ITVI970030A1

ITVI970030A1 - Albero ad espansione composito ibrido

Info

Publication number: ITVI970030A1
Application number: IT97VI000030A
Authority: IT
Inventors: Alessio Pretto
Original assignee: Alessio Pretto
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1998-08-19
Also published as: IT1292954B1; US5746387A

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente titolo:”ALBERO AD ESPANSIONE COMPOSITO, IBRIDO".

1. Dominio dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce a mandrini di trascinamento o alberi per far presa rsu superfici interne di manicotti o tubi sui quali può essere avvolto del materiale da bobinare.

Nell’avvolgere e riavvolgere materiale da bobinare come carta, stoffa o altro materiale in fogli, questi sono avvolti su un manicotto o un tubo avente il diametro interno leggermente più largo dell’albero del sistema di avvolgimento. In questo modo il manicotto può essere facilmente fatto scivolare avanti e indietro sull'albero. Come risultato si deve disporre di un meccanismo per assicurare un accoppiamento efficace tra l’albero e il manicotto attorno al quale viene avvolto il materiale da bobinare. Per questo, esistono alberi ad espansione per far presa su manicotti per bobine e assicurare una efficace connessione.

La presente invenzione si rivolge a tali alberi ad espansione ed al loro metodo di realizzazione che offra vantaggi funzionali e strutturali in confronto agli alberi ad espansione presenti.

2. Descrizione dell’arte anteriore

Gli alberi ad espansione o mandrini sono generalmente costruiti con elementi sulla superficie adatti ad essere radialmente allungati verso l'esterno con dilatazione di camere d’aria nell'interno dell’albero. I disegni dell’albero possono essere ricondotti a due categorie generali, il tipo ad aletta-pulsante ed il tipo a barre scanalate. Il primo tipo prevede un numero discreto di alette collocate in differenti punti lungo l’albero. Generalmente si ha una camera d’aria nell'interno dell’albero che ò appropriatamente dilatata da causare l'estensione delle alette radialmente verso l'esterno per far presa sul manicotto per bobina che avvolge l’albero. Il tipo scanalato di albero ad espansione generalmente comprende una pluralità di scanalature ad uguale distanza l’una dall'altra Intorno alla circonferenza dell’albero e ad elementi allungati su pressione che si trovano nelle scanalature. Le singole camere d'aria collocate nelle scanalature dell’albero sono dilatate per gravare sugli elementi a pressione ed estenderli radialmente verso l’esterno per far presa sulla superficie del manicotto della bobina.

Esempi di detti alberi di tipo noto sono riportati nei brevetti U.S.A. numero 3.493.189 - 3.552.672 - 3.904.144 e 4.473.195.

Questi alberi ad espansione dei tipo noto sono usualmente corpi cilindrici compositi in alluminio o acciaio lavorato con macchine utensili aventi alle estremità perni di rotazione in acciaio. I corpi cilindrici in acciaio lavorato con macchine utensili sono utilizzati per supportare grandi pesi e per applicazioni che richiedono alta rigidità. Il peso di questi alberi ad espansione in acciaio è spesso eccessivo e frequentemente sopra gii attuali limiti di peso OSHA per il sollevamento da singoli senza assistenza meccanica. La lavorazione di tali alberi compositi di tipo noto, implica molte fasi di processo e richiede lungo lavoro ed alto costo. Gli alberi in alluminio d’altra parte, sono limitati a pesi più leggeri e per applicazioni che richiedono poca rigidezza.

Alcuni degli svantaggi degli alberi di tipo noto si sono cercatifs di superare con il brevetto USA n° 5.379.964 che descrive un albero ad espansione avente un’anima cilindrica ed una pluralità di profilati allungati connessi alla circonferenza esterna dell’anima. L’anima può essere formata di materiale composito cosi come per i profilati. Tuttavia, questo albero di tipo noto, di cui uno degli autori del presente brevetto é un co-inventore, manca di rigidezza alla flessione e resistenza alla compressione richiesta in molte applicazioni. La presente invenzione é diretta a superare questi e altri inconvenienti esistenti attualmente.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

L’albero ad espansione della presente invenzione é del tipo scanalato che utilizza materiali compositi rinforzati con fibre. Gli alberi di tali materiali hanno vantaggi considerevoli in confronto ad alberi metallici del tipo noto. In particolare, hanno una rigidità specifica più alta, una resistenza specifica più alta e sono di peso notevolmente inferiore degli alberi di alluminio e acciaio di uso corrente.

