ITTO980080A1 - Manovellismo per una macchina alternativa, particolarmente per un motore a combustione interna - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: "Manovellismo per una macchina alternativa, particolarmente per un motore a combustione interna"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale alle macchine alternative quali i motori a combustione interna, i compressori volumetrici, le pompe o i motori idraulici e simili, che utilizzano un manovellismo come sistema di conversione di un moto alternato di un loro elemento nel moto di rotazione di un altro elemento, o viceversa.

Più specificamente l'invenzione riguarda un manovellismo per una macchina alternativa, particolarmente un motore a combustione interna, comprendente un albero a gomito montato in modo girevole ed almeno uno stantuffo suscettibile di -essere soggetto ad un moto alternato entro una rispettiva guida rettilinea in conseguenza della rotazione dell'albero a gomito, in cui ogni stantuffo è associato ad un organo di trascinamento presentante un'estremità che circonda un bottone di manovella dell'albero a gomito.

Uno scopo dell'invenzione è quello di proporre un manovellismo del tipo sopra definito, che nel funzionamento non origini alcuna spinta laterale dovuta alla pressione dei gas sulla guida degli stantuffi e che consenta di realizzare un moto sinusoidale puro dei pistoni.

Un altro scopo dell'invenzione è quello di proporre un manovellismo che consenta di semplificare la costituzione delle macchine alternative di tipo precedentemente noto e di ridurne l'ingombro complessivo.

Tali scopi vengono raggiunti grazie al fatto che detto organo di trascinamento è connesso rigidamente con almeno un rispettivo stantuffo.

Grazie a tale idea di soluzione, durante il funzionamento della macchina alternativa secondo l'invenzione non vengono originate spinte laterali sugli stantuffi che possono quindi essere realizzati con una struttura semplice, in particolare sprovvisti del relativo mantello, a tutto vantaggio della leggerezza e conseguentemente della riduzione delle forze d'inerzia connesse al loro movimento nonché dei relativi costi di produzione.

Nella pratica, un manovellismo secondo l'invenzione si comporta come un manovellismo classico in cui la lunghezza della biella è uguale al raggio di manovella, ovvero alla distanza fra ciascun bottone di manovella dall'asse di rotazione dell'albero a gomito, e siccome il collegamento fra la biella e lo stantuffo è di tipo rigido, ottenuto tramite il suddetto organo di trascinamento a cui è fissato lo stantuffo, non è più necessario lo spinotto d'articolazione della biella allo stantuffo, il che costituisce un'altro motivo per il quale può essere eliminato il mantello dello stantuffo che nei manovellismi tradizionali ha anche la funzione di struttura di sopporto per i mozzi d'impegno dello spinotto stesso.

Grazie al fatto che ciascun organo di trascinamento è connesso rigidamente al rispettivo stantuffo e non può quindi assumere alcuna configurazione inclinata rispetto alla direzione di spostamento del relativo stantuffo, l'angolo formato fra ogni organo di trascinamento e la guida rettilinea entro cui scorre lo stantuffo è sempre nullo. Per tale ragione le leggi di variazione dello spostamento, della velocità e dell'accelerazione degli stantuffi possono essere definite mediante funzioni trigonometriche che dipendono unicamente dal cosiddetto angolo di manovella, e che risultano quindi di tipo sinusoidale puro. A causa di tale fatto, in una macchina secondo l'invenzione si ottiene il vantaggio considerevole che tutte le forze e coppie d'inerzia di ordine superiore al 1°, sia rotanti che controrotanti, sono assolutamente assenti e pertanto non richiedono di essere equilibrate. In tal modo è possibile realizzare ad esempio motori con quattro e otto cilindri intrinsecamente equilibrati sia staticamente che dinamicamente, senza ricorrere a complessi sistemi addizionali di equilibramento come alberi aggiuntivi per bilanciare forze e coppie d'inerzia del 11° ordine e di ordini superiori.

