ITUB20155675A1 - Sistema di chiusura per biella e per qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante - Google Patents

Description

"SISTEMA DI CHIUSURA PER BIELLA E PER QUALSIASI SUPPORTO IN DUE

PARTI DI UN ALBERO ROTANTE"

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce al settore degli organi meccanici, in particolare a bielle secondo il preambolo della rivendicazione 1.

Più in generale, la presente invenzione si riferisce a qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante e, preferibilmente, di alberi a camme e di alberi a gomiti.

STATO DELL'ARTE

Una biella è un organo meccanico che ha la funzione di collegare rigidamente tra loro un organo dotato di moto rettilineo alterno (come ad esempio un pistone) ed uno dotato invece di moto rotatorio (ad esempio, l'albero motore).

La biella generalmente prevede tre componenti: un corpo di biella (o fusto), provvisto ad un'estremità di un foro in cui si inserisce uno spinotto che la collega all'organo dotato di moto rettilineo; un cappello di biella che forma col fusto, alla sua estremità opposta, una sede circolare che si impegna nell'organo dotato di moto rotatorio attraverso un cuscinetto; uno o più elementi di fissaggio che tengono premuto il cappello di biella al fusto.

Tradizionalmente, gli elementi di fissaggio sono elementi filettati, come ad esempio bulloni, che attraversano una sede del cappello di biella e del corpo di biella, sporgono da quest'ultimo e vengono serrati attraverso un dado per applicare un precarico al cuscinetto. Tali soluzioni prevedono ulteriormente l'utilizzo di elementi cuneiformi, in alternativa al dado o in sinergia con esso, per bloccare l'elemento di fissaggio contro il cappello di biella e il corpo di biella.

Esempi di tali bielle sono rese note dai brevetti US 4541304, US 4836044 e GB 2171489.

Tuttavia tali soluzioni presentano lo svantaggio di utilizzare, quali elementi di fissaggio, elementi filettati. Questi ultimi possono facilmente innescare cricche a rottura nel caso in cui si realizzino bielle in materiali differenti da metalli; inoltre, in condizioni di esercizio, a causa delle sollecitazioni cicliche di compressione (dovute ad esempio alla pressione dei gas al punto morto superiore) o di trazione (dovuta invece alla forza di inerzia ad alti giri in fase di ricambio carica) a cui la biella è soggetta, tali elementi comportano altresì una perdita di carico di medesima entità in corrispondenza dell'' interfacci a corpo di biella / cappello di biella, incorrendo nel rischio di separare le parti a contatto.

Un ulteriore svantaggio di queste bielle è rappresentato dal fatto che la superficie di contatto degli elementi cuneiformi con il cappello di biella, o risulta asimmetrica rispetto alla retta d'azione della risultante delle forze d'inerzia lungo la loro retta d'azione, o genera una distribuzione non uniforme del precarico, inducendo distorsioni al collegamento con il cappello di biella e aumentando il rischio di rompere il meato di olio utile per la lubrificazione.

SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE

E' scopo della presente invenzione superare gli inconvenienti dell'arte nota.

In particolare è scopo della presente invenzione presentare un biella e, più in generale, un qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante che permetta di diminuire le perdite di carico in corrispondenza dell'interfaccia corpo / cappello. E' anche scopo della presente invenzione presentare una biella e, più in generale, un qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante che abbia una distribuzione del precarico uniforme.

Ulteriore scopo della presente invenzione è presentare una biella e, più in generale, un qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante che possa essere realizzata in materiali differenti dal metallo.

Questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un biella incorporante le caratteristiche della rivendicazione 1 allegata, la quale forma parte integrante della presente descrizione.

Inoltre, questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante incorporante le caratteristiche della rivendicazione 7 allegata, la quale forma parte integrante della presente descrizione.

Inoltre, questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un supporto in due parti di un albero a camme incorporante le caratteristiche della rivendicazione 8 allegata, la quale forma parte integrante della presente descrizione. Inoltre, questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un qualsiasi supporto in due parti di un albero a gomiti incorporante le caratteristiche della rivendicazione 9 allegata, la quale forma parte integrante della presente descrizione.

Forme di realizzazione preferite e varianti della presente invenzione costituiscono l'oggetto delle rivendicazioni dipendenti da 2 a 6 e 10.

L'idea alla base della presente invenzione prevede di realizzare un qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante e, in particolare, una biella, dotato di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione.

Più precisamente, la presente invenzione prevede di realizzare una biella comprendente un corpo di biella provvisto di un foro ad una estremità e di due bracci all'estremità opposta, sagomati in modo tale da individuare tra loro un arco di circonferenza. La biella comprende inoltre un cappello di biella atto ad inserirsi tra i due bracci e provvisto di un recesso sagomato in modo tale che, quando il cappello di biella è inserito tra i due bracci, il recesso forma con l'arco di circonferenza un'apertura circolare. La biella comprende ulteriormente una sede, ricavata sul cappello di biella e sui bracci, in cui è ospitato un elemento di fissaggio, e due cunei, inseriti nella sede tra l'elemento di fissaggio ed il cappello di biella per bloccare il cappello di biella, in particolare due sue superfici, contro corrispondenti spallamenti dei bracci del corpo di biella.

