ITTO970721A1

ITTO970721A1 - Procedimento per la realizzazione di un gruppo di stantuffo.

Info

Publication number: ITTO970721A1
Application number: IT97TO000721A
Authority: IT
Inventors: William K Engel; Michael H Hinrichsen; Howard Savage; Donald H Sherman; Kenneth R Watts
Original assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 1999-02-07
Also published as: IT1293684B1; DE19734217A1; US5724733A; JPH1078131A

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

«PROCEDIMENTO PER LA REALIZZAZIONE DI UN GRUPPO DI STANTUFFO»

Campa Tecnico

La presente invenzione riguarda generalmente un gruppo di stantuffo per l'impiego in un dispositivo di traslazione di fluido, come una pompa idraulica o un motore e, più particolarmente, la connessione degli elementi del gruppo di stantuffo.

Tecnica di Sfondo

Gruppi di stantuffi normalmente impiegati in pompe idrauliche o motori idraulici sono fatti di acciaio e temprati per aumentare la loro vita utile rispetto all'usura. Nei gruppi di pistoni noti, un pattino è collegato girevolmente al pistone in modo tale che una parte può ruotare rispetto all'altra. In questi gruppi di pistoni, una cavità sferica è definita in uno degli elementi ed una pallina sferica è disposta sull'altro elemento. In seguito ad assemblaggio, la pallina sferica è posizionata nella cavità sferica e ritenuta meccanicamente in essa. Nella maggior parte delle connessioni meccaniche note, una porzione dell'elemento avente la cavità sferica è forzata per avvolgersi attorno ad una porzione della pallina sferica che non si trova in contatto con la cavità sferica. Questa connessione meccanica è atta a consentire al pattino di ruotare rispetto al pistone durante l'uso. Tuttavia, queste connessioni meccaniche note hanno come conseguenza la riduzione della lunghezza di contatto effettiva dello stantuffo o pistone entro il foro del rotore in cui esso scorre rispetto al pattino. Conseguentemente, al fine di avere uno stantuffo presentante una lunghezza di scorrimento sufficientemente grande da ridurre le perdite e fornire un'uscita volumetrica efficace, è necessario aumentare la lunghezza totale del dispositivo di traslazione di fluido. Per aumentare la lunghezza di contatto effettiva dello stantuffo e ridurre la lunghezza totale del gruppo dello stantuffo, è già noto impiegare un anello elastico per ritenere una testa sferica dello stantuffo entro una cavità ad una estremità dello stantuffo stesso. Anche se questa disposizione nota fa aumentare la lunghezza di contatto effettiva dello stantuffo, essa consente molte volte un certo grado di movimento longitudinale tra il pattino ed il pistone. Inoltre, poiché l'anello elastico deve essere diviso al fine di consentire il suo assemblaggio, la sua effettiva ritenzione è limitata poiché non vi è contatto per il 100% tutto attorno alla pallina sferica. Addizionalmente, poiché spazio deve essere previsto per l'anello elastico, le dimensioni relative della pallina sferica e/o della cavità determinano una riduzione nella resistenza totale della connessione meccanica .

La presente invenzione riguarda il risolvere uno o più dei problemi illustrati precedentemente .

Divulgazione dell’Invenzione

In un aspetto della presente invenzione, è fornito un procedimento per produrre un gruppo di stantuffo. Il gruppo di stantuffo ha uno stantuffo collegato meccanicamente ad un pattino ed è adatto per l'impiego in un dispositivo di traslazione di fluido come una pompa idraulica o un motore idraulico avente un cilindro con un foro definito in esso per ricevere scorrevolmente lo stantuffo.