Grazie all'invenzione è anche possibile realizzare motori monocilindrici, bicilindrici tricilindrici e pentacilindrici equilibrati in modo semplice, essendo nulle, come detto in precedenza, tutte le forze e coppie d'inerzia di ordine superiore al 1°, bilanciando soltanto le forze o coppie d'inerzia rotanti e controrotanti del 1° ordine in modo assai semplice consentito dallo sfruttamento di caratteristiche strutturali proprie del manovellismo oggetto dell'invenzione.

Siccome una macchina provvista del manovellismo secondo l'invenzione permette di realizzare un moto sinusoidale puro dello stantuffo, in cui sono quindi assenti forze e coppie d'inerzia di ordine superiore al 1°, possono essere eliminati, oltre agli alberi di equilibramento rotanti e/o controrotanti a velocità doppia rispetto a quella dell'albero a gomito, anche tutti i relativi organi di trasmissione come ruote dentate, cinghie e cuscinetti, consentendo di ottenere una significativa semplificazione della macchina e quindi una drastica riduzione dei suoi costi di produzione.

La macchina può quindi essere realizzata in modo più compatto rispetto a quelle note in precedenza ed è possibile in particolare realizzare il relativo basamento di dimensioni più contenute a tutto vantaggio della riduzione del peso complessivo del motore e dei tempi di lavorazione, consentendo inoltre di disporre di una maggiore visibilità dall'abitacolo, e permettendo una maggiore libertà stilistica al progettista.

Essendo assenti le forze e le coppie d'inerzia di ordine superiore al 1°, ed in particolare quelle di ordine superiore al 11° che normalmente non sono equilibrate per ragioni di complessità, le vibrazioni connesse con il funzionamento della macchina sono grandemente ridotte, e con essa la sua rumorosità, e la durata del motore e dei sistemi ad esso collegati risultano aumentati in conseguenza delle minori sollecitazioni indotte, rispetto alle macchine analoghe precedentemente note.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla lettura descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento alle figure annesse, fornite a puro titolo di esempio non limitativo, in cui: la figura 1 illustra una vista in elevazione laterale sezionata di un motore alternativo a combustione interna a quattro cilindri in linea, provvisto di un manovellismo secondo l'invenzione, le figure 2a, 2b, 2c e 2d illustrano viste in elevazione trasversale sezionata lungo la linea II-II della figura 1, fra loro simili e corrispondenti a diversi momenti di funzionamento del motore, la figura 3 è una vista in elevazione laterale sezionata simile alla figura 1 di un particolare di un motore alternativo a combustione interna di tipo monocilindrico, bicilindrico,tricilindrico o pentacilindrico ,

le figure 4a, 4b, 4c, 4d sono viste analoghe alle figure 2a, 2b, 2c, 2d, rispettivamente, lungo la linea IV-IV della figura 3.

Con riferimento alle figure, con 1 è indicato nel suo insieme un motore alternativo a combustione interna avente un basamento 2 che, tramite cuscinetti di banco 3, sopporta in rotazione un albero a gomito 4 superiormente al quale (con riferimento alle figure) è disposto almeno un cilindro 5 che costituisce una guida rettilinea per il movimento alternato di un rispettivo stantuffo 6.

Nonostante nella presente descrizione dettagliata si faccia specificamente riferimento ad un motore alternativo a combustione interna, l'invenzione è comunque applicabile ad altre macchine alternative, quali i compressori volumetrici, le pompe o i motori idraulici e simili.

Ciascuno stantuffo 6 è realizzato in modo da presentare il solo cielo ed una ridotta porzione anulare periferica disposta a contatto con la camicia del relativo cilindro 5, sufficiente ad accogliere due soli anelli di tenuta 6a, 6b, tipicamente una fascia elastica ed un anello raschia-olio.

Ciascuno stantuffo 6 è collegato all'albero a gomito 4 per mezzo di un sistema di conversione del suo moto alternato in un . moto di rotazione dell'albero a gomito 4, denominato comunemente manovellismo, che nel caso della presente invenzione assume caratteristiche genericamente assimilabili a quelle di un rotismo epicicloidale.

Dal cielo di ciascuno stantuffo 6 si estende coassialmente verso l'albero 4 uno stelo cavo 7 per permettere il suo collegamento con un organo di trascinamento 8 una cui porzione circonda un bottone di manovella dell'albero 4 in posizione corrispondente al relativo stantuffo.