Più in dettaglio, l'elemento di fissaggio è un elemento traviforme a sezione crescente dalle estremità verso il centro, e ciascuno dei due cunei è inserito nella sede di un rispettivo braccio del corpo di biella, ed è disposto in modo tale da presentare una superficie di contatto con il cappello di biella; i cunei attraverso la superficie di contatto realizzano un percorso di forza che va dal cappello di biella all'elemento di fissaggio, che a sua volta chiude il percorso scaricando la forza sulla sede dell'elemento ricavata in ciascuno dei bracci. I cunei, attraverso tale superficie, realizzano un percorso di forza che va dal cappello di biella all'elemento di fissaggio, che a sua volta chiude il percorso, scaricando la forza sulla sede dell'elemento ricavata in ciascuno dei bracci. La superficie di contatto tra cunei e cappello di biella è disposta in un piano ortogonale a una retta passante per il centro geometrico del foro e dell'apertura circolare.

Ancora più in dettaglio l'elemento di fissaggio traviforme e i due cunei, inseriti ciascuno dal proprio braccio, costituiscono un percorso di carico che comprime l'elemento contro la biella, scaricando tale forza di compressione sulle porzioni di bracci della biella; pertanto l'elemento di fissaggio risulta essere in contatto con i due bracci della biella nella zona di contatto e con i cunei dal lato opposto, mentre i cunei sono in contatto da un lato con l'elemento di fissaggio e dall'altro con il cappello di biella; ogni altra interferenza è opportunamente evitata con giochi sufficienti.

Tale soluzione permette di conferire alla biella elevata efficienza in termini di resistenza alle sollecitazioni a cui è soggetta, in particolare alle sollecitazioni a trazione che, in condizione operativa, tendono ad allontanare il cappello di biella dal corpo di biella. Infatti, la particolare geometria dell'interfaccia di contatto dei due componenti, permette di diminuire le perdite di carico, applicato con l'elemento di fissaggio e con i cunei.

In una forma di realizzazione dell'invenzione, il cappello di biella è inserito a scorrimento tra i due bracci mediante un accoppiamento guida/binario tra due fianchi del cappello di biella e due fianchi dei due bracci.

Tale soluzione comporta una distribuzione del precarico sul cappello di biella costante, uniforme e simmetrica in quanto consente di irrigidire l'assieme e di impedire la flessione verso l'esterno dei bracci sia all'atto del montaggio sia in condizioni operative.

In una variante realizzativa, la sede che ospita l'elemento di fissaggio comprende due spallamenti affacciati tra loro, ciascuno ricavato su un rispettivo braccio ed a contatto con una rispettiva estremità dell'elemento di fissaggio, in modo tale da impedire una traslazione dell'elemento di fissaggio lungo una direzione parallela alla sua direzione di sviluppo.

Tale soluzione permette di ottenere un ulteriore miglioramento dell'efficienza della biella in termini di resistenza alle sollecitazioni, in quanto permette di evitare l'utilizzo di elementi di fissaggio filettati che necessitano di elementi di presa per il loro serraggio sul corpo di biella. In questo modo si riduce il rischio di innescare cricche a rottura che compromettono le performance meccaniche della biella.

Un'ulteriore variante della presente invenzione prevede l'utilizzo in sinergia delle caratteristiche appena descritte, e permette l'effetto sorprendente di poter realizzare una biella in materiali differenti dai materiali metallici, come ad esempio materiali termoplastici.

In questo caso, infatti, l'utilizzo in combinazione di un elemento di fissaggio sprovvisto di filettature, inserito in una sede che comprende spallamenti tra bracci, e di un cappello di biella inserito nel corpo di biella attraverso una guida prismatica e provvisto di una superficie che permette di applicare, tramite cunei opportunamente sagomati, un precarico di fissaggio la cui distribuzione è uniforme e simmetrica, permette di migliorare la risposta dinamica della biella alle sollecitazioni (ad esempio le forze d'inerzia nel punto morto superiore dovute all'azione trainante del pistone e dello spinotto).

Tale configurazione permette cioè al sistema biella di rispondere in maniera globale alla sollecitazioni ed è pertanto possibile realizzare la biella con materiali più leggeri dei metalli, come ad esempio plastiche altamente performanti o materiali compositi, che ne riducono la massa, le inerzie e conseguentemente gli attriti.

Ciò risulterà maggiormente evidente tra poco, in occasione della descrizione delle indagini numeriche eseguite.

