ITTO20110274A1 - Anello flangiato di cuscinetto per il mozzo della ruota di un veicolo a motore - Google Patents

Description

“Anello flangiato di cuscinetto per il mozzo della ruota di un veicolo a motoreâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un anello flangiato, di peso leggero, per il mozzo della ruota di un veicolo a motore, particolarmente un anello girevole con una flangia che procura il collegamento alla ruota e/o al rotore freno.

L’industria automobilistica deve soddisfare una richiesta sempre crescente in termini di riduzione di peso della componentistica degli autoveicoli al fine di ridurre i consumi di carburante e le emissioni di scarico. Per un cuscinetto della ruota di un veicolo, una riduzione di peso non deve comportare alcuna riduzione in termini di robustezza e sicurezza. Le piste di rotolamento devono essere fatte di un materiale abbastanza duro da sopportare le sollecitazioni del contatto volvente.

Trova ancora largo uso il tradizionale acciaio per cuscinetti. Le piste di rotolamento sono trattate termicamente così da acquisire un livello di durezza ed una microstruttura omogenea adeguate a sopportare gli sforzi provocati dai contatti di rotolamento hertziani.

Anelli di cuscinetto flangiati di tipo recente includono un inserto (o nucleo) radialmente interno, di forma tubolare o anulare, fatto di acciaio per cuscinetti, il quale forma una o due piste di rotolamento, ed un corpo radialmente esterno che forma una flangia che si estende radialmente verso l’esterno attorno all’inserto ed à ̈ fatto di un materiale di peso leggero quale una lega d’alluminio. La flangia di peso leggero à ̈ disegnata per montare la ruota e/o il rotore freno e per trasferire i carichi da questi componenti all’inserto tubolare.

WO 2008/147284 A1 descrive un anello per cuscinetto composto da due materiali diversi congiunti insieme in un pezzo singolo, cioà ̈ un primo materiale a tenacità elevata, quale l’acciaio per cuscinetti, che forma le piste di rotolamento, ed un secondo materiale leggero, quale un metallo leggero, che forma la parte restante dell’anello. Il secondo materiale viene unito al primo tramite un procedimento di formatura.

Uno scopo primario della presente invenzione à ̈ di realizzare un accoppiamento intimo e affidabile tra le due diverse porzioni di un anello di cuscinetto flangiato fatto di due materiali diversi, cioà ̈ un primo materiale duro ed un secondo materiale leggero. In particolare, si desidera neutralizzare le forze agenti all’interfaccia tra il nucleo d’acciaio tenace e il corpo esterno leggero. Un ulteriore scopo à ̈ di configurare l’interfaccia tra il nucleo interno d’acciaio e il corpo esterno leggero in modo tale da prevenire la formazione di cricche in quest’ultimo a seguito dei carichi che vengono trasmessi all’anello del cuscinetto in tutte le condizioni di lavoro. All’anello per cuscinetto secondo l’invenzione, inoltre, viene richiesto di conferire un peso complessivamente leggero, assicurando nel contempo le elevate capacità di resistenza richieste.

Questi ed ulteriori scopi e vantaggi sono raggiunti, secondo l’invenzione, da un anello di cuscinetto flangiato avente le caratteristiche enunciate nella rivendicazione 1. Forme di attuazione preferite dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Per una buona comprensione dell’invenzione ne verrà ora descritta una forma di attuazione preferenziale, fornita a titolo esemplificativo e facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 à ̈ una vista parziale in sezione assiale di una forma di realizzazione di un anello flangiato per cuscinetto secondo l’invenzione;

la figura 2 à ̈ una vista prospettica di un nucleo tubolare d’acciaio che costituisce la parte interna dell’anello di cuscinetto flangiato della figura 1;

la figura 3 Ã ̈ una vista in sezione assiale del nucleo tubolare della figura 2;

la figura 4 Ã ̈ una vista simile a quella della figura 1, che mostra inoltre le sfere del cuscinetto;

la figura 5 Ã ̈ una vista simile a quella della figura 3, che illustra schematicamente a tratto pieno le superfici che vengono assoggettate a trattamenti diversi da quelle illustrate in tratteggio;

la figura 6 Ã ̈ una vista ingrandita di un dettaglio della figura 5; e

la figura 7 à ̈ un’ulteriore vista, simile a quella delle figure 3 e 5, che indica schematicamente delle zone del nucleo tubolare che vengono trattate diversamente dalle altre.