Le fasi includono il formare il pattino con una pallina sferica disposta ad una estremità; formare lo stantuffo avente una porzione di corpo con una superficie esterna avente un tratto cilindrico ed una porzione di collegamento disposta ad una estremità, la porzione di collegamento avendo una cavità definita in essa con una superficie di fondo sferica distanziata da detta una estremità, una gola definita nella porzione di estremità entro la cavità tra la superficie di fondo sferica e detta1una estremità, ed una porzione profilata avente una superficie interna ed una superficie esterna sporgente verso l'esterno oltre la superficie esterna del corpo dello stantuffo tra il fondo della cavità e detta una estremità; inserire la pallina sferica del pattino nella cavità del pistone per contattare la superficie di sfondo sferica; forzare la porzione profilata della porzione di connessione verso l'interno per spostare la superfid e interna di essa in contatto di scorrimento con una porzione della pallina sferica per fissare la pallina sferica entro la cavità e per allineare sostanzialmente longitudinalmente la superficie esterna di essa con la superficie esterna del corpo dello stantuffo; indurire la superficie esterna dello stantuffo lungo la sua intera lunghezza ad una profondità e ad una durezza predeterminate; e finire la superficie esterna dello stantuffo lungo la sua intera lunghezza ad una dimensione predeterminata.

La presente invenzione fornisce un procedimento che produce una gruppo di stantuffo che è di lunghezza totale più corta poiché la superficie cilindrica dello stantuffo si estende oltre il punto di collegamento con la pallina sferica. Il contatto di scorrimento effettivo della superficie esterna dello stantuffo che si trova strettamente vicino all'altra estremità del pattino consente alla lunghezza totale della pompa o del motore di risultare minore mantenendo al tempo stesso ancora elevata uscita volumetrica con perdita minima tra la superficie esterna del pistone e il foro del cilindro e mantenendo una robusta connessione meccanica.

Breve Descrizione dei Disegni

La Fig. 1 è una rappresentazione schematica di un gruppo di stantuffo prodotto mediante una forma di realizzazione della presente invenzione;

la Fig. 2 è una rappresentazione schematica di un elemento del gruppo di stantuffo di Fig. 1;

la Fig. 3 è una rappresentazione schematica di un altro elemento del gruppo di stantuffo di Fig. 1 prima dell'assemblaggio;

la Fig. 4 è una rappresentazione schematica degli elementi del gruppo di stantuffo che sono collegati;

la Fig. 5 è una rappresentazione schematica del gruppo di stantuffo successivamente al collegamento;

la Fig. 6 è una vista ingrandita di una porzione del gruppo di stantuffo di Fig. 4;

la Fig. 7 è una vista ingrandita di una porzione del gruppo di stantuffo di Fig. 5; e la Fig. 8 è una rappresentazione schematica di una macchina atta a finire la superficie esterna del gruppo di stantuffo.

Modo Migliore per Attuare L’invenzione

Facendo riferimento ai disegni e, più particolarmente alle Fig. 1-3, in esse è illustrata una porzione di una pompa idraulica o di una motore idraulico 10 e include una porzione di un cilindro 12 avente un foro 14 definito attraverso di esso, un gruppo di stantuffo 16 avente un pattino 18 ed uno stantuffo 20, una porzione di un disco inclinato 22 ed una porzione di un elemento 24 di ritenzione del pattino. Anche se sono illustrati solamente un foro 14 ed un gruppo di stantuffo 16, è riconosciuto che in pompe o motori noti sono richiesti più di un foro e di un gruppo di stantuffo 16. Ad esempio, la maggior parte delle pompe e dei.motori del tipo a stantuffi hanno normalmente o cinque, sette o nove fori 14 nel cilindro 12 con rispettivi gruppi di stantuffi 16 associati'scorrevolmente con essi.

Il pattino 18 ha una pallina' sferica 30 disposta ad una estremità di esso ed una porzione scorrevole 32 in corrispondenza dell'altra estremità di esso collegata mediante una porzione ristretta 34. La porzione ristretta 34 ha sezione trasversale inferiore alla sezione trasversale massima della pallina sferica 30. La porzione di estremità scorrevole 32 è atta a trovarsi in contatto di scorrimento con il disco inclinato 22 ed è mantenuta in contatto con esso, parzialmente, mediante l'elemento di ritenzione 24 del pattino.

