ITUB20155999A1 - Macchina idraulica a cilindri flottanti - Google Patents

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Renato Galfre'
Amilcare Merlo
Stefano Negrini
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Merlo Group Innovation Lab S R L
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Description

"Macchina idraulica a cilindri flottanti"
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce alle macchine idrauliche a pistoni. Più precisamente, 1'invenzione si riferisce ad una macchina idraulica, utilizzabile come pompa e come motore, del tipo comprendente un primo rotore girevole attorno ad un primo asse ed un secondo rotore girevole attorno ad un secondo asse inclinato rispetto al primo asse.
Descrizione della tecnica relativa
Il documento WO03/058035 descrive un dispositivo idraulico comprendente un involucro, un primo rotore girevole attorno ad un primo asse e portante una prima ed una seconda serie di pistoni sporgenti da parti opposte del primo rotore. Un secondo ed un terzo rotore sono disposti da parti opposte del primo rotore e sono girevoli attorno ai rispettivi assi inclinati rispetto all'asse di rotazione del primo rotore. Il secondo ed il terzo rotore portano rispettive schiere di cilindri impegnati da rispettivi pistoni.
Uno dei problemi della soluzione descritta nel documento WO03/058035 è 1'elevato numero di componenti e di zone di tenuta idraulica.
Scopo e sintesi dell<1>invenzione
La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una macchina idraulica avente, a parità di cilindrata, minori ingombri rispetto alle soluzioni note ed avente un minore numero di componenti e di zone di tenuta idraulica.
Secondo la presente invenzione , tale scopo viene raggiunto da una macchina idraulica avente le caratteristiche formanti oggetto della rivendicazione 1.
Forme di realizzazione preferite dell'invenzione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Le rivendicazioni formano parte integrante dell'insegnamento somministrato in relazione all'invenzione .
Breve descrizione dei disegni
La presente invenzione verrà ora descritta dettagliatamente con riferimento ai disegni allegati, dati a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:
- la figura 1 è una sezione assiale di una macchina idraulica secondo la presente invenzione,
la figura 2 è una sezione assiale esplosa della macchina idraulica di figura 1,
la figura 3 è una vista prospettica esplosa dei componenti indicati dalla freccia III nella figura 2,
- la figura 4 è una vista prospettica in sezione della parte indicata dalla freccia IV nella figura 3,
la figura 5 è una vista prospettica della parte indicata dalla freccia V nella figura 3 con alcuni componenti rimossi,
- la figura 6 è una vista prospettica esplosa della parte indicata dalla freccia VI nella figura 3,
- la figura 7 è una vista prospettica illustrante un giunto omocinetico disposto fra il primo ed il secondo rotore della macchina idraulica secondo 1'invenzione, la figura 8 è una sezione assiale illustrante i collegamenti idraulici nella macchina secondo 1'invenzione, e
- la figura 9 è una vista prospettica illustrante un possibile dispositivo di regolazione della cilindrata della macchina secondo 1'invenzione.
Descrizione dettagliata
Con riferimento alle figure l e 2, con 10 è indicata una macchina idraulica secondo la presente invenzione. La macchina idraulica 10 può operare indifferentemente come pompa o come motore. La macchina idraulica 10 comprende un involucro stazionario 12 comprendente un corpo centrale 14 di forma tubolare, una prima piastra frontale 16 ed una seconda piastra frontale 18. La prima e la seconda piastra frontale 16, 18 sono fissate ad estremità opposte del corpo centrale 14. La prima e la seconda piastra frontale 16, 18 sono provviste di rispettive sedi 20, 22 per cuscinetti e tenute (non illustrati) che supportano in rotazione un albero 24 girevole rispetto all'involucro 12 attorno ad un asse principale A.
L'involucro 12 definisce una camera 26 all'interno della quale sono disposti un primo rotore 28 ed un secondo rotore 30.
Il primo rotore 28 comprende un primo corpo di rotore 32 ed una pluralità di primi pistoni 34 fissati al primo corpo di rotore 32. Il primo corpo di rotore 32 ha un foro scanalato 37 che impegna una porzione scanalata 38 dell'albero 24. Quindi, il primo rotore 28 è rotazionalmente solidale rispetto all'albero 24.