Facendo inizialmente riferimento alla figura 1, con 10 à ̈ indicato nel suo insieme un anello di cuscinetto flangiato secondo una forma di realizzazione dell’invenzione. L’anello 10 à ̈ progettato per essere l’anello girevole esterno di un cuscinetto a doppia corona di sfere a contatto angolare per applicazioni automobilistiche, in particolare per il montaggio ad una ruota di veicolo (non illustrata) da montare in modo girevole rispetto al montante stazionario (non illustrato) di una sospensione del veicolo attorno ad un asse centrale di rotazione x. In tutta la presente descrizione e nelle rivendicazioni, termini ed espressioni che indicano posizioni e direzioni quali “radiale†e “assiale†sono da intendersi riferiti all’asse di rotazione x del cuscinetto. Espressioni quali “inboard†ed “outboard†si intendono invece riferite ad una condizione montata su un veicolo.

L’anello 10 del cuscinetto presenta due piste di rotolamento 11, 12 per due corone di sfere 13, 14 (figura 4). La pista di rotolamento 11 dal lato inboard presenta un diametro di circonferenza primitiva maggiore di quello della pista di rotolamento 12 dal lato outboard. L’anello 10 comprende un inserto o nucleo radialmente interno 15 di forma complessivamente tubolare ed un corpo radialmente esterno 16 che presenta una flangia 17 che si estende radialmente verso l’esterno sul lato outboard del nucleo 15. La flangia 17 presenta un certo numero di fori 18 per consentire il collegamento alla ruota del veicolo tramite bulloni (non illustrati).

Il nucleo 15 à ̈ fatto di un primo materiale duro e tenace, preferibilmente acciaio per cuscinetti. Il corpo radialmente esterno 16 à ̈ fatto di un secondo materiale leggero. È preferito un metallo leggero, quale l’alluminio, il magnesio, o leghe di questi. Altri materiali adatti per il corpo esterno possono includere, ma senza essere limitati a questi, i compositi in carbonio o i polimeri rinforzati. Al fine di conferire un sostegno strutturale adeguato per il corpo esterno 16, il nucleo d’acciaio 15 si estende assialmente attraverso tutta la larghezza del corpo esterno, dal lato inboard al lato outboard. Il nucleo tubolare 15 forma una sporgenza tubolare assiale 19 al proprio lato outboard, la quale facilita il centraggio della ruota. La sporgenza tubolare 19 sporge assialmente dalla faccia assialmente esterna 20 della flangia 17.

Il corpo esterno 16 può essere formato attorno al nucleo 15 in un certo numero di modi diversi, ad esempio tramite un processo di colata semi-solida, oppure mediante sinterizzazione o colata, o pressofusione. Al termine di uno qualsiasi di questi processi, il materiale di peso leggero copia strettamente la forma esterna del nucleo 15, per cui i corpi interno ed esterno si bloccano l’uno con l’altro. La forma esterna del nucleo 15 à ̈ configurata in modo tale da ridurre gli effetti nocivi delle forze agenti all’interfaccia tra il nucleo e il corpo esterno 16.

Facendo ora riferimento alla figura 3, il nucleo 15 può essere idealmente suddiviso in tre porzioni principali, indicate con A, B, C. La porzione A à ̈ collocata dal lato outboard della flangia, dove il componente associato a questa (ruota e rotore freno, non illustrati) va attaccato. Il lato assialmente interno della porzione A comprende una parte predominante della pista di rotolamento 12 dal lato outboard. La porzione C à ̈ situata dal lato inboard, ed include la parte assialmente interna della pista di rotolamento 11 situata dal lato inboard. La porzione B à ̈ una porzione assialmente intermedia di collegamento tra le porzioni A e C. Il diametro interno medio della porzione A à ̈ significativamente minore del diametro interno medio della porzione C. Di conseguenza, la porzione di collegamento B à ̈ rastremata, con un diametro medio che aumenta passando dal lato outboard al lato inboard. In particolare, il profilo esterno della porzione B à ̈ rastremato. La rilevanza di questa caratteristica sarà chiarita in seguito.