La Fig. 3 illustra lo stantuffo 20 nella sua sagoma formata prima di essere collegato meccanicamente al pattino 18. Il pistone 20 include una porzione di corpo 36 avente una superficie cilindrica esterna 38 che si estende lungo la lunghezza longitudinale di esso e una porzione di collegamento 40 disposta ad una estremità. La porzione di collegamento 40 include una cavità 42 avente una superficie di fondo sostanzialmente sferica 44 ed è definita nello stantuffo 20 estendentesi verso l'interno da detta una estremità, una gola 46 avente una superficie di fondo 48 e essendo definita nella porzione di collegamento 40 posizionata entro la cavità 42 tra la superficie sferica di fondo 44 e detta una estremità, ed una porzione profilata 50 disposta generalmente adiacente a detta una estremità. Si comprenderà che la superficie di fondo 44 potrebbe essere una superficie sferica effettiva senza allontanarsi dall'essenza della presente invenzione.

La porzione profilata 50 include una superficie interna 52 ed una superficie esterna angolata 54. La superficie interna 52 è posizionata sulla porzione profilata 50 entro la cavità 42 tra la gola 46 e detta una estremità. La superficie interna 52 è una superficie conica e ha un diametro maggiore del diametro della pallina sferica 30. La superficie angolata esterna 54 è una superficie conica posizionata sul lato più esterno della porzione profilata 50 e sporge verso l'esterno con un certo angolo rispetto la superficie cilindrica esterna 38 del corpo 36 dello stantuffo. Nella presente disposizione, la superficie esterna 54 della porzione profilata 50 ha una prima superficie 56 che è angolata ad approssimativamente nove gradi rispetto alla superficie esterna 38 ed una seconda superficie 58 che è angolata ad approssimativamente quindici gradi rispetto alla superficie esterna 38. La prima superficie 56 ha un vertice sulla superficie esterna 38 in corrispondenza di una posizione generalmente tra il fondo della cavità 42 e l'inizio della gola 46. La seconda superficie 58 ha un vertice sulla prima superficie angolata 56 in corrispondenza di una posizione generalmente a livello con il punto intermedio della gola 46. Facendo riferimento alle Fig. 4-6, il gruppo 16 dello stantuffo è qui illustrato durante le varie fasi di produzione del gruppo stesso. Come è illustrato in Fig. 4, la porzione d'estremità scorrevole 32 del pattino 18 è posizionata su un meccanismo blocco di supporto 60 ed il pistone 50 è posizionato in maniera tale che la pallina sferica 30 del pattino 18 si trova in contatto con la superficie di fondo sferica 44 entro la cavità 42. Un meccanismo a matrice 62 è previsto per collegare meccanicamente lo stantuffo o pistone 20 al pattino 18. Il meccanismo a matrice 62 include una camera formata 64 avente un foro 65 con una superficie interna 66 ed una porzione formata 68. La superficie interna 66 è una superficie cilindrica avente un diametro di dimensioni sufficienti a ricevere scorrevolmente lo stantuffo 20 in essa.

La porzione formata 68 è angolata verso l'esterno rispetto alla superficie interna 66 e include una superficie angolata 70 avente una prima e seconda superfici 72, 74. La prima superficie 72 ha un vertice sulla superficie interna 66 e forma un angolo con essa di approssinativamente nove gradi. La seconda superficie 74 ha un vertice sulla prima superficie 72 e forma un angolo con la superficie interna 66 di approssimativamente quindici gradi. Quando lo stantuffo 20 è ricevuto nel foro 65 della camera formata 64, la porzione formata 68 del meccanismo a matrice 62 contatta intimamente la superficie angolata esterna 54 della porzione profilata 50 dello stantuffo 20.