Ulteriori caratteristiche vantaggiose della presente invenzione risulteranno maggiormente chiare dalla descrizione che segue e dalle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L'invenzione verrà descritta qui di seguito con riferimento ad esempi non limitativi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari. La figura 1 illustra una vista di una sezione lungo un asse longitudinale di una biella secondo l'invenzione;

le figure 2A, 2B e 2C illustrano una vista di una sezione lungo un asse longitudinale, una vista in prospetto laterale e una vista dall' alto di un primo particolare - il corpo di biella - della biella di figura 1;

le figure 3A, 3B e 3C illustrano una vista di una sezione lungo un asse longitudinale, una vista in prospetto laterale e una vista dall'' alto di un secondo particolare - il cappello di biella - della biella di figura 1;

le figure 4A e 4B illustrano una vista laterale e una vista frontale di un terzo particolare - l'elemento di fissaggio - della biella di figura 1;

le figure 5A e 5B illustrano una vista laterale e una vista frontale di un quarto particolare - il cuneo - della biella di figura 1;

la figura 6 illustra una vista prospettica esplosa di un qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante dotato di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione;

la figura 7 illustra una vista di una sezione lungo un asse longitudinale di un qualsiasi supporto in due parti di figura 6;

le figure 8A e 8B illustrano una vista prospettica ed una vista prospettica esplosa di un supporto in due parti di un albero a camme dotato di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione;

le figure 9A e 9B illustrano una vista prospettica ed una vista prospettica esplosa di un supporto in due parti di un albero a gomiti dotato di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione;

le figure 10A e 10B mostrano, rispettivamente, lo stato tensionale nei componenti di un sistema di chiusura tradizionale confrontato con quello di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione;

le figure HA e 11B mostrano, rispettivamente, lo stato tensionale nel cappello di un sistema di chiusura tradizionale confrontato con quello di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione; e

le figure 12A e 12B mostrano, rispettivamente, la pressione al contatto in un sistema di chiusura tradizionale confrontato con quella in un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLTNVENZIONE

Mentre l'invenzione è suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione non limitative, fornite a scopo esplicativo, sono descritte qui di seguito in dettaglio.

Si deve intendere, comunque, che non vi è alcuna intenzione di limitare rinvenzione alle specifiche forme di realizzazione illustrate, ma, al contrario, rinvenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell' ambito dell'invenzione come definito nelle rivendicazioni.

Nella seguente descrizione, pertanto, l'uso di "ad esempio", "ecc.", "o / oppure" indica alternative non esclusive senza alcuna limitazione, salvo diversa indicazione; l'uso di "anche" significa "tra cui, ma non limitato a" se non diversamente indicato; l'uso di "include / comprende" significa "include / comprende, ma non limitato a" a meno che non altrimenti indicato.

Riferimenti a "superiore", "inferiore", "sopra", "sotto" e simili sono, ove non diversamente specificato, da intendersi rispetto ad una condizione operativa ovvero di montaggio del sistema di chiusura.

Nella Figura 1 è illustrata una biella 1 secondo la presente invenzione. La biella 1 comprende un corpo di biella 100, un cappello di biella 2, un elemento di fissaggio 3 e due cunei Afb.

Il corpo di biella 100 comprende una zona centrale 101, preferibilmente a geometria rettangolare e sezione sostanzialmente costante, e due estremità 100a,100b; è evidente all'esperto del settore che il corpo di biella 100 può avere geometrie e sezioni differenti da quella qui indicata. L'estremità 100a è attraversata da un foro 60 all'interno del quale vengono tipicamente alloggiati una bronzina e uno spinotto per il collegamento della biella ad un organo meccanico dotato di moto rettilineo alterno, come ad esempio un pistone.

All'estremità opposta 100b il corpo di biella presenta invece due bracci 6,7, provvisti di rispettive pareti interne 6a,7a ed esterne 6b,7b. Nello specifico, le pareti interne 6a,7a dei due bracci si raccordano in modo tale da individuare tra loro un'area delimitata da un profilo semicircolare 8, in corrispondenza dell'estremità 100b del corpo di biella.

Inoltre sulle pareti interne dei due bracci, e in corrispondenza delle estremità del profilo semicircolare 8, sono ricavati due primi spallamenti 9,10, simmetrici rispetto a una retta a che congiunge i centri geometrici del foro 60 e del profilo semicircolare 8, atti a ricevere, in battuta, un cappello di biella 2.

Alle estremità inferiori 6c,7c dei due bracci sono ricavate rispettivamente due aperture 11 e 12, simmetriche rispetto alla retta a, e che attraversano ciascuna lo spessore del rispettivo braccio.

Come visibile nelle figure 2A, 2B e 2C, ciascuna delle due aperture 11,12 comprende rispettivamente una prima lla,12a e una seconda llb,12b sezione di ampiezza differente, in cui ciascuna delle due sezioni è delimitata rispettivamente da una superficie superiore 110,120, una superficie inferiore llla,lllb,121a,121b e superfici laterali.

La prima sezione lla,12a, presa in corrispondenza delle pareti esterne dei bracci, presenta un profilo rettangolare, la seconda sezione llb,12b invece, presa in corrispondenza delle pareti interne dei bracci, ha ampiezza maggiore della prima sezione lla,12a e presenta un profilo ad andamento rettangolare in corrispondenza della superficie superiore 110,120 e delle superfici laterali, mentre presenta un profilo ad andamento curvilineo in corrispondenza della superficie inferiore lllb,121b.

In questo modo, le due aperture 11 e 12 determinano sui rispettivi bracci due secondi spallamenti 13,14 e una sede 31 atta ad ospitare un elemento di fissaggio 3 di cui si dirà più nel dettaglio in seguito.