I primi pistoni 34 sono fissati a sbalzo al primo corpo di rotore 32 e hanno rispettivi assi longitudinali paralleli all'asse principale A. I primi pistoni 34 hanno rispettive teste ad anello sferico 36 distali rispetto al primo corpo di rotore 32. Il primo corpo di rotore 32 ha una superficie di appoggio radiale 40 che appoggia con contatto di tenuta idraulica contro una corrispondente superficie di appoggio 42 della prima piastra frontale 16. Nel funzionamento la superficie di appoggio radiale 40 del primo corpo di rotore 32 ruota a contatto con la superficie di appoggio 42 della prima piastra frontale 16.
Il secondo rotore 30 comprende un secondo corpo di rotore 44 ed una pluralità di secondi pistoni 46. I secondi pistoni 4 6 sono fissati al secondo corpo di rotore 44. I secondi pistoni 46 sporgono a sbalzo dal secondo corpo di rotore 44 e hanno rispettive teste ad anello sferico 48 distali rispetto al secondo corpo di rotore 44. Dal punto di vista costruttivo, i secondi pistoni 46 possono essere identici ai primi pistoni 34. Il secondo corpo di rotore 44 ha un 'apertura centrale 50 attraverso cui si estende 1 'albero 24. L'apertura centrale 50 del secondo corpo di rotore 44 ha dimensioni sostanzialmente maggiori del diametro dell'albero 24. L'apertura centrale 50 del secondo corpo di rotore 44 è dimensionata in modo da permettere al secondo rotore 30 di ruotare attorno ad un asse secondario B inclinato rispetto all'asse principale A di un angolo variabile fra un valore minimo pari a 0° (condizione in cui l'asse secondario B è allineato all'asse principale A), un angolo massimo positivo indicato con a nelle figure 1 e 2, e un angolo massimo negativo pari a - a.
La seconda piastra frontale 18 ha una sede semicilindrica concava 52 con asse ortogonale all'asse principale A. Un piatto di regolazione 54 è disposto fra il secondo corpo di rotore 44 e la seconda piastra frontale 18. Il piatto di regolazione 54 ha una superficie semicilindrica convessa 56 che impegna in modo oscillante con contatto di tenuta idraulica la sede semicilindrica concava 52 della seconda piastra frontale 18. Il piatto di regolazione 54 ha una superficie di appoggio 58 contro cui appoggia con contatto di tenuta idraulica una corrispondente superficie di appoggio 60 del secondo corpo di rotore 44. Il piatto di regolazione 54 ha un'apertura centrale 62 attraversata dall'albero 24. L'apertura centrale 62 ha dimensioni sostanzialmente maggiori del diametro dell'albero 24, in modo da permettere al piatto di regolazione 54 di assumere una pluralità di posizioni inclinate rispetto all'asse principale A.
Nel funzionamento, a cilindrata costante, il piatto di regolazione 54 è in posizione fissa rispetto alla seconda piastra frontale 18. Il secondo rotore 30 è premuto contro il piatto di regolazione 54 e il piatto di regolazione 54 è premuto contro la sede 52, in modo che le superfici di appoggio 58, 60 e 56, 52 siano costantemente a contatto fra loro con contatto di tenuta idraulica. La posizione angolare del piatto di regolazione 54 rispetto alla seconda piastra frontale 18 determina 1'angolo a fra l'asse di rotazione secondario B del secondo rotore 30 e l'asse principale A.
Con riferimento alla figura 9, secondo una forma di attuazione non esclusiva, il piatto di regolazione 54 è associato ad un attuatore 64 che regola la posizione angolare del piatto di regolazione 54 rispetto alla seconda piastra frontale 18. Nell'esempio illustrato nella figura 9 1'attuatore 64 è un attuatore rotativo che aziona in rotazione un albero 66 su cui è fissata una vite 68 che coopera con una porzione dentata 70 prevista sul piatto di regolazione 54. L'attuatore 64 comanda un'oscillazione del piatto di regolazione 54 attorno ad un asse ortogonale all'asse principale A. Dato che il secondo rotore 30 è vincolato a rimanere in contatto con la superficie di appoggio 58 del piatto di regolazione 54, il movimento di oscillazione del piatto di regolazione 54 comanda una regolazione dell'angolo a fra l'asse di rotazione B del secondo rotore 30 rispetto all'asse principale A.