I carichi applicati all’anello flangiato sono illustrati schematicamente nella figura 4. L’anello flangiato viene assoggettato ad un momento ribaltante Mt applicato dai componenti associati (ruota, rotore freno) e trasferito alle sfere del cuscinetto. Per reazione, la flangia 17 viene assoggettata a sforzi di reazione da parte delle sfere che contattano le piste di rotolamento. In particolare, la reazione più rilevante à ̈ data dalla corona 13 dal lato inboard, che à ̈ perciò progettata con un diametro di circonferenza primitiva maggiore. La forza di reazione data dalla corona lato inboard à ̈ indicata con CF1.

La forza di reazione risultante R che il nucleo 15 trasmette al corpo esterno leggero 16 viene scambiata attraverso una superficie conica 21 che ha un profilo rettilineo, quando visto in sezione assiale, orientato perpendicolarmente ad una linea mediana che taglia a metà la pista di rotolamento assialmente interna e corrisponde alla retta d’azione della risultante CF1 delle pressioni di contatto esercitate dalla corona lato inboard 13 delle sfere del cuscinetto contro la pista di rotolamento 11 dal lato inboard.

Nella forma di realizzazione preferita, la suddetta retta di azione passa attraverso il centro o la porzione mediana della superficie rastemata 21. Il vantaggio di questa configurazione à ̈ dato dal fatto che la forza di reazione R viene impartita al corpo di peso leggero 16 in corrispondenza di una superficie di interfaccia avente un profilo sostanzialmente piatto o diritto quando visto in sezione assiale. In altri termini, l’assenza, nella porzione di collegamento B, di un contorno convesso nel nucleo di acciaio impedirà la formazione di cricche che potrebbero altrimenti essere generate nel corpo di peso leggero a seguito di una specie di effetto di “incuneamento locale†di una parte convessa di acciaio nel corpo di peso leggero, avente forma corrispondentemente concava, che circonda il nucleo.

All’estremità lato inboard del nucleo 15, à ̈ formata una gola anulare 22 che si estende circonferenzialmente e che presenta almeno uno, ma preferibilmente due sottosquadri inclinati in modo negativo affacciati assialmente l’uno verso l’altro 23, 24 e che definiscono un giunto a coda di rondine con una nervatura complementare anulare, che si estende radialmente verso l’interno 25, formata dal corpo leggero 16. In questo contesto, il termine “sottosquadro†à ̈ da interpretarsi nel senso che almeno uno dei due lati della gola 22 presenta una parte sporgente in rilievo. Ad esempio, l’angolo dei sottosquadri potrà essere di circa 85°. Il sottosquadro (o sottosquadri) 23 (e/o 24) procura un elevato livello di bloccaggio reciproco che si oppone ai movimenti relativi tra il corpo esterno 16 e il nucleo interno 15 in una direzione perpendicolare all’asse di rotazione x. Quest’azione di ritegno diretta in senso radiale à ̈ particolarmente utile nell’opporsi agli sforzi di trazione che tendono a tirare via in senso radiale il materiale leggero 16 dal nucleo d’acciaio 15 a seguito di un momento ribaltante negativo –Mt che viene applicato all’anello di cuscinetto attraverso la flangia 17. La forza resistente à ̈ indicato con R2. E’ partico larmente conveniente disporre il sottosquadro (o sottosquadri) 23, 24 all’estremità assialmente interna dell’anello del cuscinetto, cioà ̈ nella zona più lontana dalla flangia 17, dato che in questa posizione la forza resistente sfrutterà la massima lunghezza possibile del braccio di leva per contrastare il momento ribaltante –Mt. Inoltre, dato che un metallo leggero quale l’alluminio e le sue leghe hanno un coefficiente di dilatazione termica minore di quello dell’acciaio per cuscinetti di cui à ̈ fatto il nucleo, la configurazione a coda di rondine procurerà un grado di bloccaggio reciproco ancora più elevato tra il nucleo ed il corpo esterno alle alte temperature, quando la nervatura 25 di metallo leggero si espanderà più della gola d’acciaio 22 che la accoglie.

