ITVR20090183A1 - Metodo per la taratura di attuatori pneumatici ed attuatore tarato cosi' ottenibile - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

METODO PER LA TARATURA DI ATTUATORI PNEUMATICI ED ATTUATORE TARATO COSÌ OTTENIBILE

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un metodo per la taratura di attuatori pneumatici ed un attuatore tarato così ottenibile. In particolare la presente invenzione à ̈ rivolta agli attuatori pneumatici per veicoli con motore a combustione interna ed ancor più in particolare a quegli attuatori utilizzati per la regolazione ed il controllo di turbocompressori.

A tale famiglia di attuatori si farà pertanto riferimento nel seguito, fermo restando che la presente invenzione può comunque essere applicata anche ad attuatori destinati ad altri usi purché con analoghe esigenze di taratura. In generale, gli attuatori pneumatici sono dei dispositivi che presentano una struttura di contenimento definente al proprio interno una camera suddivisa in due ulteriori camere da una membrana flessibile montata a tenuta di gas. Alla membrana à ̈ poi fissata una prima estremità di una barra di azionamento rettilinea che si estende attraverso la struttura di contenimento e che presenta una seconda estremità che in uso viene collegata al dispositivo da comandare (quale la manovella di un turbocompressore), tramite una testa di connessione ad essa solidale.

Almeno una delle due camere definite dalla membrana all’interno dell’attuatore, oltre ad essere una camera a volume variabile in funzione della conformazione assunta dalla membrana, à ̈ realizzata a tenuta di fluido ed à ̈ in collegamento con un condotto attraverso il quale à ̈ possibile variarne la pressione interna (generando una sovrappressione o una depressione tramite una fonte esterna). Alla membrana à ̈ poi fissata una tazza di accoppiamento e tra la tazza e la struttura di contenimento à ̈ interposta una molla il cui compito à ̈ quello di contrastare le variazioni di volume della camera a volume variabile (nelle soluzioni realizzative più diffuse in cui si lavora in depressione, la molla tende a mantenere la camera al proprio volume massimo).

L’azione combinata della variazione di pressione e della molla può quindi determinare uno spostamento controllato sia della membrana sia, conseguentemente, dell’estremità della barra ad essa solidale.

Per quanto riguarda la testa di connessione fissata alla barra di azionamento, a seconda dei casi essa può essere avvitata sulla barra stessa, o saldata ad essa.

Nel primo caso, la posizione reciproca della testa di connessione e della barra può essere variata, mentre nel secondo caso ciò non à ̈ ovviamente possibile.

Per poter controllare in uso la posizione della barra, infine, gli attuatori sono inoltre provvisti di appositi mezzi di rilevazione che, a seconda delle esigenze, possono assumere diverse forme. Esempi di tali mezzi di rilevazione sono descritti nel brevetto italiano n. 1354723 e nella domanda di brevetto italiano n. VR2009A000042.

La tecnica nota sin qui descritta presenta però alcuni inconvenienti, in particolare in relazione al comportamento degli attuatori in uso e quindi alla possibilità di realizzare attuatori standardizzati con prestazioni costanti.

Il funzionamento di un tipico attuatore per turbocompressori di tipo noto à ̈ rappresentato ad esempio dalla linea a tratto continuo nelle figure 1 e 2 che rappresentano in ascissa lo spostamento della barra di azionamento rispetto alla condizione di riposo (in cui la camera a volume variabile à ̈ a pressione atmosferica) ed in ordinata la differenza di pressione rispetto alla pressione atmosferica (vantaggiosamente si tratta di depressione).

In uso, partendo da una condizione stazionaria (barra di azionamento ferma) ed aumentando in valore assoluto la differenza di pressione si ha inizialmente una fase in cui la barra resta comunque ferma a causa degli attriti in gioco e della elasticità della membrana. Successivamente l’ulteriore aumento in valore assoluto della differenza di pressione determina uno spostamento sostanzialmente lineare della barra di azionamento. Un funzionamento analogo ma invertito si ha anche quando partendo da una situazione stazionaria si diminuisce la differenza di pressione nella camera a volume variabile.

In altre parole, come visibile nelle unite figure 1 e 2, il comportamento di un attuatore risente sempre una certa isteresi che, a parità di struttura à ̈ sostanzialmente la stessa per tutti gli attuatori (da questo punto di vista le differenze di comportamento tra i singoli attuatori sono minime e possono essere trascurate).

Al contrario, esistono differenze significative tra i vari attuatori per quanto riguarda la corrispondenza tra posizione assoluta della barra di azionamento e differenza di pressione nella camera a volume variabile.