Con riferimento alle figure 3 e 4, la macchina 10 comprende una pluralità di manicotti 68 separati ed indipendenti fra loro. Ciascun manicotto ha un rispettivo cilindro 70 aperto ad entrambe le estremità. Ciascun cilindro 70 è impegnato da parti opposte da un rispettivo primo pistone 34 e da un rispettivo secondo pistone 46. Le teste sferiche 36, 48 dei pistoni 34, 46 stabiliscono un contatto di tenuta idraulica con le pareti del rispettivo cilindro 70.
Con riferimento in particolare alla figura 4, ciascun manicotto 68 ha un rispettivo piano di simmetria trasversale 72, definito come il piano di simmetria del cilindro 70 ortogonale all'asse longitudinale D del cilindro 70. Ciascun manicotto 68 ha sulla sua superficie esterna una scanalatura anulare 74 coassiale all'asse longitudinale D del cilindro 70 e simmetrica rispetto al piano trasversale centrale 72.
Con riferimento alle figure 2, 4 e 6, la macchina 10 comprende un dispositivo di guida 76 associato ai manicotti 68. Il dispositivo di guida 76 impegna in modo flottante i manicotti 68 e vincola i manicotti 68 in modo che i piani trasversali centrali 72 dei singoli manicotti 68 siano costantemente contenuti in un piano di riferimento comune 78. Una retta perpendicolare al piano di riferimento comune 78 è inclinata di un angolo di ampiezza compresa tra 0 ed et, preferibilmente pari ad a/2, rispetto all' asse di rotazione A del primo rotore 28 e all'asse di rotazione B del secondo rotore 30. Il dispositivo di guida 76 comprende una piastra di guida 80 avente una pluralità di sedi semicircolari 82 che impegnano rispettive scanalature 74 dei manicotti 68. Le scanalature semicircolari 82 della piastra di guida 80 hanno un raggio superiore al raggio delle scanalature anulari 74 dei manicotti 68. Lo spessore delle scanalature semicircolari 82 è sostanzialmente pari allo spessore delle scanalature anulari 74 dei manicotti 68. I manicotti 68 impegnano in relazione di semplice appoggio le rispettive scanalature semicircolari 82. I manicotti 68 sono liberi di flottare rispetto alla piastra di guida 80 mantenendo comungue un impegno fra le scanalature semicircolari 82 e le scanalature anulari 74. In guesto modo, i piani trasversali centrali 72 dei singoli manicotti 68 sono vincolati a rimanere complanari fra loro e contenuti nel piano di riferimento comune 78, che coincide con il piano centrale della piastra di guida 80.
Il dispositivo di guida 76 comprende un anello di appoggio 84 avente una superficie sferica convessa 86 ed un foro centrale 88 che impegna 1 'albero 24 in modo liberamente girevole. L'anello di appoggio 34 è disposto sull'albero 24 fra il primo rotore 28 ed il secondo rotore 30. Il centro CI della superficie sferica 84 è posizionato sull'asse principale A.
Con riferimento in particolare alla figura 6, il dispositivo di guida 76 comprende una pluralità di piedi 90 aventi rispettive superfici sferiche concave 92 che appoggiano sulla superficie sferica convessa 86 dell'anello di appoggio 84. I raggi di curvatura delle superfici sferiche concave 92 sono pari al raggio di curvatura della superficie sferica convessa 86 dell'anello di appoggio 84. I piedi 90 hanno rispettivi gambi 94 provvisti di rispettive sedi a forma di forcella, nelle quali sono inseriti rispettivi denti radiali 96 con sezione trasversale rettangolare , sporgenti dalla parte radialmente interna della piastra di guida 80. Sui gambi 94 dei piedi 90 sono montati girevoli rispettivi corpi volventi 98 con super fici esterne di rivoluzione , preferibilmente sferiche. I piedi 90 vincolano la piastra di guida 76 rispetto all 'anello di appoggio 84 in modo che il piano di riferimento comune 78 (coincidente con il piano centrale della piastra di guida 80) passa costantemente per il centro CI della superficie sferica 86. Il piano di riferimento comune 78 passa anche per i centri C di tutti i cilindri 70 (figura 4). L'anello di appoggio 84 , il cui centro CI definisce la posizione del piano di riferimento comune 78, è vincolato fra il primo rotore 28 ed il secondo rotore 30 nel modo che verrà descritto nel seguito.