Inoltre, sulla porzione delle pareti interne 6a,7a di ciascun braccio 6,7 compresa tra i primi spallamenti 9 e 10 e la superficie superiore 110,120 delle aperture 11,12, è presente una guida prismatica 17,18 che, nell<7>esempio illustrato, ha una geometria a coda di rondine. Tale guida si accoppia con un rispettivo binario 26,25, visibile nelle figure 3A, 3B e 3C, presente su fianchi del cappello di biella 2 in modo tale che, una volta che il cappello di biella è inserito tra i due bracci, risulta vincolato al corpo di biella, e quindi impedita una sua traslazione lungo una direzione assiale.

La soluzione preferita qui sopra decritta presenta il vantaggio di essere la più resistente meccanicamente.

E<7>chiaro che, in varianti realizzative, l<7>accoppiamento guida/binario può essere invertito, prevedendo cioè la guida prismatica sui fianchi del cappello di biella e il rispettivo binario ricavato sulle pareti interne dei bracci, e altresì prevedere differenti geometrie di accoppiamento; tuttavia, tale soluzione comporterebbe un indebolimento dei bracci.

Inoltre, la presenza di tale accoppiamento guida/binario tra il cappello di biella 2 e il corpo di biella 100 consente di irrigidire l'assieme e di impedire la flessione verso l'esterno dei bracci 6,7 del corpo di biella 100 sia all'atto del montaggio sia in condizioni operative.

Con riferimento alle figure 3A, 3B, 3C, il cappello di biella 2 comprende una zona superiore 20a e una zona inferiore 20b. Nel dettaglio, la zona superiore 20a comprende un recesso 19a provvisto di un profilo semicircolare 19 di diametro pari al diametro del profilo semicircolare 8 definito dalle pareti interne 6a,7a dei due bracci.

In questo modo il cappello di biella 2, una volta inserito, forma con i due bracci 6,7 del corpo di biella 100 un'apertura circolare 40 - visibile chiaramente nella figura 1 -atta, quest'ultima, ad alloggiare una bronzina e/ o un perno di biella.

Alle estremità del profilo semicircolare 19 del cappello di biella 2 sono presenti due superfici 23,24 che, in condizione di cappello di biella montato, sono spinte a contatto rispettivamente con i primi spallamenti 10,9 ricavati sui bracci 6,7 del corpo di biella 100.

La zona inferiore 20b del cappello di biella 2 comprende invece un foro passante 21 con una parete interna superiore 21a e una parete interna inferiore 21b affacciate tra loro.

Nell'esempio illustrato, il foro passante 21 ha una sezione a geometria rettangolare costante per tutta la sua lunghezza, e risulta posizionato in modo tale che, una volta inserito il cappello di biella 2, la parete interna superiore 21a risulta sostanzialmente allineata con la superficie superiore 110,120 delle aperture 11,12, e la parete interna inferiore 21 b risulta sostanzialmente allineata con la sede 31 dei due bracci; si desidera precisare che i suddetti elementi non risultano perfettamente allineati dopo l'inserimento dei cunei, ma è previsto che rimanga un po' di gioco tra essi.

Il foro passante 21 e la sede 31, sono atti ad ospitare l'elemento di fissaggio 3, che una volta inserito attraverso le due aperture 11,12, si alloggia tra i secondi spallamenti 14,13 dei bracci.

Nella forma realizzativa illustrata nelle figure 4A e 4B, l'elemento di fissaggio 3 è un elemento traviforme a sezione crescente dalle estremità verso il centro, e comprende una superficie inferiore 30 e due superfici superiori 31a,31b che collegano ciascuna rispettive estremità 32a,32b dell'' elemento di fissaggio 3 alla mezzeria 33.

La sezione trasversale alla direzione di sviluppo dell'' elemento di fissaggio 3 ha un profilo 34a curvilineo in corrispondenza della superficie inferiore 30 e un profilo planare 34b in corrispondenza delle superfici superiori 31a,31b.

Nell'esempio qui descritto, l'elemento di fissaggio 3 presenta il profilo curvilineo 34a della superficie inferiore 30 per tutta la sua lunghezza, ma in generale è necessario che l'elemento 3 sia provvisto di tale profilo in corrispondenza delle sue estremità 32a,32b.

Inoltre, al fine di ottenere l'aumento di sezione dalle estremità 32a,32b verso la mezzeria 33 dell'elemento 3, ciascuna delle due superfici superiori 31a,31b risulta inclinata, rispetto alla direzione di sviluppo dell'elemento 3, e con la medesima pendenza.

Il grado di inclinazione di ciascuna delle due superfici superiori 31a,31b è compreso tra 1,4° e 1,6° e preferibilmente è pari a 1,5°.

In particolare, il profilo ad andamento curvilineo della superficie inferiore lllb,121b delle aperture 11,12 ricavate sui bracci, si accoppia con il profilo curvilineo 34a della superficie inferiore 30 dell'elemento di fissaggio 3. In questo modo, le due estremità 32a,32b dell'elemento di fissaggio 3 appoggiano nella sede 31 ricavata nei rispettivi bracci 6,7, consentendo una migliore distribuzione delle tensioni in condizioni di lavoro.

I due secondi spallamenti 13,14 sono invece a contatto rispettivamente con le superfici 15,16 delle estremità 32b,32a dell'elemento di fissaggio 3, impedendo così la traslazione longitudinale di quest'ultimo.