La gola anulare 22 à ̈ delimitata, dal proprio lato outboard, da uno spallamento 26 che sporge radialmente verso l’esterno. Questo spallamento à ̈ delimitato radialmente all’esterno da una superficie cilindrica 27, dal lato assialmente interno dalla superficie in sottosquadro 23 che à ̈ orientata in modo sostanzialmente radiale, e dal lato assialmente esterno dalla superficie conica 21 che si rastrema in direzione assialmente esterna. Al fine di procurare un accoppiamento anti-rotazione efficace tra il nucleo d’acciaio e il corpo esterno leggero, sono formate per forgiatura una pluralità di tacche radiali 28 nella superficie esterna del nucleo 15. Le tacche 28 sono angolarmente distanziate in modo uguale attorno all’asse centrale di rotazione x. Il tratto non-circolare 29 del nucleo che contiene le tacche 28 collabora con le superfici coniugate nel corpo esterno 16 così da procurare un elevato grado di bloccaggio reciproco che si oppone ai movimenti relativi tra il corpo esterno ed il nucleo in una direzione circonferenziale attorno all’asse di rotazione x.

La parte à ̈ progettata per essere fabbricata tramite operazioni di tornitura, che possono procurare solamente superfici conformate come solidi di rotazione. L’intersezione di un profilo tornito su forme non-circolari genera dei bordi che dovrebbero essere rimossi mediante una fresatrice 3D appositamente aggiunta. Al fine di evitare l’aggiunta della suddetta operazione di fresatura, il tratto a sezione non-circolare 29 che presenta le tacche 28 à ̈ ottenuto per forgiatura, mentre tutti gli altri contorni del nucleo devono essere ottenuti assoggettando il nucleo ad un’ulteriore fase di tornitura. Nella figura 5, il profilo tornito à ̈ illustrato in tratteggio, mentre le superfici forgiate sono illustrate a tratto pieno. Il processo di forgiatura conferisce alle parti delle tolleranze maggiori rispetto alla tornitura. Pertanto, al fine di conseguire un processo di tornitura efficiente in termini di tempo, occorre stabilire un punto di transizione tra le aree forgiata e tornita. La geometria della parte del nucleo da tornire à ̈ stabilita in modo tale che la linea di transizione 30 tra le superfici tornita e forgiata, generalmente caratterizzata da un bordo, sia collocata sul lato assialmente interno della superficie rastremata 21 e non sul raggio 31, dato che uno spigolo vivo sul raggio darebbe luogo ad un cuneo che esalterebbe la formazione di cricche nel materiale leggero del corpo esterno 16. Nelle figure 2 e 6 sono indicate con 34 delle porzioni prive di tacche del tratto 29 tra due tacche consecutive 28.

La superficie cilindrica 27 congiunge il tratto non-circolare 29 e la faccia in sottosquadro 23 e si estende circonferenzialmente attorno a tutto il nucleo 15. In assenza della superficie cilindrica 27, lo spallamento 26 esibirebbe una sfacciatura sul rovescio, la quale richiederebbe una fresatura 3D specifica per eliminare i bordi potenzialmente nocivi alla distribuzione degli sforzi. A causa della configurazione suddetta, una semplice operazione di tornitura conferisce alla transizione dall’area non assialmente simmetrica all’area assialmente simmetrica (della gola 22) un profilo liscio, procurando simultaneamente uno spallamento per la gola che si estende a 360°.

Come indicato sopra, il nucleo deve procurare delle superfici funzionali (le piste di rotolamento) atte a resistere agli sforzi derivanti dai contatti di rotolamento hertziani. Tali superfici sono localmente indurite, ad esempio mediante induzione e tempra, per raggiungere un’elevata durezza ed una specifica configurazione micro-strutturale. Il processo di tempra deve avere effetto solo su certe aree specifiche, come indicato nella figura 7, lasciando le aree circostanti in condizioni non indurite. Al fine di evitare la tempra passante, cioà ̈ uno stato indurito che si estende per tutto lo spessore radiale del nucleo tubolare, à ̈ richiesto uno spessore di inserto minimo MHT. Nella forma di realizzazione preferita, lo spessore minimo MHT di circa 5 cm si estende solo alla zona temprata attorno alle piste di rotolamento, come indicato nella figura 7 con il numero di riferimento 32. Al di fuori di queste aree, lo spessore à ̈ convenientemente ridotto da 2 a 2,5 volte il MHT, come indicato con 33, consentendo così di formare dei mezzi di bloccaggio (quali incavi e gole) nel nucleo e bilanciare il peso minimo possibile con il requisito della temprabilità.

