ITTO20130397A1 - Cinghia di trasmissione dentata a bassa rumorosita' - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“CINGHIA DI TRASMISSIONE DENTATA A BASSA RUMOROSITA'â€

SETTORE TECNICO

La presente invenzione à ̈ relativa ad una cinghia di trasmissione in particolare una cinghia di trasmissione dentata. Vantaggiosamente, la cinghia di trasmissione della presente invenzione presenta una dentatura elicoidale e preferibilmente à ̈ utilizzata nel sistema di servosterzo elettrico di veicoli.

STATO DELL’ARTE ANTERIORE

È un problema diffuso nell’utilizzo di cinghie di trasmissione dentate il fatto che generano rumore e vibrazioni, in particolare quando vengono movimentate ad un elevato numero di giri per minuto.

Il problema della rumorosità à ̈ oggetto di numerosi studi e differenti soluzioni tecniche, quali ad esempio quella di trattare il tessuto che ricopre la superficie di lavoro dentata con trattamenti a base di diverse sostanze chimiche.

Alternativamente à ̈ anche stato proposto di risolvere tale problema utilizzando denti elicoidali come ad esempio mostrato nella domanda di brevetto giapponese JP4-330853 per diminuire la rumorosità nella fase di ingranamento dei denti sulla puleggia. Tuttavia in dispositivi di trasmissione del moto che richiedono un grande carico o una elevata velocità di rotazione (ad esempio tra 1500 e 4500 rpm o giri per minuto) la riduzione del rumore che si ottiene utilizzando semplicemente cinghie elicoidali non à ̈ sufficiente.

È noto anche dalla pubblicazione “Noise and life of Helical Timing belt drives†in Journal of Mechanical Design, pag. 275, Vol. 121, giugno 1999, che per diminuire la rumorosità à ̈ opportuno utilizzare una cinghia elicoidale per la trasmissione di moto tra una cinghia dentata elicoidale ed una puleggia dentata elicoidale in cui definendo

Pt il passo del dente

Î ̃ l’angolo a elica del dente

e W la larghezza della cinghia,

Î ̃ sia compreso tra -0,2≤1-W.tan/Pt≤0,75.

In particolare nell’articolo summenzionato à ̈ stato dimostrato che all’interno di tale range la rumorosità à ̈ inferiore. Ancor più in particolare à ̈ stato dimostrato che la rumorosità à ̈ minore quando l’angolo Î ̃ à ̈ di 10° rispetto a quando à ̈ di 5°.

Dal brevetto EP1614933 à ̈ inoltre noto che all’interno dell’intervallo di angolo Î ̃ sopra descritto e ampiamente discusso nel precedente articolo risultano meno rumorose le cinghie elicoidali in cui il gioco sia compreso tra 1,6% e 3%, dove il gioco à ̈ definito come la distanza (D) tra il dente della puleggia ed il dente della cinghia ad una posizione lungo l’arco C, in cui l’arco C à ̈ un arco che passa attraverso il punto che à ̈ distante dalla linea di base (B) per metà dell’altezza del dente ed il suo centro coincide con il centro della puleggia.

Anche utilizzando tutti tali insegnamenti non si à ̈ però ancora riusciti a realizzare una cinghia dentata che sia in grado di avere veramente una rumorosità bassa ad elevati regimi di funzionamento.

In particolare il problema della elevata rumorosità à ̈ sentito nel campo degli autoveicoli, ancor più in particolare nel dispositivo di servosterzo elettrico automatico degli autoveicoli.

Il problema della rumorosità in questa particolare applicazione à ̈ particolarmente sentito alle alte frequenze quando il rumore generato dall’ingranamento della cinghia sulla puleggia risulta superiore a quello generato dai dispostivi circostanti e conseguentemente l’utilizzatore avverte proprio la rumorosità della cinghia.

È stato infatti verificato che la rumorosità generata dalle cinghie attualmente in commercio può essere superiore alla soglia critica oltre la quale l’utilizzatore del veicolo individua la cinghia come l’origine della rumorosità.

Generalmente la rumorosità maggiore si verifica inoltre in coincidenza con le condizioni di risonanza ed in particolare del 1°, 2° e 3° modo di risonanza.