Due possibili differenze di comportamento sono raffigurate dai cicli a linea tratto lungo-tratto corto nelle figure 1 e 2. In particolare, in figura 1 à ̈ evidenziato il caso di un attuatore che determina lo stesso spostamento della barra di attivazione dell’attuatore rappresentato dalla linea a tratto continuo, ma a fronte di un diverso range di variazione della pressione nella camera a volume variabile. In figura 2 à ̈ invece rappresentato il comportamento dello stesso attuatore se la pressione viene variata come per l’attuatore il cui comportamento à ̈ raffigurato dalla linea a tratto continuo; come si può vedere lo spostamento che si ottiene à ̈ notevolmente diverso nei due casi.

La freccia a doppia punta riportata nelle figure 1 e 2 evidenzia la differenza di comportamento tra i due attuatori (in entrambi i casi dell’ordine di 1mm su una corsa complessiva di 4 mm). In particolare, la freccia indica la differenza di posizione a parità di pressione.

Nelle figure 1 e 2, infine, le linee tratteggiate indicano la fascia empirica di possibile variazione del comportamento di una famiglia di attuatori commerciali tutti teoreticamente uguali tra loro.

Alla luce della variabilità dei comportamenti degli attuatori, appare chiaro come, in sede di utilizzo, al momento dell’installazione sul veicolo sia necessario tarare empiricamente la coppia attuatore-elemento da controllare in modo da ottenere un corretto controllo del turbocompressore.

Nel caso in cui la testa di connessione si avvitata sull’asta ciò può essere ottenuto regolando l’avvitamento della testa stessa. Nel caso in cui invece la testa sia fissata all’asta, la taratura deve necessariamente interessare la centralina di controllo in relazione al controllo della pressione nella camera a volume variabile.

In entrambi i casi, comunque, una volta eseguita la taratura, il corretto funzionamento à ̈ garantito dai mezzi di rilevazione della posizione dell’asta. In questa situazione il compito tecnico posto alla base della presente invenzione à ̈ di mettere a punto un metodo per la taratura di attuatori pneumatici nonché un attuatore tarato così ottenibile, che rimedi agli inconvenienti citati.

È in particolare compito tecnico della presente invenzione mettere a punto un metodo per la taratura di attuatori pneumatici che permetta di tarare a priori tutti gli attuatori prima del loro utilizzo e che garantisca quindi una costanza del comportamento di tutti gli attuatori di una certa tipologia.

Il compito tecnico specificato e lo scopo indicato sono sostanzialmente raggiunti da un metodo per la taratura di attuatori pneumatici e da un attuatore tarato così ottenibile, secondo quanto descritto nelle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un metodo per la taratura di attuatori pneumatici e di un attuatore tarato così ottenibile, illustrata negli uniti disegni, in cui:

- la figura 1 mostra un primo possibile comportamento degli attuatori noti; - la figura 2 mostra un secondo possibile comportamento degli attuatori noti;

- la figura 3 mostra in vista laterale un attuatore da tarare in accordo con la presente invenzione;

- la figura 4 mostra in sezione l’attuatore di figura 3 secondo la traccia IV-IV; - la figura 5 mostra un particolare dell’attuatore di figura 3, sezionato secondo un piano di sezione perpendicolare a quello della figura 4, al termine del metodo di taratura oggetto della presente invenzione;

- la figura 6 mostra il particolare di figura 5 in una prima vista assonometrica; e

- la figura 7 mostra il particolare di figura 5 in una seconda vista assonometrica.

Con riferimento alle figure citate à ̈ stato globalmente indicato con il numero di riferimento 1 un attuatore pneumatico tarabile secondo la presente invenzione.

Per quanto riguarda l’attuatore 1 pneumatico cui la presente invenzione può essere applicata, in generale esso comprende una struttura di contenimento 2 che definisce al proprio interno una camera di lavoro 3 nella quale à ̈ montata una membrana 4 flessibile. La membrana 4 delimita all’interno della struttura di contenimento 2 almeno una camera a volume variabile 5 a tenuta di fluido, alla quale à ̈ connesso almeno un condotto 6 che permette di variarne la pressione interna (al condotto 6, in uso, viene connesso un dispositivo in grado di generare una sovrappressione o una depressione). Come si vede in figura 3, esternamente alla struttura di contenimento 2 à ̈ fissata una flangia 7 sagomata per il montaggio dell’attuatore 1 (ad esempio sul veicolo).

Attraverso la struttura di contenimento 2 à ̈ poi scorrevolmente montata almeno un’asta rigida 8 che ha una prima estremità 9 solidale alla membrana 4 ed una seconda estremità 10 posta all’esterno della struttura di contenimento 2 e sulla quale à ̈ montabile almeno una testa 11 di connessione destinata a permettere il collegamento dell’attuatore 1 ad un elemento da controllare, quale una manovella di un turbocompressore.

