatto che il materiale plastico della madrevite (19) è un materiale polimerico che è dimensionalmente stabile a temperature comprese tra circa -40° e circa 160°C.
8. 8. Attuatore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1, 6 e 7, caratterizzato dal fatto che il materiale plastico costituente la madrevite (19) comprende un materiale polimerico scelto dal gruppo consistente di: polietereterchetone, politetrafluoruroetilene, Nylon PA6 con l'aggiunta di MoS04.
9. 9. Attuatore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1, 6, 7 e 8, caratterizzato dal fatto che la madrevite (19) è prodotta per stampaggio in un pezzo singolo.
10. 10. Attuatore secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che è montato su un veicolo a motore ed è operativamente collegato ad almeno un organo (17) da azionare a bordo del veicolo.
11. 11. Attuatore secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che l'organo (17) da azionare è un organo per l'azionamento dell'innesto a frizione, o del cambio di velocità del veicolo.
12. 12 . Attuatore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un mezzo elastico (22) interposto e compresso longitudinalmente tra una parte assialmente stazionaria dell'attuatore e l'elemento assialmente mobile (18 o 19) dell'unità vite/madrevite (16).