Prima di posizionare la cavità 42 dello stantuffo 20 sulla pallina sferica 30, un lubrificante è depositato sugli elementi di contatto per ridurre la tendenza al grippaggio o alla rigatura degli elementi durante l'impiego. Analogamente, un lubrificante è depositato entro la camera formata 64 del meccanismo ‘a matrice 62 e la superficie angolata esterna 54 della porzione profilata 50 per ridurre la tendenza alla rigatura o grippaggio delle superiici durante l'operazione di formatura.

Le Fig. 6-7 meglio illustrano i particolari della porzione formata 68 del meccanismo a matrice 62 e della porzione profilata 50 dello stantuffo 20. La Fig. 6 illustra i particolari prima che sia realizzato il collegamento meccanico e la Fig. 7 illustra i particolari dopo la realizzazione del collegamento meccanico.

La Fig. 8 illustra una macchina, come ad esempio una macchina rettificatrice 76 senza centri avente una mola 78 che è impiegata dopo il trattamento termico del gruppo 16 dello stantuffo per finire l'intera superficie esterna 38 dello stantuffo 20.

Si comprenderà che varie forme della presente disposizione potrebbero essere utilizzate senza allontanarsi dall'essenza dell'invenzione. Ad esempio, la rispettiva superficie angolata esterna 54 dello stantuffo e della porzione formata 58 del meccanismo a matrice 62 potrebbe essere una linea retta oppure una curva continua invece che avere le due superfici'diverse ad angoli diversi. Analogamente, tutto il meccanismo a matrice 62 potrebbe avere varie sagome o strutture diverse da quella illustrata. La forza richiesta per spostare il meccanismo a matrice 62 rispetto al meccanismo a blocco di supporto 60 potrebbe essere applicata in qualsiasi modo noto, come ad esempio una pressa meccanica, un'apparecchiatura idraulica o qualsiasi altro meccanismo di trasferimento di forze.

Applicabilità Industriale

Nella formazione del pattino 18, il materiale è termotrattato per condizionare la microstruttura di esso per il successivo indurimento superficiale, finito a sgrossatura a dimensioni, e lucidato o rettificato alle dimensioni finali. Lo stantuffo 20 è formato mediante lavorazione meccanica del corpo 36 dello stantuffo a dimensioni finite a sgrossatura e lavorazione meccanica della superficie angolata esterna 54 della porzione profilata 50 al suo angolo e alle sue dimensioni predeterminate. La cavità 42 entro la porzione di estremità di collegamento 40 è lavorata meccanicamente alla sua sagoma desiderata con la superficie di fondo sferica 44 formata, la gola 46 formata e appropriatamente posizionata rispetto al fondo della cavità 42. La superficie interna 53 della porzione profilata 50 è lavorata a dimensioni tali da consentire alla pallina sferica 30 di passare attraverso di essa. La superficie di sfondo sferica 44 è lucidata o rettificata alle sue dimensioni finite per adattarsi sostanzialmente alle dimensioni della pallina sferica 30.