I regimi di risonanza vengono calcolati utilizzando le seguenti formule:

Frequenza propria di vibrazione di ramo

T

f _ vibrazione =

t2Cp

4*ML* L 

 

ï£ 1000ï£ ̧

dove:

T = tensione ramo cinghia [N]

ML = massa lineica [g/mm]

Lt = lunghezza ramo teso [mm]

Cp = coeff. correttivo determinato sperimentalmente, in particolare viene determinato misurando la frequenza propria a diverse tensione note per ogni massa lineica e lunghezza ramo.

Per massa lineica si intende nel presente testo la densità lineare detta anche massa lineare o impropriamente anche peso lineare, la quale à ̈ una misura di massa per unità di lunghezza.

Inoltre occorre misurare la frequenza di ingranamento (f-ingranamento), la quale à ̈ data dalla formula:

ω

<f _ingranamento = â‹…z>motrice 60

dove

ω = velocità puleggia motrice [rpm]

Zmotrice = numero denti puleggia motrice.

Quando la frequenza di ingranamento uguaglia la frequenza propria di vibrazione ramo si verifica la condizione di risonanza, 1° modo.

Per calcolare il regime di velocità in cui si verifica tale fenomeno basta imporre f_vibrazione = f_ingranamento.

A velocità multiple di quella calcolata si verificheranno il 2° (2ω) e il 3° (3ω) modo.

Si à ̈ quindi alla ricerca di una soluzione che permetta di abbassare la rumorosità ad alte frequenze, in particolare in coincidenza dei valori di risonanza, senza dover apportare modifiche all’intero sistema di trasmissione, ma solo alla cinghia.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ la realizzazione di una cinghia dentata che, in uso, produca mediamente una bassa rumorosità e che produca in particolare una bassa rumorosità alle frequenze normalmente più rumorose ovvero in corrispondenza dei valori di risonanza.

Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ la realizzazione di un sistema di trasmissione del moto includente una puleggia dentata ed una cinghia di trasmissione dentata, il quale consenta di risolvere i problemi sopra esposti.

Un’ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ un gruppo servosterzo di un autoveicolo comprendente un sistema di trasmissione del moto includente una puleggia dentata ed una cinghia dentata.

Il suddetto scopo à ̈ raggiunto da una cinghia secondo la rivendicazione 1 e da un sistema di trasmissione secondo la rivendicazione 13.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

- la figura 1 à ̈ una vista schematica e parziale di una sezione laterale lungo l’asse I di una porzione di una cinghia dentata realizzata secondo la presente invenzione;

- la figura 2 à ̈ una sezione sull’asse B-B della Figura 1; e

- la figura 3 à ̈ uno schema per il calcolo dell’angolo d’elica della cinghia di figura 1 e 2; e

- la figura 4 à ̈ uno schema delle condizioni di misura del test di rumorosità.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1 à ̈ indicata nel suo complesso con 1 una cinghia dentata. La cinghia 1 comprende un corpo 2 in materiale elastomerico, nel quale à ̈ annegata una pluralità di inserti resistenti 3 filiformi longitudinali o cord. Il corpo 2 presenta una prima faccia provvista di una dentatura 4 la quale à ̈ rivestita da un tessuto 5 di ricoprimento ed una seconda faccia o dorso 6 della cinghia.

Preferibilmente il corpo 2 à ̈ realizzato in una mescola costituita da uno o più elastomeri, che sono indicati complessivamente per comodità come “primo materiale elastomerico†.

Secondo una forma di realizzazione preferita la cinghia presenta una dentatura 4 elicoidale.

Nelle figure da 1 a 3 sono indicati con:

H= Altezza dente

P= Passo della cinghia (mm)

Wt= Spessore falda

W= Larghezza cinghia

Ɵ= Angolo d’elica

Posto che :

à ̈ stato sorprendentemente trovato che q uando D à ̈ compreso tra 60 e 250, la cinghia presenta una rumorosità minore, in particolare in corrispondenza dei valori di risonanza e permette quindi di risolvere i problemi sopra descritti come dimostrato anche dagli esempi.

Se il valore di D à ̈ sotto 60 la cinghia presenta una elevata rumorosità, mentre sopra i 250 la cinghia presenta una geometria che non permette più di adattarla agli attuali sistemi di trasmissione , in particolare ai sistemi servosterzo, perché risulta generalmente troppo spessa.

Mediamente maggiore à ̈ il valore di D migliore à ̈ il risultato in termini di abbassamento della rumorosità, ma sempre più lontana dall’ottimale à ̈ la geometria della cinghia.

Sono pertanto ulteriormente preferiti i valori tra 100 e 220 dove à ̈ possibili ottenere valori ottimali in termini di bassa rumorosità e corretta geometria della cinghia.