Durante la rotazione degli anelli di cuscinetto, il profilo temprato deve essere radialmente uniforme. In altri termini, lo spessore della zona temprata deve essere costante attorno a tutti i 360° della rotazione, dato che tutti i settori vengono periodicamente influenzati dal massimo contatto hertziano. Le fasi di raffreddamento e riscaldamento durante il processo di tempra sono influenzati dallo spessore locale. Pertanto, nella forma di realizzazione preferita, il tratto non circolare 29, radialmente più spesso, à ̈ collocato quanto più possibile lontano dalle piste di rotolamento, così da non influenzare negativamente la tempra.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Anello flangiato di cuscinetto per la ruota di un veicolo a motore, dove l’anello (10) à ̈ fatto di due materiali diversi congiunti come un pezzo singolo, l’anello comprendendo: - un nucleo tubolare radialmente interno (15) che forma una pista di rotolamento assialmente interna (11) ed una pista di rotolamento assialmente esterna (12) avente un diametro della circonferenza minore della pista di rotolamento assialmente interna (11) attorno ad un asse centrale di rotazione (x), il nucleo presentando una superficie radialmente esterna ed essendo fatto di un primo materiale ad elevata tenacità; - un corpo radialmente esterno (16) che forma una flangia (17) che si estende in direzione radialmente esterna attorno al nucleo (15) ed à ̈ fatto di un secondo materiale più leggero del primo materiale; caratterizzato dal fatto che la superficie radialmente esterna del nucleo (15) include una superficie conica (21) che si rastrema in direzione assialmente interna, avente un profilo diritto, quando vista in sezione assiale, orientata in modo essenzialmente perpendicolare ad una linea mediana che taglia a metà la pista di rotolamento assial mente interna e che corrisponde alla retta d’azione della risultante (CF1) delle pressioni di contatto esercitate da una corona assialmente interna (13) di sfere di cuscinetto contro la pista di rotolamento assialmente interna (11).
2. 2. Anello di cuscinetto flangiato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la superficie rastremata in direzione assialmente interna (21) à ̈ tagliata a metà da detta linea mediana ed à ̈ collocata opposta alla pista di rotolamento assialmente interna (11) considerando la direzione di detta linea mediana.
3. 3. Anello di cuscinetto flangiato secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la flangia (17) che si estende in direzione radialmente esterna à ̈ formata ad un’estremità assialmente esterna dell’anello (10) caratterizzato dal fatto che il nucleo (15) presenta una porzione di estremità assialmente interna che forma una gola anulare (22) che si estende circonfernzialmente, e che almeno un lato della gola presenta una superficie in sottosquadro (23, 24).
4. 4. Anello di cuscinetto flangiato secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la gola (22) à ̈ formata con due sottosquadri affacciati assialmente (23, 24) che definiscono un giunto a coda di rondine con una nervatura complementare anulare (25), che si estende in direzione radialmente interna, ed à ̈ formata dal corpo esterno (16).
5. 5. Anello di cuscinetto flangiato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il nucleo (15) comprende uno spallamento (26) che sporge in direzione radialmente esterna e che à ̈ delimitato, dal proprio lato assialmente interno, dalla gola anulare (22), dal proprio lato assialmente esterno, dalla superficie (21) che si rastrema in direzione assialmente interna; lo spallamento sporgente (26) presentando inoltre un tratto noncircolare (29), assialmente intermedio tra la gola (22) e la superficie rastremata (21), e dove nel tratto non-circolare (29) sono formati recessi radiali che costituiscono mezzi anti-rotazione che cooperano con porzioni complementari formate dal corpo esterno (16).
6. 6. Anello di cuscinetto flangiato secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che lo spallamento sporgente (26) à ̈ delimitato radialmente verso l’esterno da una superficie cilindrica (27).
7. 7. Anello di cuscinetto flangiato secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la superficie rastremata (21) à ̈ tornita, e che il tratto non-circolare (29) non à ̈ tornito, per cui una linea di transizione circolare (30), definita tra le superfici tornita (21) e non tornita (29), à ̈ collocata fuori dalla superficie conica (21).
8. 8. Anello di cuscinetto flangiato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo spessore del nucleo (15) nelle zone delle piste di rotolamento (11, 12) Ã ̈ di almeno 5 mm, per cui le aree temprate attorno alle piste di rotolamento non si estendono attraverso tutto lo spessore del nucleo.