Prima di eseguire la fase di collegare meccanicamente il pattino 18 e lo stantuffo 20, come si è indicato precedentemente, è vantaggioso applicare un lubrificante alle superfici coniugate appropriate per impedire grippaggio o rigatura degli elementi e per ridurre la forza richiesta per far sì che il materiale nello stantuffo 20 abbia a variare di sagoma e/o di posizione. Durante la fase di collegamento meccanica, il pattino 18 è posizionato sul blocco di supporto 60 con la cavità 42 dello stantuffo 20 posizionata in posizione sulla pallina sferica 30 in modo tale che la pallina sferica 30 si trova in contatto con la superficie di fondo sferica 44 dello stantuffo 20. Il meccanismo a matrice 62 viene spostato in posizione per ricevere lo stantuffo 20 nella camera formata 64 in modo tale che la porzione profilata 40 dello stantuffo 20 si accoppia con la porzione formata 68 del meccanismo a matrice 62. Una forza è applicata al meccanismo a matrice 62 così da spostarlo verso il meccanismo 60 a blocco di supporto. Durante il movimento del meccanismo a matrice 62, la porzione formata 68 forza la porzione profilata 50 sostanzialmente radialmente verso l'interno. Quando la porzione profilata 50 viene forzata verso l'interno, il materiale tra la superficie di fondo 48 della gola 46 e la superficie angolata esterna 54 scorre per consentire flessione della porzione profilata 50 rispetto al corpo 36 dello stantuffo. Quando il meccanismo a matrice 62 continua il suo movimento verso il meccanismo a blocco di supporto 60, la superficie interna 52 della porzione profilata 50 si avvicina maggiormente alla pallina sferica 30d del pattino 18. A causa delle dimensioni controllate della porzione profilata 50, quando il meccanismo a matrice 62 si è spostato alla sua posizione estrema com'è illustrato nelle Fig. 5 e 7, la superficie interna 52 della porzione profilata 50 si trova in stretta intima prossimità con la pallina sferica'30 e la superficie angolata esterna 54 della porzione profilata 50 si trova in allineamento longitudinale sostanziale con la superficie esterna 38 del corpo 36 dello stantuffo. Quando la superficie interna 52 si trova in stretta intima prossimità con la pallina sferica 30, la pallina sferica 30 è fissata nella cavità 42 ed è in grado di oscillare o ruotare rispetto allo stantuffo 20.

Successivamente alla fase di collegamento meccanica, 1l'intera superficie esterna dello stantuffo 20 che include la superficie esterna 38 del corpo 36 dello stantuffo e la superficie angolata esterna 54 della porzione profilata 50 è termotrattata ad una durezza e profondità predeterminate .

Successivamente al termotrattamento dell'intera superficie esterna dello stantuffo 20, l'intera superficie di esso è rettificata a dimensioni finite mediante la macchina rettificatrice 76.

Poiché la superficie angolata esterna 54 si estende oltre il punto centrale della pallina sferica 30 e le dimensioni finite della superficie angolata esterna sono uguali alle dimensioni finite della superficie esterna 38 del corpo 36 dello stantuffo, la lunghezza totale del gruppo o complesso 16 dello stantuffo è più corta di quelle dei gruppi di stantuffi precedentemente realizzati mediante ricalcatura dello stantuffo al pattino. L'unica limitazione relativamente a quanto vicino a detta una estremità dello stantuffo 20 può trovarsi all'altra estremità del pattino 18 è con quale grado il pattino 18 deve ruotare rispetto allo stantuffo 20 durante l'impiego.

Così, il procedimento per produrre un gruppo 16 di stantuffo per l'impiego in una pompa idraulica o in un motore idraulico 10 include le fasi di formare un pattino 18 con una pallina sferica 30 in corrispondenza di una estremità; formare uno stantuffo 20 avente una cavità 42 con una superficie di fondo sferica 44, una gola 46 distanziata ad una distanza predeterminata dalla superficie di fondo 44 ed una porzione profilata 50 sulla estremità avente la superficie angolata esterna 54 sporgente verso l'esterno rispetto alla superficie esterna 38 dello stantuffo 20, ed una superficie interna 52 adiacente alla estremità dello stantuffo 20; inserire la pallina sferica 30 nella ‘cavità 42 per contattare la superficie di fondo 44; forzare la superficie interna 52 della porzione profilata 50 dello stantuffo 20 verso l'interno in contatto con la pallina sferica 30 e allineare sostanzialmente longitudinalmente la superficie angolata esterna 54.con la superficie esterna 38 del corpo 36 dello stantuffo; indurire l'intera superficie esterna dello stantuffo 20 ad una durezza e profondità predeterminate; e finire la superficie esterna lungo la sua intera lunghezza a dimensioni predeterminate. La fase di formatura include pure il posizionare l'inizio della gola 46 ad distanza dal fondo della cavità 42 generalmente uguale a metà del diametro della pallina sferica 30 e controllare la distanza dal fondo 48 della gola 46 alla superficie angolata esterna 54 della porzione profilata 50.