In particolare, ciascun organo di trascinamento 8 presenta un corpo anulare 10 di diametro relativamente grande entro il quale è montata in posizione eccentrica la corrispondente porzione di albero a gomito 4, ed un'asta di collegamento 12, ad esempio estendentesi nella direzione radiale rispetto al corpo anulare 10, che impegna la cavità dello stelo 7 al fine di permettere l'ancoraggio reciproco dello stantuffo 6 e del relativo corpo anulare 10.

In alternativa, ciascuna asta di collegamento 12 può estendersi dal relativo corpo 10 secondo una direzione parallela a quella illustrata nelle figure, ovvero una direzione parallela a quella radiale e non passante per il centro del corpo 10. In questo caso ad uno stesso corpo 10 possono essere connesse più aste 12 per rispettivi stantuffi 6, in posizioni fra loro opposte, permettendo di semplificare la struttura generale della relativa macchina. Ad esempio, può essere utilizzato un solo corpo 10 per realizzare un manovellismo per un motore bicilindrico o per un motore quadricilindrico del tipo boxer.

In particolare, l'asta 12 può presentare una filettatura esterna destinata ad impegnare una filettatura interna corrispondente dello stelo 7.

Fra ciascun corpo anulare 10 ed il relativo bottone di manovella è interposto un elemento di riferimento eccentrico 14 che permette di definire un posizionamento eccentrico predeterminato fra l'organo anulare 10 e la porzione corrispondente dell'albero 4.

Grazie alla presenza dell'elemento 14, il raggio di manovella dell'albero 4 è ridotto alla metà di quello dei motori convenzionali, a parità di corsa dello stantuffo. Ciò permette di realizzare l'albero 4 più leggero e di forma relativamente più compatta.

L'elemento 14 è vantaggiosamente formato da due parti separabili collegate fra loro, per favorire le operazioni di montaggio. Una prima parte 14a dell'elemento 14 è conformata sostanzialmente a C ed è internamente cava in modo da risultare alleggerita, ma convenientemente irrigidita mediante una o più razze 15. La parte 14a definisce una coppia di superiici esterna ed interna di scorrimento, la superficie interna essendo preferibilmente semicircolare e destinata a circondare parte del corrispondente bottone di manovella.

La seconda parte 14b presenta una forma complementare a quella dell'elemento 14a rispetto alla cavità circolare definita all'interno dell'organo anulare 10. Essa è realizzata preferibilmente piena e definisce anch'essa una coppia di superiici esterna ed interna di scorrimento, essendo la superficie interna sostanzialmente semicircolare per circondare una parte corrispondente della superficie esterna del bottone dì manovella.

Le parti 14a e 14b dell'elemento 14 sono poi rigidamente fissate fra loro, ad esempio per mezzo di viti di serraggio le cui teste vengono convenientemente accolte in una zona aperta della cavità interna della parte 14a.

Fra l'elemento di riferimento 14 ed il corpo 10 e l'albero 4, rispettivamente, sono interposti elementi anulari di scorrimento 16 e 18, costituiti ciascuno da una bronzina o da un cuscinetto volvente.

Il fatto che la parte 14a sia realizzata vuota mentre la parte 14b è piena, permette di spostare il baricentro di ciascun elemento di riferimento 14 verso il relativo elemento 14b. In particolare, è preferita la condizione in cui il baricentro di ciascun elemento di riferimento 14 assume una posizione radialmente esterna al baricentro della porzione corrispondente dell'albero a gomito 4 rispetto al centro del relativo corpo anulare 10, in modo da originare,sull'organo di riferimento 14 una coppia di verso opposto rispetto a quello di rotazione dell'albero a gomito 4. Tale coppia controrotante garantisce un corretto funzionamento del motore nella fase del suo avviamento, per qualunque posizione degli stantuffi.