Con riferimento alla figura 7, la macchina idraulica 10 comprende un dispositivo omocinetico 100 che collega fra loro il primo rotore 28 ed il secondo rotore 30. Il dispositivo omocinetico 100 comprende una prima serie di denti frontali 102 fissi o integrali con il primo corpo di rotore 28 e una seconda serie di denti frontali 104 fissi o integrali con il secondo corpo di rotore 44 . I denti frontali 102, 104 hanno rispettivi fianchi 106, 108 con super fici cilindriche che in contatto con le super fici esterne dei corpi volventi 98. Ciascun corpo volvente 98 è trattenuto fra un fianco 106 di un dente frontale 102 del primo rotore 28 ed un fianco 108 di un dente frontale 104 del secondo rotore 30. Ciascun dente frontale 102, 104 è disposto fra due corpi volventi 98 adiacenti. I raggi di curvatura delle superfici cilindriche dei fianchi 106, 108 sono pari al raggio delle superfici esterne dei corpi volventi 98. Questa disposizione realizza una trasmissione omocinetica fra il primo rotore 28 ed il secondo rotore 30, che garantisce che le velocità angolari dei due rotori 28, 30 attorno ai rispettivi assi A e B siano costantemente identiche fra loro.
Con riferimento alla figura 5, i denti frontali 104 del secondo corpo di rotore 44 hanno superfici interne 134 con una forma sferica concava che sono premute a contatto contro la superficie sferica convessa 86 dell'anello di appoggio 84. Con riferimento alla figura 4, un elemento elastico in compressione 136 è disposto fra 1'anello di appoggio 84 e il primo corpo di rotore 32. L'elemento elastico 136 può essere costituito da una molla a onda come illustrato nella figura 4 o, in alternativa, da una molla elicoidale o gualungue altro elemento elastico atto ad applicare una forza assiale fra il primo corpo di rotore 32 e 1'anello di appoggio 84. L'elemento elastico 136 è alloggiato in una sede 138 del primo corpo di rotore 32 situata internamente rispetto ai denti frontali 102. L'elemento elastico 136 applica una forza elastica sull'anello di appoggio 84 nella direzione dell'asse principale A e preme la superficie sferica 86 dell'anello di appoggio 84 a contatto contro le superfici sferiche 134 del secondo corpo di rotore 44. La forza elastica prodotta dall'elemento elastico 136 in assenza di pressione idraulica nei cilindri 70 crea la forza di contatto necessaria per assicurare la tenuta idraulica fra il primo rotore 28 e la prima piastra frontale 16 e fra il secondo rotore 30, il piatto di regolazione 34 e la seconda piastra frontale 18.
Con riferimento alle figure 4, 5 e 7, il primo corpo di rotore 32 è munito di prime aperture 110 entro le quali sono fissate le porzioni di radice di rispettivi primi pistoni 34. Allo stesso modo, il secondo corpo di rotore 44 è munito di seconde aperture 112 entro le quali sono fissate le porzioni di radice di rispettivi secondi pistoni 46. Come illustrato nelle figure 1 e 8, i primi ed i secondi pistoni 34, 46 sono provvisti di rispettive cavità 116, 118 che mettono in comunicazione le rispettive aperture 110, 112 con il rispettivo cilindro 70. Con riferimento alla figura 4, le prime aperture 110 del primo corpo di rotore 32 sono ciclicamente in comunicazione con luci 120 formate nella superficie di appoggio 42 della prima piastra frontale 16. Le luci 120 sono collegate a condotti 122, 124 di ingresso/uscita di fluido idraulico. Con riferimento alla figura 8, le aperture 112 del secondo corpo di rotore 44 sono ciclicamente in comunicazione di fluido con aperture passanti 126 formate nel piatto di regolazione 54. Le aperture passanti 126 sono a loro volta in comunicazione di fluido con luci 128 formate nella seconda piastra frontale 18 e in comunicazione di fluido con condotti 130, 132 di ingresso/uscita di fluido.