Tornando alla figura 1, la biella 1 comprende inoltre due cunei 4,5 inseriti nella sede tra l'elemento di fissaggio 3 ed il cappello di biella 2 per bloccare il cappello di biella 2, in particolare due sue superfici 23,24, contro corrispondenti primi spallamenti 10,9 dei bracci 6,7 del corpo di biella 100; l'elemento di fissaggio 3 è un elemento traviforme a sezione crescente dalle estremità verso il centro, e ciascuno dei due cunei 4,5 è inserito nella sede di un rispettivo braccio del corpo di biella, ed è disposto in modo tale da presentare una superficie di contatto 31a,31b con il cappello di biella 2; i cunei 4,5 attraverso la superficie di contatto 31a,31b realizzano un percorso di forza che va dal cappello di biella 2 all' elemento di fissaggio 3, che a sua volta chiude il percorso scaricando la forza sulla sede 31 dell'elemento 3 ricavata in ciascuno dei bracci 6,7; la superficie di contatto 31a,31b risulta pertanto disposta in un piano ortogonale a una retta passante per il centro geometrico del foro 60 e dell'apertura circolare 40 e non è a contatto diretto con i bracci 6,7, ovvero con le loro superfici 110,120, ma tra la superficie di contatto del cuneo 31a,31b e, rispettivamente, le superfici 110,120 dei bracci 6,7 rimane un po' di gioco ma la biella 1 risulta chiusa e vincolata alla traslazione

Come visibile nella forma realizzativa illustrata nelle figure 5A e 5B, ciascuno dei due cunei 4,5 è un elemento prismatico a sezione rettangolare che comprende superiormente una superficie di contatto 31, inferiormente una superficie inclinata 32, un'estremità esterna 33b e interna 33a, e la loro sezione diminuisce di ampiezza dall'estremità esterna verso l'estremità interna.

1 cunei 4,5 sono inseriti attraverso le aperture 11 e 12 e spinti a pressione all'interno del foro passante 21 fino al contatto delle rispettive estremità interne 33a.

Pertanto, una volta inseriti i cunei nella biella 1, la superficie di contatto 31 di ciascun cuneo risulta a contatto con la parete interna superiore 21a del foro passante 21 e risulta a contatto, ma con un po' di gioco, con le superfici superiori 110,120 delle aperture 11,12 dei bracci 6,7, in modo tale che un piano che comprende la superficie di contatto 31 di ciascun cuneo è ortogonale a una retta passante per il centro geometrico del foro 60 e dell'apertura circolare 40.

La pressione esercitata dai due cunei tende a spingere verso l'alto il cappello di biella 2 serrando le superfici 23 e 24 rispettivamente contro i primi spallamenti 10 e 9 ricavati sui bracci 7 e 6 del corpo di biella 100.

Inoltre, la superficie inclinata 32 di ciascun cuneo ha una pendenza compresa tra 1,4° e 1,6°, preferibilmente pari a 1,5°, e risulta a contatto con una corrispondente superficie inclinata 31a,31b dell'elemento di fissaggio 3 in modo tale da impedire il movimento a ritroso dei due cunei.

Un altro aspetto, più generale, della presente invenzione prevede un qualsiasi supporto in due parti 500 di un albero rotante dotato di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione.

Tale supporto in due parti 500 di un albero rotante (non mostrato) è illustrato nelle figure 6 e 7, comprende:

- un corpo 510 comprendente due bracci 511a,511b, sagomati in modo tale da individuare tra loro un arco di circonferenza, ciascuno comprendente una guida prismatica 512, un' apertura 513 e una sede 514,

- un cappello 520 comprendente un foro 521 e una coppia di binari 522 ed atto ad essere inserito in modo removibile tra detti due bracci 511a,511b mediante Tinserimento delle guide prismatiche 512 del corpo 510 nei binari 522 del cappello 520, detto cappello 520 essendo provvisto di un recesso 523 sagomato in modo tale che, quando il cappello è inserito tra i due bracci 511a,511b, il recesso forma con l'arco di circonferenza formato dai bracci 511a,511b un'apertura circolare 550, - due cunei 530 atti ad essere inseriti nelle aperture 513 del corpo 510, ed

- un elemento di fissaggio 540 atto ad essere inserito nel foro 521 del cappello 520 e nelle sedi 514 del corpo 510.

L'elemento di fissaggio 540 è un elemento traviforme a sezione crescente dalle estremità verso il centro; i due cunei 530 sono posti a contatto con il cappello 520 e disposti in modo tale che la loro superficie di contatto è in un piano ortogonale a una retta passante per il centro geometrico dell'apertura circolare 550.

Quando il cappello 520 è accoppiato al corpo 510 mediante l'inserimento delle guide prismatiche 512 nei binari 522, i due cunei 530 sono inseriti nelle aperture 513 e l'elemento di fissaggio 540 è inserito nel foro 521 e nelle sedi 514, il supporto in due parti 500 risulta chiuso e vincolato alla traslazione.

Varianti esemplificative dell'aspetto più generale della presente invenzione sopra descritto sono illustrate nelle figure 8A e 8B e 9A e 9B.