Nel caso in cui per motivi costruttivi le parti 14a e 14b non possano essere realizzate rispettivamente vuota e piena, oppure se tale caratteristica non dovesse risultare sufficiente a portare il baricentro dell'elemento 14 nella posizione desiderata sopra definita, alla parte 14b può essere associato un contrappeso 20 in grado di portare il baricentro dell'elemento 14 in posizione radialmente esterna al baricentro del bottone di manovella rispetto al centro del corpo anulare 10.

Possono essere previsti mezzi ausiliari per contrastare forze laterali di piccola entità che dovessero agire durante il funzionamento del motore sul corpo anulare 10 di ciascun organo di trascinamento 8. Tali mezzi ausiliari, costituiti per ciascun corpo 10 ad esempio da una coppia di ali di guida 22 contrapposte e sostanzialmente complanari, possono essere connessi al basamento 2 e convenientemente realizzati integralmente con esso. Le ali 22 si estendono trasversalmente all'asse di rotazione dell'albero e presentano rispettive superfici di guida 24 contrapposte per lo scorrimento della superficie esterna del relativo corpo anulare 10.

Nel funzionamento, a seguito della rotazione dell'albero a gomito 4 indicata nelle figure 2a. a 2d e 4a a 4d da una freccia diretta in verso orario, l'elemento di riferimento 14 è trascinato in rotazione secondo il verso antiorario indicato da una freccia corrispondente nelle stesse figure.

In conseguenza della rotazione dell'albero 4 e della controrotazione dell'elemento di riferimento 14 ciascun corpo anulare 10 è soggetto ad un moto alternativo che viene trasmesso al relativo stantuffo 6 che nel suo movimento rimane pertanto costantemente parallelo a sé stesso, per cui non insorgono forze trasversali alla sua direzione di spostamento .

Siccome la legge di spostamento dello stantuffo 6 è sinusoidale pura, la velocità massima dello stantuffo viene raggiunta quando l'angolo di manovella dell'albero a gomito 4 è pari a 90° rispetto alle posizioni di punto morto superiore o punto morto inferiore, mentre nella generalità dei motori alternativi normalmente utilizzati la velocità massima viene raggiunta per un angolo di manovella di circa 74° rispetto al punto morto superiore. Grazie a tale fatto, in un motore secondo l'invenzione la parte di corsa dello stantuffo nella quale avviene il riempimento del cilindro risulta più estesa nei confronti dei motori tradizionali, per cui è richiesto un minore anticipo ed una minore variazione della posizione delle valvole, dando in ogni caso luogo ad un migliore rendimento globale del motore.

Per un motore monocilindrico o bicilindrico secondo l'invenzione vengono generate unicamente forze d'inerzia del 1° ordine rotanti e controrotanti, essendo nulle le forze e le coppie d'inerzia di II° ordine e degli ordini superiori. In tal caso, le forze d'inerzia rotanti del I° ordine possono essere equilibrate munendo la porzione di albero 4 corrispondente a ciascuno stantuffo di almeno un contrappeso 4a, eventualmente 2 contrappesi disposti simmetricamente per ogni bottone di manovella, mentre le forze d'inerzia controrotanti del I° ordine possono essere equilibrate dimensionando in modo corrispondente i contrappesi 20 connessi agli elementi 14 i quali, proprio per il fatto che ruotano con verso opposto rispetto all'albero a gomito 4, si prestano efficacemente a tale scopo.

Nel caso generale di motori con tre o cinque cilindri in linea, sono assenti le forze d'inerzia rotanti e controrotanti del I° ordine ma sono presenti coppie d'inerzia rotanti e controrotanti del I° ordine, e di ordine superiore. Tuttavia, in un motore secondo l'invenzione in cui le forze e le coppie d'inerzia di ordine superiore al I° sono assenti, è necessario equilibrare le sole coppie d'inerzia del 1° ordine. In questo caso sono ancora utilizzati contrappesi ausiliari 4a connessi all'albero a gomito 4 per equilibrare le coppie rotanti, ed i contrappesi 20 connessi agli elementi 14 per equilibrare le coppie controrotanti, senza la necessità di ricorrere ad alberi di equilibramento aggiuntivi .