Vantaggiosamente lo spessore falda Wtà ̈ compreso tra 0,7 e 3 mm, più vantaggiosamente tra 1,4 e 2,7 mm.

Vantaggiosamente il passo à ̈ compreso tra 1,5 e 3,5 mm, più vantaggiosamente tra 1,8 e 2,5 mm.

Vantaggiosamente l’altezza dente à ̈ compresa tra 0,50 e 1,00 mm, più vantaggiosamente tra 0,60 e 0,80 mm.

È stato inoltre trovato che preferibilmente la larghezza à ̈ compresa tra 20 e 40 mm, più vantaggiosamente fra 25 e 35 mm.

Il primo materiale elastomerico costituente il corpo della cinghia vantaggiosamente comprende come elastomero principale, ovvero presente per più del 50% in peso, un elastomero scelto nel gruppo costituito da gomma naturale, policloroprene, acrilonitrilebutadiene (NBR) e relativi elastomeri idrogenati noti come acrilonitrilebutadiene idrogenato (HNBR) o sali di zinco di acrilonitrilebutadiene idrogenato graffato con esteri dell’acido carbossilico insaturo, poliisoprene, gomme stirene-butadiene, elastomeri etilen-alfa-olefine, EPDM, poliuretano, fluoro elastomeri, elastomeri etilen-acrilici (AEM), bromo butile, politene clorosolfonato (CSM) oppure alchil-clorosolfonato, politene clorurato, gomma naturale epossidata, SBR, NBR carbossilati, HNBR carbossilati , ACM e miscele di questi composti.

Il primo materiale elastomerico à ̈ ancor più preferibilmente costituito da uno o più copolimeri formati a partire da un monomero contenente gruppi nitrile e da un diene in cui i monomeri contenente i gruppi nitrile sono in una percentuale compresa vantaggiosamente tra il 33 ed il 50 % in peso rispetto alla totalità dei copolimeri finali.

Per “primo materiale elastomerico à ̈ essenzialmente costituito†si intende che piccole percentuali di altri polimeri o copolimeri possono essere aggiunti al primo materiale elastomerico senza influenzare negativamente la compatibilità chimica tra la mescola di corpo e gli altri elementi costituenti la cinghia dentata e quindi senza uscire dall’ambito della presente invenzione.

Più vantaggiosamente il o i copolimeri utilizzati sono acrilonitrile butadiene idrogenato o HNBR, eventualmente in miscela con elastomeri di etilene alfa-olefine, quali EPR o EPDM.

Vantaggiosamente l’HNBR utilizzato à ̈ ad alto grado di idrogenazione, ad esempio possono essere utilizzati HNBR cosiddetti completamente saturati e quindi aventi una percentuale di doppi legami residua al più dello 0,9 %, ma alternativamente possono anche essere utilizzati HNBR a minor grado di insaturazione quali, ad esempio, HNBR aventi un grado di saturazione del 4 % o del 5,5%, cosiddetti parzialmente saturati.

Alcuni esempi di copolimeri HNBR utilizzabili come mescola di corpo, ma anche nei differenti trattamenti dei vari elementi costituenti la cinghia dentata, sono i copolimeri appartenenti alla famiglia dei THERBAN prodotti da Lanxess. Alternativamente à ̈ anche possibile utilizzare gli HNBR prodotti da Nippon Zeon con il nome di ZETPOL.

La mescola nel primo materiale elastomerico può comprendere inoltre additivi convenzionali come, ad esempio, agenti di rinforzo, cariche, pigmenti, acido stearico, acceleratori, agenti di vulcanizzazione, antiossidanti, attivatori, iniziatori, plastificanti, cere, inibitori di prevulcanizzazione, antidegradanti, oli di processo e simili.

Vantaggiosamente, come carica può essere adoperato nerofumo, che à ̈ vantaggiosamente aggiunto in quantità comprese tra 0 e 80 phr, più vantaggiosamente circa 40 phr.

Vantaggiosamente vengono aggiunte cariche chiare rinforzanti come talco, carbonato di calcio, silice e silicati in quantità vantaggiosamente compresa tra 0 e 80 phr, vantaggiosamente circa 40 phr. Si possono inoltre vantaggiosamente utilizzare silani in quantità comprese tra 0 e 5 phr.

Vantaggiosamente vengono aggiunti ossidi di zinco e magnesio in una quantità vantaggiosamente compresa tra 0 e 15 phr.