In particolare, nelle figure 8A e 8B è visibile un'applicazione del supporto in due parti 500' di un albero a camme 1000' dotato di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione comprendente almeno:

- un corpo 51 Cf,

- un cappello 520',

- due cunei 530^ e

- un elemento di fissaggio 540'

in cui, quando il cappello 520' è accoppiato al corpo 51 Cf, i due cunei 530' e l'elemento di fissaggio 540', opportunamente conformati e posizionati come sopra descritto per la forma generale dell' invenzione, vincolano alla traslazione l'albero a camme 1000'.

Nelle figure 8A e 8B è presentata una prima possibile implementazione della presente invenzione per il fissaggio di un albero a camme. In analogia con quanto sopra descritto per la biella, anche in questo caso il sistema di chiusura secondo la presente invenzione viene realizzato eliminando le viti (nella tecnica nota, infatti, i cappelli dei supporti sono chiusi con viti mordenti sui rispettivi supporti) e, conseguentemente, riducendo lo stato di sollecitazione dei componenti

In particolare, nelle figure 9A e 9B è visibile un'applicazione del supporto in due parti 500" di un albero a gomiti 1000" dotato di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione comprendente almeno:

- un corpo 510",

- un cappello 520",

- due cunei 530", e

- un elemento di fissaggio 540".

in cui, quando il cappello 520" è accoppiato al corpo 510", i due cunei 530" e l'elemento di fissaggio 540", opportunamente conformati e posizionati come sopra descritto per la forma generale dell'invenzione, vincolano alla traslazione l'albero a gomiti 1000".

Come illustrato nelle figure 9A e 9B, in cui sono visibili l'assemblato e l'esploso di una seconda possibile implementazione dell' invenzione per il montaggio di un albero a gomiti su di un basamento, il sistema di chiusura secondo l'invenzione può anche essere utilizzato per vincolare un albero a gomiti rispetto ai supporti di banco.

Anche in questo caso si può evitare l'impiego di viti per il collegamento ed ottenere un sistema meno sollecitato e quindi più leggero.

Dalla descrizione qui sopra riportata è evidente come la biella 1 e, più in generale, un qualsiasi supporto in due parti 500, 500', 500" permettano di raggiungere gli scopi proposti.

E' evidente, ad un tecnico del ramo, che è possibile apportare modifiche e varianti alla soluzione descritta con riferimento alle figure sopra indicate senza per questo fuoriuscire dall'ambito di protezione del presente brevetto come definito dalle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, l'accoppiamento guida/binario tra cappello (di biella o di supporto in due parti) e bracci del corpo (di biella o di supporto in due parti) potrebbe essere sostituito da un altro tipo di accoppiamento, ad esempio un accoppiamento di forma o per mezzo di elementi di fissaggio removibili, ad es. viti che attraversino i bracci in direzione parallela a quella di sviluppo dell'elemento di fissaggio 3,540.

Per quanto meno conveniente rispetto alla soluzione sopra descritta, la sede che accoglie l'elemento di fissaggio 3,540 potrebbe essere sprovvista di spallamenti per trattenere l'elemento di fissaggio. In questo caso, si devono prevedere opportuni mezzi per impedire il movimento dell'elemento di fissaggio in direzione ortogonale alla retta a, ad esempio, l'elemento di fissaggio potrebbe sporgere dai bracci del corpo (di biella o di supporto in due parti) e sulle sue estremità possono essere previsti dei bulloni oppure i cunei potrebbero avere una squadretta tenuta in battuta contro la superficie laterale dell'elemento di fissaggio 3,540 tramite una vite.

INDAGINI NUMERICHE: PROVE E RISULTATI

L'efficacia della presente invenzione viene ora dimostrata mediante una serie di prove, che mettono a confronto la presente invenzione con una soluzione dell'arte nota; in particolare, sono stati indagati tre comportamenti: lo stato tensionale nei componenti, lo stato tensionale nel cappello e la pressione al contatto.

Benché le prove siano state effettuate su bielle, gli esempi scelti non intendono essere limitativi della presente invenzione, ma solamente illustrativi della stessa.

Il principale problema di una biella è la perdita di precarico che si può verificare nel contatto tra cappello di biella e corpo biella. Questa particolare condizione si verifica quando la biella è soggetta ad una forza di trazione dovuta alle accelerazioni del pistone. Per impedire questa perdita di precarico, che comporta una possibile formazione di luce e conseguente rottura del meato di olio, alle viti di chiusura viene applicato un sufficiente serraggio per garantire che la riduzione di carico sul contatto sia entro valori accettabili; ciò, conseguentemente, provoca una grande sollecitazione sul cappello e sulle viti, che viene accresciuta di molto a causa della forza esterna di trazione.

Tale comportamento non è compatibile con l' impiego di materiali termoplastici, la cui resistenza meccanica è decisamente inferiore rispetto a quella dell'' acciaio.

Nella soluzione secondo la presente invenzione questo problema viene superato in quanto il precarico dovuto al serraggio dei cunei è necessario per il forzamento e il mantenimento del contatto; la forza di trazione si scarica sull'' elemento di fissaggio traviforme e sui cunei, e quindi sul corpo della biella. Questo percorso di forza garantisce livelli di sollecitazione fortemente ridotti e, al tempo stesso, consente il mantenimento del contatto tra cappello di biella e corpo di biella.