Gli alberi della presente invenzione possono essere di forma diversa e in una preferita forma di realizzazione, quella di un involucro a struttura di iso-griglia formata da alluminio estruso o puitrusioni di fibro-resina. L’albero comprende un involucro centrale costituito da un'anima cilindrica e profilati radiali verso l’esterno che sono integrali e formati o dal sopra menzionato alluminio estruso o con metodi di pultrusione di fibro-resina. Inoltre, i profilati dell'involucro a iso-griglia contengono aperture che si estendono parallelamente aM’asse dell’albero che riceve gli elementi compositi di rinforzo. La pluralità di elementi di rinforzo compositi sono formati preferibilmente da un processo, in cui resina e fibre sono tirate attraverso le aperture dei profilati a iso-griglia con il risultato di ottenere fibre sostanzialmente parallele che corrono per tutta la lunghezza dell’albero che é della desiderata sezione trasversale uniforme. I profilati dell’involucro formano scanalature allungate e in ciascuna scanalatura è collocata una unità di pressione e una camera d’aria allungata che quando dilatata serve per spingere l'unità di pressione radialmente verso l'esterno. L’albero é completato da appropriati perni di rotazione fissati alle estremità e da un condotto per il fluido per la dilatazione della camera.

Con ciò, il principale scopo della presente invenzione é quello di ottenere un albero ad espansione migliorato del tipo a scanalature che sia formato da materiale rinforzato da fibre per dare le caratteristiche fisiche desiderate di peso, rigidezza, resistenza e costo competitivo,

Un ulteriore scopo della presente invenzione é di proporre un metodo per ottenere un albero scanalato ad espansione di disegno ibrido utilizzando materiali compositi rinforzati con fibre e una struttura a iso-griglia metallica.

E' un ulteriore scopo della presente invenzione di proporre un albero scanalato ad espansione di un disegno tale che sia efficiente nell’operatività ed abbia caratteristiche meccaniche vantaggiose.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Gli oggetti e i vantaggi della presente invenzione saranno, oltre che da quanto procede, più chiari dalla descrizione dettagliata che segue di una preferita realizzazione dell'invenzione considerata un tutt’uno con i disegni che lo accompagnano in cui la:

Fig. 1 é una vista dei pezzi smontati di un albero ad espansione della presente invenzione;

Fig. 2 é una vista in sezione dell’ albero di figura 1.

Fig. 3 é una vista in sezione presa sulla linea 3-3 della fig.

2;

Fig. 4 é una vista in sezione dell’involucro a struttura di isogriglia e dei rinforzi compositi;

Fig. 5 è una vista dettagliata di una sezione trasversale di una singola scanalatura con la camera d’aria a riposo;

Fig. 6 é una vista simile alla fig. 5 con la camera d’aria espansa; e la

Fig. 7 é una vista in sezione dell’involucro a struttura di isogriglia.

DESCRIZIONE DI UNA REALIZZAZIONE PREFERITA

Riferendoci ora ai disegni, l'albero ad espansione é mostrato nel complesso come 10 e comprende un involucro a isogriglia 12 mostrato in sezione trasversale nelle fig. 4 e 7.

L' involucro é una unità integrale singola ed é usata come elemento di supporto principale dell'albero 10. Nella realizzazione mostrata, l’involucro 12 comprende un’anima cilindrica 1 1 e tre barre allungate 13, 15, e 17 che si estendono per la lunghezza dell’involucro, parallelamente all'asse dello stesso e di un contorno esterno arcuato. Ciascuna barra 13, 15, 17 ha una apertura allungata 19, 21 , 23 che si estende rispettivamente per la lunghezza dell’involucro. Le aperture sono preferibilmente a sezione trasversale arcuata come si può vedere nelle figure 4 e 7.