Vantaggiosamente vengono aggiunti plastificanti esterei come i trimellitati o esteri eteri in una quantità vantaggiosamente compresa tra 0 e 20 phr.

Vantaggiosamente vengono aggiunti coagenti di vulcanizzazione come i triallilcianurati, metacrilati organici o inorganici come sali di metalli in una quantità vantaggiosamente compresa tra 0 e 20 phr o perossidi organici come ad esempio isopropil benzen perossido in una quantità vantaggiosamente compresa tra 0 e 15 phr.

Vantaggiosamente la mescola in materiale elastomerico comprende inoltre fibre di rinforzo, più vantaggiosamente in una quantità compresa tra 2 e 40 phr, ancor più vantaggiosamente 20 phr. Vantaggiosamente le fibre di rinforzo presentano una lunghezza compresa tra 0,1 e 10 mm.

L’utilizzo di fibre permette di incrementare ulteriormente le caratteristiche meccaniche della mescola costituente il corpo.

Vantaggiosamente le fibre di rinforzo sono a base di poliammidi aromatiche, vantaggiosamente paramidi, ad esempio possono essere vantaggiosamente utilizzate fibre di Technora© che possono essere aderizzate alla mescola mediante un trattamento a base di RFL, acronimo di un lattice di resorcina e formaldeide. Ad esempio il lattice utilizzato può essere a base di VP-SBR ovvero un copolimero di vinilpiridina-stirene-butadiene.

Si sono dimostrate particolarmente efficaci fibre aramidiche, come ad esempio fibre di Technora della Teijn della lunghezza di 1 mm.

Il tessuto 5 di ricoprimento della dentatura 4 o l’eventuale tessuto 7 di ricoprimento del dorso 6 possono essere costituiti da uno o più strati e possono essere ottenuti tramite diverse tecniche di tessitura, ad esempio, mediante la tecnica di tessitura nota come 2x2 twill.

Preferibilmente il tessuto 5 di ricoprimento della dentatura 4 e il tessuto 7 di ricoprimento del dorso 6 sono uguali.

Il tessuto 5 di ricoprimento può essere anche ottenuto secondo modalità di tessitura che permettano di ottenere almeno una superficie ruvida per migliorare l’adesione meccanica.

Il tessuto 5 di ricoprimento dei denti comprende vantaggiosamente poliammide alifatica o aromatica, più vantaggiosamente poliammide alifatica in particolare nylon 6.

La cinghia della presente invenzione à ̈ preferibilmente una cinghia dentata e ancor più preferibilmente una cinghia dentata elicoidale.

È stato verificato che cinghie dentate con un angolo d’elica É· compreso tra 1° e 15°, ancor più preferibilmente tra 5° e 10°, permettono di ottenere una rumorosità particolarmente bassa.

È stato verificato sperimentalmente che le cinghie secondo la presente invenzione presentano una rumorosità bassa in particolare quando presentano una dentatura elicoidale e sono utilizzate nel sistema servosterzo di autoveicoli.

Il sistema servosterzo comprende preferibilmente un sistema comprendente una puleggia motrice ed una puleggia condotta. Preferibilmente la puleggia motrice à ̈ collegata a motore elettrico, mentre la puleggia condotta à ̈ più grande e insiste nella sua posizione centrale su una vite senza fine a ricircolo di sfere senza gioco.

Da un esame delle caratteristiche della cinghia dentata 1 realizzata secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che essa consente di ottenere.

L’utilizzo di una cinghia dentata secondo la presente invenzione permette di avere una rumorosità bassa anche agli alti regimi ed in particolare alle frequenze di risonanza in modo da risolvere i problemi sopra descritti.

La cinghia dentata secondo la presente invenzione verrà ora descritta anche tramite esempi senza per questo che sia limitata ad essi.

ESEMPIO 1

Sono state misurate tre cinghie dentate 1-3 aventi le caratteristiche riportate in tabella 1.