Per rendere evidenti i vantaggi della presente invenzione, si è effettuato un confronto numerico tra una soluzione commercialmente disponibile e normalmente adottata per una biella di motore automobilistico ed una equivalente implementante la soluzione tecnica proposta nella presente invenzione. I materiali e le geometrie sono diversi perché la soluzione tradizionale è realizzata con una geometria tradizionale ed attualmente presente in commercio e un acciaio C70, mentre la biella che implementa la soluzione proposta con la presente invenzione è in materiale termoplastico, in particolare PEEK 90HMF40, e presenta una geometria diversa ma tale da soddisfare gli stessi requisiti di rigidezza e resistenza di quella in acciaio. Le condizioni di carico e vincolo sono simili per entrambi i modelli matematici; esiste una leggera differenza di forza di trazione dovuta alla minore forza d'inerzia per la biella in materiale plastico.

Nelle figure 10A e 10B, HA e 11B, 12A e 12B sono rappresentati i risultati ottenuti. Il confronto in termini numerici assoluti non è molto significativo, in quanto l'acciaio ha uno snervamento intorno ai 550 MPa, mentre il PEEK 90HMF40 ha una resistenza di circa 250 MPa ad una temperatura di 100 °C (temperatura a cui si trova mediamente il piede di biella); le figure 10A e 10B, HA e 11B, 12A e 12B sono comunque utili per verificare come lo stato tensionale risulti più basso nella soluzione proposta e compatibile con la resistenza del materiale.

Con riferimento alle figure 10A e 10B sono confrontati lo stato tensionale nei componenti di una soluzione standard e quello di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione; in particolare, si nota che lo stato tensionale nel caso illustrato in figura 10B è più omogeneo e meno elevato di quanto non sia nella soluzione tradizionale rappresentata in figura 10A.

Per completezza, si indica che la legenda posta accanto alle figure 10A e 10B riporta la tensione equivalente di Von Mises (S, Mises); i dati numerici sono espressi in MPa. Con riferimento alle figure 11A e 11B sono confrontati lo stato tensionale nel cappello di una soluzione standard e quello di un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione; in particolare, come già visto sull' assemblato, si nota che, seppure il carico di trazione sulle due bielle non abbia la medesima intensità, ma differisca di qualche punto percentuale, il carico sul cappello risulta molto più basso e più omogeneo nel caso illustrato in figura 11B, oggetto dell'invenzione, rispetto al caso secondo la tecnica nota illustrato in figura 11A.

Per completezza, si indica che la legenda posta accanto alle figure 11A e 11B riporta la tensione equivalente di Von Mises (S, Mises); i dati numerici sono espressi in MPa. Con riferimento alle figure 12A e 12B sono confrontate la pressione al contatto in una soluzione standard e quella in un sistema di chiusura con vincolo alla traslazione secondo la presente invenzione; in particolare, si nota come la pressione di contatto sia più uniforme e di entità minore in figura 12B e, quindi, come la soluzione proposta con la presente invenzione comporti una minore sollecitazione del materiale, consentendo quindi la realizzazione del sistema di chiusura anche con materiali di più bassa caratteristica meccanica, come i materiali termoplastici. In questo confronto si nota come il sovraccarico dovuto alla presenza delle viti e la necessità di incrementare il carico per mantenere comunque il contatto tra le superfici sia superiore rispetto a quello necessario nel sistema secondo l'invenzione; infatti, nel caso in cui si utilizzino le di viti, il precarico nella zona di contatto risulta essere più di due volte quello della soluzione proposta. Inoltre, la riduzione di precarico dovuta all'applicazione della forza di trazione è molto meno sensibile; nel caso di specie, con una azione esterna di circa 7.000 N, il precarico passa da 3.850 N a 1.550 N per la biella implementate la soluzione della presente invenzione, mentre in quella tradizionale, a fronte di un tiro vite di 14.500 N circa, il precarico sulle superfici di contatto scende a 3.400 N.

Per completezza, si indica che la legenda posta accanto alle figure 12A e 12B riporta la pressione che si esercita al contatto (CPRESS); i dati numerici sono espressi in MPa.

Dalla descrizione qui sopra riportata è evidente, quindi, come il sistema di chiusura per biella e per qualsiasi supporto in due parti di un albero rotante secondo la presente invenzione permetta di raggiungere gli scopi proposti.