L’involucro a iso-griglia 12 può essere fatto di alluminio estruso per formare l’anima dell’involucro 11 e i tre profilati. Una alternativa è di formare l’involucro con una pultrusione composita. Questa alternativa può essere realizzata con fibre unidirezionali e fibre di rinforzo intrecciate continue e con una matrice polimerica. Come risultato di questo tipo di fabbricazione, le fibre hanno angoli diversi per tutta la lunghezza dell' involucro a iso-griglia per dare alta resistenza alia torsione all’involucro a jso-griglia.

I materiali compositi sono ben conosciuti e consistono di due o più sostanze che, differentemente dai metalli di una lega, rimangono ben distinti entro il materiale risultante dalla combinazione. Nel composto qui utilizzato, una fibra di rinforzo di carbonio o di vetro è inclusa in una matrice polimerica costituita da una resina termoindurente o termoplastica.

La grande resistenza e rigidità delle fibre di carbonio combinate con la loro bassa densità danno materiali compositi con dieci volte la resistenza specifica alla tensione dell’acciaio ed alluminio, ed approssimativamente quattro volte il modulo specifico. Inoltre, la specifica combinazione delle proprietà delle fibre di carbonio dà materiali compositi con benefici meccanici significativi se confrontati con le fibre di vetro, ceramica e fibre di Kevlar. I due tipi di fibre e le loro proprietà adatte per il presente albero sono i seguenti:

Tipo di fibra resistenza modulo densità

(KS) (MS) (Lb/in 3)

Grafite 350 92 0.079

Grafite 700 34 0.0625

Le aperture 19, 21 , 23 sono riempite con rinforzi compositi 25, 27, 29 preferibilmente con un processo in cui la resina e le fibre sono tirate attraverso le aperture con il risultato di avere fibre sostanzialmente parallele che corrono per tutta la lunghezza del rinforzo. Questo ottenimento di fibre che si estendono parallele lungo tutta la lunghezza del rinforzo è una caratteristica particolarmente importante della presente invenzione. E’ stato trovato che questo crea la rigidità desiderata dell'albero finito.

Un aspetto importante della presente invenzione è il metodo di fabbricazione dell'albero. Gli alberi scanalati ad espansione del tipo in acciaio sono comunemente formati di un singolo elemento unitario in acciaio che è lavorato a macchine utensili in modo da avere scanalature appropriate. Per fare questo con un albero composito, come già descritto, sarebbe difficile e costoso. Tale processo con un albero composito, richiederebbe speciali attrezzi per alta velocità con taglio a diamante che tendono a degradare le proprietà strutturali del materiale composito. Gli alberi in alluminio sono generalmente estrusi, un processo che non è applicabile ai materiali compositi.

Si è visto che i tre profilati 13, 15, 17 sono egualmen; spaziati su una circonferenza formando tre scanalature 2 22, 24 che si estendono anche per la lunghezza assiale dell'involucro 12.

Anche se sono mostrati tre profilati e tre scanalature, si intende che l'involucro 12 può essere formato con più o meno di tre profilati ed un corrispondente numero di scanalature.

Collocata in ciascuna scanalatura c’è una unità di pressione indicata nel complesso con 28 che consiste di un elemento di base piatto 30 e di una serie di piatti di gomma 32 che sono legati alla base 30. L’unità di pressione 28 cosi comprende una T allungata, capovolta che, quando installata dentro (a scanalatura, i bordi esterni della striscia 30 sono collocati sotto i bordi 26 del profilato come si può vedere più chiaramente in fig. 6.

Sotto ciascuna unità di pressione c’è una camera d’aria dilatabile 34 fatta di un adatto materiale flessibile come la gomma. Un elemento metallico 36 avente un foro è inserito al di sotto di ciascuna camera d'aria dove l'aria o un altro fluido può entrare nella camera per l’azione di espansione. Le estremità delie camere d'aria sono chiuse da morsetti 37 bloccati da viti a ferro 39 penetranti nell’anima.

Una coppia di perni di rotazione 38 e 40 sono previsti alle due estremità dell’albero per un opportuno montaggio. Il perno di rotazione 38 ha un foro assiale 42, una pluralità di fori radiali 44 per il collegamento della sorgente pneumatica con l’ingresso individuale alla camera, e un fissaggio 36. Un collare 43 circonda ciascun perno e imboccola l'estremità ridotta 46 dell’albero 10. Una serie di moile a foglia 48 a forma di U sono collocate in ciascuna scanalatura sopra la rispettiva base 30 e sotto i bordi 26 dei profilati. Lo scopo delle molle a foglia è quello di spingere l’unità di pressione 28 radialmente verso l'interno quando la rispettiva camera d'aria è sgonfiata.