Come meglio spiegato nel seguito, la posizione della testa 11 di connessione rispetto all’asta rigida 8 deve poter essere variata prima dell’esecuzione del metodo di taratura, mentre rimane fissa dopo l’esecuzione del metodo di taratura stesso.

Preferibilmente, inoltre, la testa 11 di connessione comprende uno snodo sferico 12 per la connessione all’elemento da controllare, quale la manovella di un turbocompressore. Lo snodo sferico 12, in particolare, ha la funzione di compensare eventuali disallineamenti che si possano verificare tra la testa 11 di connessione e l’elemento da controllare.

Nelle unite figure lo snodo sferico 12 à ̈ costituito da una sede 13 definente una superficie interna approssimativamente a forma di zona sferica (vantaggiosamente a due basi speculari), ed una boccola 14 di collegamento esternamente controsagomata alla sede 13 e girevolmente inserita in essa. In particolare, la boccola 14 definisce l’elemento di aggancio per la connessione all’elemento da controllare (nelle figure 6 e 7 la boccola 14 à ̈ rappresentata ruotata rispetto alla sede 13 per metterne in evidenza la forma a zona sferica cava). Nel caso illustrato, inoltre, in condizione di riposo lo snodo sferico 12 à ̈ simmetrico rispetto al piano IV-IV illustrato in figura 3.

Vantaggiosamente, inoltre, la testa 11 di connessione illustrata nelle unite figure à ̈ costituita da due gusci 15 accoppiati disposti simmetricamente rispetto al piano IV-IV di figura 3 (figura 5). Ciascun guscio 15 definisce quindi metà della sede 13 a forma di zona sferica, nonché metà di un alloggiamento 16 che ha la funzione di permettere il collegamento della testa 11 di connessione all’asta rigida 8, come meglio spiegato nel seguito. Tale alloggiamento 16 ha forma principalmente cilindrica controsagomata a quelle dell’asta rigida 8 ed à ̈ aperto in corrispondenza di una base del cilindro centrata sull’asse principale di sviluppo dell’asta rigida 8 (ovviamente una volta che la testa 11 à ̈ montata sull’asta rigida 8).

Nella forma realizzativa illustrata, all’interno della struttura di contenimento 2 l’attuatore 1 comprende inoltre una tazza 17 rigida solidale alla membrana 4 ed alla prima estremità 9 dell’asta rigida 8, ed una molla 18 montata tra la tazza 17 rigida e la struttura di contenimento 2. La tazza 17 rigida ha la funzione di fungere da interfaccia tra la membrana 4 e la molla 18 (si tratta comunque di una soluzione realizzativa di per sé nota che quindi non viene qui descritta nel dettaglio).

In condizione estesa la molla 18 spinge la tazza 17 rigida e la membrana 4 verso la struttura di contenimento 2 in modo tale che l’asta rigida 8 sporga al massimo dalla struttura di contenimento 2 (figure 3 e 4). In questa condizione la camera a volume variabile 5 ha inoltre volume massimo.

Anche se non sono rappresentati nelle unite figure in quanto di tipo noto, l’attuatore 1 può comprendere inoltre dei mezzi di rilevazione operativamente associati all’asta rigida 8 per determinarne in uso la posizione (ad esempio come spostamento rispetto alla condizione di riposo illustrata in figura 4).

Il metodo di taratura oggetto della presente invenzione, prevede come fase iniziale quella di prendere un attuatore 1 del tipo sin qui descritto con la testa 11 di connessione mobile/movimentabile rispetto alla seconda estremità 10 dell’asta rigida 8.

Successivamente, esso prevede di fissare la testa 11 di connessione all’asta rigida 8 in modo tale che, con l’asta rigida 8 posizionata in una certa posizione operativa (determinata da una pressione predefinita all’interno della camera a volume variabile 5), la testa 11 si trovi in una posizione predefinita rispetto alla struttura di contenimento 2 (vale a dire ad una certa distanza da essa).

Per ottenere tale risultato, il metodo di taratura oggetto della presente invenzione prevede, prima del fissaggio della testa 11 all’asta rigida 8, l’esecuzione di due fasi operative: una fase in cui variare la pressione interna della camera a volume variabile 5 sino ad un valore predefinito così da portare l’asta rigida 8 in una corrispondente posizione operativa, ed una fase in cui posizionare la testa 11 di connessione in una posizione predefinita rispetto alla struttura di contenimento 2. A seconda delle esigenze queste due fasi possono essere eseguite in qualsiasi ordine.