Tabella 1

Cinghia 1 Cinghia 2 Cinghia 3 T 350 N 350 N 350 N

ML 0,035 g/mm 0,115 g/mm 0,037 g/mm Lt 72,989 mm 72,989 mm 72,989 mm Cp 40 33 40 Zmotrice 51 51 51

Altezza dente 0,70 mm 0,70 mm 0,70 mm

W 28 28 28

Wt0,66 mm 2,71 0,68

P 2,008 2,008 2,008 f_vibrazione 725 Hz 410 Hz 706 Hz

ω1 853 rpm 482 rpm 830 rpm dB(A) 72 47 71

ω2 = 2 x ω1 1706 rpm 964 rpm 1661 rpm dB(A) 69 52 67

ω3 = 3 x ω1 2559 rpm 1446 rpm 2490 rpm dB(A) 80 57 75

D D=47 D = 192 D=48 Angolo d’elica 5° 5° 5°

In tabella 1 sono riportati i valori di risonanza ω con il relativo valore di rumorosità nella riga successiva rilevato a quella frequenza di risonanza e misurato alla condizioni riportate in tabella 2. Il valore di rumorosità à ̈ dato in dB(A).

Come si può notare dai valori di ω1, ω2 e ω3 i valori di rumorosità dB(A) alle tre lunghezze di risonanza sono molto inferiori per la cinghia 2 con un valore D di 192 piuttosto che per le cinghie 1 e 3, dove il valore di D à ̈ rispettivamente di 47 e 48 e quindi comunque al di sotto dell’intervallo rivendicato.

In particolare i valori di rumorosità rilevati alle diverse frequenza di risonanza per la cinghia 2 secondo l’invenzione sono sempre inferiori a 60 dB(A) in queste condizioni di misurazione della rumorosità. Tale valore à ̈ quello sotto il quale il rumore generato dalla cinghia non à ̈ sentito dall’utilizzatore.

Il metodo di misura del valore di rumorosità in dB(A) à ̈ illustrato in figura 4 dove viene illustrato un sistema di trasmissione con due pulegge indicate con Z51 e Z123 dal relativo numero di denti. Con MIC viene indicato il microfono e la relativa distanza di misurazione dalla puleggia à ̈ sempre indicata in figura 4.

In tabella 2 sono indicate ulteriori condizioni di misura per l’esecuzione del test di rumorosità da cui si ottengono i valori di ω riportati nella tabella 1.

È da notarsi che à ̈ stato verificato che il profilo dente e l’angolo di elica non influiscono sui valori relativi tra le misurazioni alle diverse frequenze di risonanza, mentre chiaramente influiscono sulla misurazione assoluta del valore ad un determinato valore di risonanza.

Per poter rendere le misure confrontabili quindi le cinghie misurate sono realizzate a parità di profilo dente, angolo di elica e materiali che ne costituiscono il corpo.

Tabella 2

Cinghia 166 denti

Larghezza cinghia 28 mm

Rampup 100 – 3000 rpm (driver pulley)

Tempo di Rampup 120 s

Temperatura 20°C

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cinghia dentata di trasmissione, in cui Dati P= Passo della cinghia (mm) Wt= Spessore falda (mm) H= Altezza dente (mm) e D = . caratterizzata dal fatto che D Ã ̈ compreso tra 60 e 250.
2. 2. Cinghia dentata secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che D Ã ̈ compreso tra 100 e 220.
3. 3. Cinghia dentata secondo le rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che lo spessore falda Wtà ̈ compreso tra 0,7 e 3.
4. 4. Cinghia dentata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che lo spessore falda Wtà ̈ compreso tra 1,4 e 2,7 mm.
5. 5. Cinghia dentata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il passo P Ã ̈ compreso tra 1,5 e 3,5 mm
6. 6. Cinghia dentata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzata dal fatto che il passo P Ã ̈ compreso tra 1,8 e 2,5 mm.
7. 7. Cinghia dentata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la larghezza à ̈ compresa tra 20 e 40 mm
8. 8. Cinghia dentata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la larghezza à ̈ compresa tra 25 e 35 mm.
9. 9. Cinghia dentata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che l’altezza dente à ̈ compresa tra 0,50 e 1,00 mm.
10. 10. Cinghia dentata secondo una qualsiasi delle rivendicazione precedenti, caratterizzata dal fatto che la dentatura à ̈ elicoidale.
11. 11. Cinghia dentata secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che detta dentatura elicoidale presenta un angolo di elica compreso tra 1° e 15°.
12. 12. Cinghia dentata secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto che detta dentatura elicoidale presenta un angolo di elica compreso tra 5° e 10°.
13. 13. Uso di una cinghia dentata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12 in un sistema servosterzo di un autoveicolo.
14. 14. Sistema di trasmissione per il servosterzo di un veicolo comprendente almeno una puleggia collegata ad un motore elettrico ed una cinghia secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12.