La fig. 5 illustra la situazione della camera 34 a riposo e si può vedere che la molla 48 è incurvata con la parte superiore contro i bordi 26 per spingere l'elemento 30 radialmente verso l'interno. La fig. 6 illustra la camera d’aria nella posizione di espansione con le molle 48 compresse e l’unità di pressione allungata radialmente verso l’esterno. In conclusione, gli alberi della presente invenzione possono avere varie forme e in una realizzazione preferita l’involucro a struttura di iso-griglia è costituito di alluminio estruso o di pultrusioni di fibro-resina. La pluralità di rinforzi compositi 25, 27, 29 sono formati preferibilmente con un processo in cui la resina e le fibre sono tirate attraverso i profilati dell'involucro a struttura di iso-griglia 13, 15, 17 che provocano un parallelismo sostanziale delle fibre che percorrono la lunghezza dell’elemento di rinforzo composito che è della desiderata sezione trasversale uniforme.

Avendo cosi descritto l’invenzione con particolar riguardo a forme preferite, è ovvio che variazioni e modifiche possono essere effettuate senza uscire dallo spirito e scopo di questa invenzione come definito nelle rivendicazioni in appendice.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 ) Un albero a espansione che comprende: una struttura a involucro allungata con un'anima cilindrica ed una pluralità di profilati che si estendono verso l’esterno dell’anima cilindrica ed in modo assiale rispetto alla struttura dell’involucro; detti profilati essendo spaziati opportunamente a formare scanalature che si estendono parallelamente all'asse dell’involucro; mezzi sporgenti su pressione posizionati entro ciascuna scanalatura e atti ad essere spinti radialmente verso l’esterno; mezzi dilatabili posizionati entro ciascuna scanalatura per spingere radialmente verso l’esterno e selettivamente detti mezzi sporgenti su pressione; ciascuna di dette pluralità di profilati avendo in essi una apertura allungata; e mezzi di rinforzo di materiale composito fibroso che sostanzialmente riempiono ciascuna detta apertura.
2) Albero ad espansione secondo la rivendicazione 1 in cui il rinforzo composito fibroso comprende materiali fibrosi che si estendono sostanzialmente paralleli all’asse di detto albero.
3) Albero ad espansione secondo la rivendicazione 2 in cui il materiale fibroso comprende fibre di carbonio.
4) Albero ad espansione secondo la rivendicazione 2 in cui il materiale fibroso comprende fibre di vetro.
5) Albero ad espansione secondo la rivendicazione 1 in cui detta struttura a involucro allungata è formata da un materiale composito fibroso.
6) Albero ad espansione secondo la rivendicazione 1 in cui detta struttura a involucro allungata è formata da alluminio estruso.
7) Albero ad espansione secondo la rivendicazione 1 in cui detta struttura ad involucro allungata è formata da materiale composito di fibra di carbonio in una matrice organica.
8) Un albero ad espansione comprendente: un involucro a iso-griglia che forma un'anima allungata e una pluralità di barre che si estendono all’esterno dell’anima e assialmente rispetto all’involucro a iso-griglia; detto involucro a iso-griglia essendo formato da un materiale composito di fibra di carbonio in una matrice organica; dette barre essendo spaziate opportunamente per formare scanalature che si estendono parallele all’asse dell’involucro; ; mezzi sporgenti su pressione posizionati entro ciascuna scanalatura ed atti ad essere spinti radialmente verso l’esterno; mezzi posizionati in ciascuna scanalatura per spingere selettivamente detti mezzi sporgenti su pressione radialmente verso l’esterno; ciascuna di detta pluralità di barre aventi in esse una apertura allungata; mezzi di rinforzo di materiale composito fibroso formato da fibre di carbonio in una matrice organica che sostanzialmente riempiono ciascuna di dette aperture delle barre; e dette fibre di carbone che si allungano sostanzialmente in longitudine secondo l’asse di detto albero.