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Manovellismo per una macchina alternativa, particolarmente un motore a combustione interna, comprendente un albero a gomito (4) montato in modo girevole ed almeno uno stantuffo (6) suscettibile di essere soggetto ad un moto alternato entro una rispettiva guida rettilinea (5) in conseguenza della rotazione dell'albero a gomito (4), in cui ogni stantuffo (6) è associato ad un organo di trascinamento (8) presentante un'estremità (10) che circonda un bottone di manovella dell'albero a gomito (4), caratterizzato dal fatto che ciascun organo di trascinamento (8) è connesso rigidamente con almeno un rispettivo stantuffo (6).
2. 2. Manovellismo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto organo di trascinamento (8) comprende un corpo anulare (10) circondante un corrispondente bottone di manovella e montato in posizione eccentrica rispetto alla relativa porzione di albero (4), essendo fissati al i corpo anulare (10) mezzi di ancoraggio (12) di almeno uno stantuffo (6).
3. 3. Manovellismo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di ancoraggio comprendono almeno uno stelo di collegamento (12) che si estende dal corpo anulare (10).
4. 4. Manovellismo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto stelo di collegamento (12) si estende dal corpo anulare (10) secondo una direzione radiale.
5. 5. Manovellismo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto stelo di collegamento (12) si estende dal corpo anulare (10) secondo una direzione parallela a quella radiale e non passante per il centro del corpo anulare (10).
6. 6. Manovellismo secondo la rivendicazione 4 oppure 5, caratterizzato dal fatto che da uno stesso corpo anulare (10) si estendono più steli di collegamento (12) di rispettivi stantuffi (6).
7. 7. Manovellismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 6, caratterizzato dal fatto che comprende un elemento di riferimento eccentrico (14) per il posizionamento relativo fra ciascun corpo anulare (10) e la corrispondente porzione di albero a gomito (4), tale elemento di riferimento (14) essendo disposto almeno in parte all'interno del rispettivo corpo anulare (10) ed essendo montato girevolmente rispetto all'albero a gomito (4) ed al relativo corpo anulare (10).
8. 8. Manovellismo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto elemento di riferimento (14) è soggetto ad un moto di rotazione contrario rispetto a quello dell'albero a gomito (4), in conseguenza della rotazione dell'albero a gomito (4).
9. 9. Manovellismo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che sono interposti mezzi per favorire lo scorrimento relativo (16, 18) fra ciascun corpo anulare (10) ed il rispettivo elemento di riferimento (14), e fra questo e l'albero a gomito (4).
10. 10. Manovellismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 a 9, caratterizzato dal fatto che il baricentro di ciascun elemento di riferimento (14) è disposto in una posizione radialmente esterna al baricentro della corrispondente porzione dell'albero a gomito (4) rispetto al centro del relativo corpo anulare (10).
11. 11. Manovellismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 10, caratterizzato dal fatto che ciascuno stantuffo (6) è sprovvisto del mantello.
12. 12. Manovellismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 11, caratterizzato dal fatto che il raggio di manovella di ciascun bottone di manovelia è pari a circa metà del raggio di manovella di un manovellismo convenzionale, a parità della corsa degli stantuffi.
13. 13. Manovellismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 12, caratterizzato dal fatto che include mezzi di contrasto (22) dello spostamento laterale di ciascun corpo anulare (10).
14. 14. Manovellismo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di contrasto sono realizzati mediante una coppia di elementi di guida contrapposti (22) e sostanzialmente complanari che si estendono trasversalmente all'asse di rotazione dell'albero a gomito (4) da un involucro (2) del manovellismo (1), sopportante l'albero a gomito stesso.
15. 15. Manovellismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 14, caratterizzato dal fatto che fa parte di una macchina alternativa monocilindrica, bicilindrica, tricilindrica o pentacilindrica ed include mezzi a contrappeso ausiliari (4a) per l'equilibramento di una forza o coppia rotante del primo ordine, tali mezzi ausiliari (4a) essendo connessi all'albero a gomito (4) in prossimità di ciascun corpo anulare (10).
16. 16. Macchina alternativa, particolarmente motore a combustione interna, comprendente un manovellismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 15.