In una forma di realizzazione alternativa potrebbero essere previsti condotti di ingresso/uscita 122, 124 soltanto nella prima piastra frontale 16. In questo caso la seconda piastra frontale 18 sarebbe priva di condotti idraulici 130, 132. In questo caso le cavità 118 dei secondi pistoni 46 potrebbero essere parzialmente riempite da elementi di chiusura inseriti nelle cavità 118, in modo da limitare il volume di olio all'interno dei cilindri 70. Le aperture passanti 126 lasciano libero il collegamento per la compensazione delle forze.
La macchina idraulica 10 può operare indifferentemente in modalità di pompa idraulica o di motore idraulico. In entrambe le modalità di funzionamento, 1'angolo di inclinazione a del piatto di regolazione 54 determina la cilindrata di lavoro della macchina. La cilindrata di lavoro è nulla guando 1'angolo a fra l'asse di rotazione secondario B e l'asse di rotazione principale A è nullo (condizione in cui i due assi sono coincidenti). La cilindrata di lavoro è massima guando 1'angolo a fra gli assi di rotazione B ed A è pari al massimo angolo di lavoro. La cilindrata della macchina può essere variata con continuità fra il valore massimo negativo ed il valore massimo positivo variando 1'angolo di inclinazione del piatto di regolazione 54 da -et a ct mediante 1'attuatore 64.
In una gualungue posizione in cui 1'angolo et è diverso da zero, la rotazione dei rotori 28, 30 attorno ai rispettivi assi di rotazione A, B produce un movimento alternato dei pistoni 34, 46 all'interno dei rispettivi cilindri 70 fra una posizione distanziata ed una posizione ravvicinata. Questo movimento varia ciclicamente il volume dei cilindri compreso fra i due pistoni 34, 46. Le variazioni cicliche dei volumi dei cilindri 70 producono portata nel caso di funzionamento come pompa o una coppia di lavoro nel caso di funzionamento come motore.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di costruzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a guanto descritto ed illustrato senza per guesto uscire dall'ambito dell'invenzione così come definito dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina idraulica comprendente: - un involucro esterno (12) comprendente una prima piastra frontale (16) ed una seconda piastra frontale (18), - un albero (24) portato da dette prima e seconda piastra frontale (16, 18) in modo girevole attorno a un asse principale (A), - un primo rotore (28) comprendente un primo corpo di rotore (32) girevole in modo solidale a detto albero (24) attorno a detto asse principale (A), e una pluralità di primi pistoni (34) con rispettive teste ad anello sferico (36), fissati a detto primo corpo di rotore (32), - un secondo rotore (30) comprendente un secondo corpo di rotore (44) e una pluralità di secondi pistoni (46) con rispettive teste ad anello sferico (48), in cui il secondo rotore (30) è girevole attorno ad un asse secondario (B), inclinato rispetto a detto asse principale (A), una pluralità di manicotti (68) separati ed indipendenti fra loro, aventi ciascuno un cilindro (70) aperto ad estremità opposte ed impegnato da parti opposte da un primo pistone (34) e da un secondo pistone (46), con le teste ad anello sferico (36, 48) del primo e del secondo pistone (34, 46) in contatto di tenuta idraulica con il cilindro (70), in cui ciascun manicotto (68) ha un rispettivo piano di simmetria trasversale (72) ortogonale rispetto all'asse longitudinale (D) del cilindro (70), e - un dispositivo di guida (76) che impegna in modo flottante detti manicotti (68) e vincola i manicotti (68) in modo che i piani di simmetria trasversali (72) dei singoli manicotti (68) siano costantemente contenuti in un piano di riferimento comune (78).
  2. 2. Macchina secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di guida (76) comprende una piastra di guida (80) avente una pluralità di sedi semicircolari (82) che impegnano rispettive scanalature anulari (74) formate sulle super fici esterne di detti manicotti (68 ), dette scanalature anulari (74) essendo coassiali agli assi longitudinali (D) di detti manicotti (68) ed essendo simmetriche rispetto ai rispettivi piani centrali trasversali (72).