In vista di quanto precede, risulterà facilmente evidente che il presente procedimento fornisce un processo per produrre un gruppo di stantuffo 16 che ha una lunghezza totale inferiore rispetto a quella di gruppi di stantuffi a pistone precedenti mantenendo al tempo stesso ancora una connessione meccanica robusta tra lo stantuffo 20 ed il pattino 18 e 'mantenendo una elevata efficiente uscita volumetrica.

Ulteriori aspetti, scopi e vantaggi dell'invenzione possono essere ottenuti da uno studio dei disegni, della descrizione e delle rivendicazioni accluse .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la realizzazione di gruppo di stantuffo avente uno stantuffo collegato meccanicamente ad un pattino e adatto per l'impiego in una pompa idraulica o in un motore idraulico avente avente un cilindro con un foro definito in esso per ricevere scorrevolmente lo stantuffo, il procedimento comprendendo le fasi di: formare il pattino con una pallina sferica disposta ad una estremità di esso; formare lo stantuffo con una porzione di corpo avente una superficie cilindrica esterna estendet esi longitudinalmente lungo di esso ed una porzione di collegamento disposta ad una estremità di esso, la porzione di collegamento avendo una cavità definita in essa'con una superficie di fondo sostanzialmente sferica distanziata da una estremità di essa, una gola definita nella porzione di estremità entro la cavità tra la superficie di fondo sferica e detta una estremità, ed una porzione profilata avente una superficie interna ed una superficie angolata esterna sporgente verso l'esterno oltre la superficie esterna del corpo dello stantuffo tra il fondo della cavità e detta una estremità di essa; inserire la pallina sferica del pattino nella cavità della porzione di collegamento per contattare la superficie di fondo sferica; forzare la porzione profilata della porzione di collegamento verso l'interno per spostare la superficie interna di essa in contatto di scorrimento con una porzione della pallina sferica per fissare la pallina sferica entro la cavità e per allineare sostanzialmente longitudinalmente la superficie esterna di essa con la superficie esterna del corpo dello stantuffo; indurire la superficie esterna dello stantuffo lungo la sua intera lunghezza ad una profondità e durezza predeterminate; e finire la superficie esterna dello stantuffo lungo la sua intera lunghezza a dimensione predeterminate .
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di forzare la porzione profilata verso l'interno include le fasi di posizionare lo stantuffo in una camera formata di un meccanismo a matrice avente una superficie interna di dimensioni sufficienti a ricevere scorrevolmente lo stantuffo ed una posizione formata di dimensioni tali da accoppiarsi con la superficie esterna della porzione profilata dello stantuffo e forzare la matrice a spostarsi assialmente lungo la lunghezza longitudinale dello stantuffo per spostare sostanzialmente radialmente la superficie interna della porzione profilata in contatto di scorrimento con la pallina sferica del pattino e per allineare sostanzialmente assialmente la superficie esterna della porzione profilata con la superficie esterna del corpo dello stantuffo.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui la fase di formare lo stantuffo include le fasi di controllare la posizione dell'inizio della gola rispetto al fondo della cavità ad una distanza sostanzialmente uguale a metà del diametro della pallina sferica e*controllare la distanza tra un fondo della gola e la superficie esterna della superficie angolata esterna ad una distanza predeterminata al fine di garantire che, durante la fase di forzatura della porzione profilata verso l'interno, la superficie interna della porzione profilata si sposti sostanzialmente radialmente verso l'interno.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, includente la fase di lubrificare l'interfaccia tra la matrice e le superfici esterne dello stantuffo e la porzione profilata per ridurre il grippaggio o rigatura durante la fase di forzare verso l'interno la porzione profilata.
5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui la fase di finire le superfici esterne include la fase di rettificare la superficie esterna dello stantuffo lungo la sua intera lunghezza.