È altrettanto evidente, ad un tecnico del ramo, che è possibile apportare modifiche e varianti alla soluzione descritta con riferimento alle figure allegate, senza per questo fuoriuscire dall'insegnamento della presente invenzione e dall'ambito di protezione come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RI VENDI CAZIONI 1. Biella (1) comprendente: - un corpo di biella (100) comprendente un foro (60) ad una estremità e due bracci (6,7) all'' estremità opposta sagomati in modo tale da individuare tra loro un arco di circonferenza, - un cappello di biella (2) inserito in modo removibile tra detti due bracci (6,7), detto cappello di biella essendo provvisto di un recesso (19a) sagomato in modo tale che, quando il cappello di biella è inserito tra i due bracci (6,7), il recesso forma con l'arco di circonferenza formato dai bracci del corpo di biella un'apertura circolare (40), - una sede (21,31) ricavata su detto cappello di biella (2) e su detti bracci (6,7) in cui è ospitato un elemento di fissaggio (3), - due cunei (4,5) inseriti in detta sede tra l'elemento di fissaggio ed il cappello di biella caratterizzato dal fatto che - l'elemento di fissaggio (3) è un elemento traviforme a sezione crescente dalle estremità verso il centro, - ciascuno dei due cunei (4,5) è inserito nella sede da un rispettivo braccio del corpo di biella ed è disposto in modo tale da presentare una superficie di contatto (31a,31b) posta a contatto con il cappello di biella (2), la superficie di contatto (31a,31b) essendo disposta in un piano ortogonale a una retta passante per il centro geometrico del foro (60) e dell'apertura circolare (40).
2. 2. Biella (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il cappello di biella è inserito a scorrimento tra i due bracci (6,7) mediante un accoppiamento guida/binario tra due fianchi del cappello di biella (2) e due fianchi dei due bracci (6,7).
3. 3. Biella (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la sede (31) comprende due secondi spallamenti (13,14) affacciati tra loro, in cui ciascuno di detti secondi spallamenti (13,14) è ricavato su un rispettivo braccio di detti due bracci (6,7) ed è a contatto con una rispettiva estremità (32b,32a) di detto elemento di fissaggio (3), in modo tale da impedire una traslazione dell'elemento di fissaggio (3) lungo una direzione parallela alla direzione di sviluppo di detto elemento di fissaggio (3).
4. 4 Biella (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento di fissaggio (3) è provvisto di una superficie superiore (31a,31b) e di una superficie inferiore (30), in cui detta superficie superiore è a contatto con i due cunei (4,5) ed è provvista di un profilo planare e in cui detta superficie inferiore è a contatto con la sede (31) ricavata su detti bracci e presenta, in un piano ortogonale alla direzione di sviluppo dell'elemento di fissaggio (3), un profilo semicircolare.
5. 5. Biella (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i cunei presentano una sezione a forma di triangolo rettangolo, in cui l'angolo compreso tra l'ipotenusa e la base maggiore del triangolo rettangolo presenta un valore compreso tra 1,4° e 1,6°.
6. 6. Biella (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo di biella è realizzato in materiale plastico avente proprietà di resistenza meccanica e termica.
7. 7. Supporto in due parti (500, 500' ,500") comprendente: - un corpo (510,510',510") comprendente due bracci (511a,511b), sagomati in modo tale da individuare tra loro un arco di circonferenza, ciascun braccio comprendente una guida prismatica (512), un' apertura (513) e una sede (514), - un cappello (520,520' ,520") comprendente un foro (521) e una coppia di binari (522) ed atto ad essere inserito in modo removibile tra detti due bracci (511 a,511b) mediante l'inserimento delle guide prismatiche (512) del corpo (510,51 0', 510") nei binari (522) del cappello (52 0,520' ,520"), detto cappello (5 20,520' ,520") essendo provvisto di un recesso (523) sagomato in modo tale che, quando il cappello è inserito tra i due bracci (511a,511b), il recesso forma con l'arco di circonferenza formato dai bracci (511a/511b) un'apertura circolare (550), - due cunei (530, 530' ,530") atti ad essere inseriti nelle aperture (513) del corpo (510, 510', 510"), ed - un elemento di fissaggio (540, 540' ,540") atto ad essere inserito nel foro (521) del cappello (520, 520', 520") e nelle sedi (514) del corpo (51 0,510', 510"), caratterizzato dal fatto che - l'elemento di fissaggio (540, 540' ,540") è un elemento traviforme a sezione crescente dalle estremità verso il centro, - i due cunei (530, 530' ,530") sono posti a contatto con il cappello (520,5 20' ,520") e disposti in modo tale che la loro superficie di contatto è in un piano ortogonale a una retta passante per il centro geometrico dell'apertura circolare (550), e - quando il cappello (520,5 20' ,520") è accoppiato al corpo (510,510' ,510") mediante l'inserimento delle guide prismatiche (512) nei binari (522), i due cunei (530, 530' ,530") sono inseriti nelle aperture (513) e l'elemento di fissaggio (540, 540' ,540") è inserito nel foro (521) e nelle sedi (514), il supporto in due parti (500, 500' ,500") risulta chiuso e vincolato alla traslazione.
8. 8. Supporto in due parti (500') per albero a camme (1000') comprendente almeno: - un corpo (510'), - un cappello (520'), - due cunei (530'), e - un elemento di fissaggio (540') in cui, quando il cappello (520') è accoppiato al corpo (510'), i due cunei (530') e l'elemento di fissaggio (540') vincolano alla traslazione l'albero a camme (1000').
9. 9. Supporto in due parti (500") per albero a gomiti (1000") comprendente almeno: - un corpo (510"), - un cappello (520"), - due cunei (530"), e un elemento di fissaggio (540") in cui, quando il cappello (520") è accoppiato al corpo (510"), i due cunei (530") e l'elemento di fissaggio (540") vincolano alla traslazione l'albero a gomiti (1000").
10. 10. Supporto in due parti (500, 500' ,500") secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, in cui il corpo (510,510' ,510") è realizzato in materiale plastico avente proprietà di resistenza meccanica e termica.