  3. 3. Macchina secondo la rivendicazione 2, in cui detto dispositivo di guida (76) comprende un anello di appoggio (84 ) coassiale all 'albero (24) e disposto fra il primo rotore (38) e il secondo rotore (30), detto anello di appoggio (84) avendo una superficie esterna sferica convessa (86) sulla guaie appoggiano piedi (90) muniti di gambi (94) che impegnano rispettivi denti radiali a sezione rettangolare (96) di detta piastra di guida (80).
  4. 4. Macchina secondo la rivendicazione 3 , in cui il secondo corpo di rotore (44) è munito di superfici sferiche concave (134) premute in appoggio sulla superficie sferica convessa (86) di detto anello di appoggio (84).
  5. 5 . Macchina secondo la rivendicazione 4 , in cui un elemento elastico in compressione (136) è disposto fra detto anello di appoggio (84) e detto primo corpo di rotore (40) .
  6. 6. Macchina secondo una guaisiasi delle rivendicazioni precedenti , in cui il secondo corpo di rotore (30) appoggia contro un piatto di regolazione (54) alloggiato in una sede cilindrica (52) della seconda piastra frontale (18) ed associato ad un attuatore (64) atto a variare l'angolo dell'asse di rotazione secondario (B) del secondo rotore (30) .
  7. 7. Macchina secondo la rivendicazione 1 , in cui il primo ed il secondo rotore (28, 30) sono collegati in rotazione fra loro mediante un dispositivo omocinetico (100) comprendente una prima serie di denti frontali (102) portati dal primo corpo di rotore (32) ed una seconda serie di denti frontali (104) portati dal secondo corpo di rotore (44) i primi e i secondi denti frontali (102, 104) avendo rispettivi fianchi (106, 108) che cooperano con corpi volventi (98).
  8. 8. Macchina secondo la rivendicazione 7 dipendente dalla rivendicazione 3, in cui detti corpi volventi (98) sono montati girevoli su rispettivi gambi (94) di detti piedi (90) di detto dispositivo di guida (76).
  9. 9. Macchina secondo una guaisiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti primi pistoni (34) hanno rispettive cavità (116) che mettono in comunicazione detti cilindri (70) con aperture (110) di detto primo corpo di rotore (32) che entrano ciclicamente in comunicazione di fluido con luci (120) di detta prima piastra frontale (16) comunicanti con condotti (122, 124) di ingresso/uscita di fluido idraulico.
  10. 10. Macchina secondo una guaisiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti secondi pistoni (46) hanno rispettive cavità (118) che mettono in comunicazione detti cilindri (70) con aperture (112) di detto secondo corpo di rotore (44) che entrano ciclicamente in comunicazione di fluido con aperture passanti (126) formate in detto piatto di regolazione (54) a loro volta disposte in comunicazione di fluido con luci (128) di detta seconda piastra frontale (18) comunicanti con condotti (130, 132) di ingresso/uscita di fluido idraulico.
  11. 11. Macchina secondo la rivendicazione 3, in cui i piedi (90) vincolano la piastra di guida (76) rispetto all'anello di appoggio (84) in modo che il piano di riferimento comune (78) passa costantemente per il centro (CI) della superficie sferica convessa (86) di detto anello di appoggio (84) e per i centri (C) di detti cilindri (70), in cui detto anello di appoggio (84) è vincolato fra il primo rotore (28) e il secondo rotore (30).
  12. 12. Macchina secondo la rivendicazione 3, in cui detti piedi (90) vincolano detta piastra di guida (76) rispetto a detto anello di appoggio (84) in modo che il piano di riferimento comune (78) è coincidente con il piano centrale della piastra di guida (80).
  13. 13. Macchina secondo una gualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui una retta perpendicolare a detto piano di riferimento comune (76) è inclinata rispetto all'asse di rotazione (A) del primo rotore (28) e all'asse di rotazione (B) del secondo rotore (30) di un angolo ( a/ 2 ) di ampiezza pari alla metà dell'angolo (a) fra 1'asse di rotazione (A) del primo rotore (28) e 1'asse di rotazione (B) del secondo rotore (30).
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