Per quanto riguarda la variazione della pressione della camera a volume variabile 5, essa può essere effettuata sia creando una sovrappressione sia creando una depressione a seconda delle modalità operative dell’attuatore 1 (vale a dire a seconda della posizione della camera a volume variabile 5 rispetto alla membrana 4). Scopo della variazione di pressione à ̈ infatti quello di determinare uno spostamento dell’asta analogo a quelli che andranno a verificarsi durante l’utilizzo. A titolo di esempio, nella forma realizzativa illustrata nelle unite figure, à ̈ previsto che si crei una depressione. In questo modo, infatti, si determina uno schiacciamento della molla 18, una diminuzione del volume della camera a volume variabile 5 ed un parziale rientro dell’asta rigida 8 nella struttura di contenimento 2. In generale, comunque, la pressione interna alla camera a volume variabile 5 viene portata al valore predefinito a partire dalla pressione atmosferica mediante un aumento od una diminuzione della pressione di valore prefissato.

Per quanto riguarda la fase di posizionamento della testa 11 di connessione nella posizione predefinita rispetto all’asta rigida 8, come detto essa può essere effettuata sia prima sia dopo aver variato la pressione nella camera a volume variabile 5. Vantaggiosamente, inoltre, la posizione predefinita à ̈ stabilita a priori in abbinamento al valore predefinito della pressione interna applicato alla camera a volume variabile 5 sulla base della decisione progettuale che ad una data variazione di pressione nella camera a volume variabile 5 deve corrispondere una posizione predefinita della testa 11 di connessione e quindi dell’elemento da controllare.

Nella forma realizzativa più semplice, come illustrata nelle unite figure, la posizione spaziale dell’attuatore 1 viene fissata (ad esempio tramite la flangia 7 di fissaggio) e la testa 11 di connessione viene posizionata ad una distanza prefissata da un punto di riferimento dell’attuatore 1 stesso (distanza misurata parallelamente alla direzione di sviluppo dell’asta rigida 8). Nelle unite figure, tale distanza D à ̈ ad esempio individuata come la distanza misurata parallelamente alla direzione di sviluppo dell’asta rigida 8, tra la flangia 7 di fissaggio dell’attuatore 1 ed il centro dello snodo sferico 12 (della boccola 14) parte della testa 11 di connessione.

Nella forma realizzativa illustrata nelle unite figure, se la fase di posizionamento viene effettuata per prima la testa 11 di connessione viene disposta nella posizione predefinita con il proprio alloggiamento 16 assialmente allineato all’asta rigida 8. La successiva fase di variazione della pressione determina lo scorrimento dell’asta rigida 8 nell’alloggiamento 16. Se invece la prima ad essere effettuata à ̈ la fase di variazione della pressione, la fase di posizionamento della testa 11 di connessione può essere attuata semplicemente infilando l’alloggiamento 16 sulla seconda estremità 10 dell’asta rigida 8 sino a raggiungere la posizione predefinita. Per quanto riguarda la forma realizzativa illustrata, in entrambe le modalità la fase di posizionamento della testa 11 di connessione sull’asta rigida 8 viene quindi effettuata facendo scorrere la testa 11 sull’asta rigida 8 parallelamente alla direzione di sviluppo dell’asta rigida 8 stessa.

In altre forme realizzative in cui le varie parti assumano forme o dimensioni diverse, le fasi appena descritte possono comunque essere effettuate anche con altre modalità.

Una volta che la testa 11 di connessione à ̈ nella posizione predefinita e la pressione interna della camera a volume variabile 5 à ̈ al valore predefinito, il metodo oggetto della presente invenzione prevede una fase operativa di vincolo della testa 11 di connessione all’asta rigida 8. Vantaggiosamente la fase di vincolo della testa 11 di connessione all’asta rigida 8 viene effettuata in modo da creare un vincolo inamovibile, ad esempio saldando la testa 11 di connessione sull’asta rigida 8 (il cordone di saldatura 19 à ̈ visibile nelle figure da 5 a 7 che rappresentano l’attuatore 1 alla fine della fase di taratura).

In questo modo, à ̈ possibile ottenere un attuatore 1 pneumatico tarato in cui la testa 11 di connessione à ̈ inamovibilmente fissata all’asta rigida 8 in modo tale da trovarsi in una posizione predefinita rispetto alla struttura di contenimento 2 quando la pressione interna alla camera a volume variabile 5 à ̈ pari ad una corrispondente pressione predefinita.

Con riferimento alle figure 1 e 2 ciò significa ad esempio assicurarsi che per una variazione di pressione di 315 mbar rispetto alla pressione atmosferica nella camera a volume variabile 5 la testa 11 di connessione si sia spostata di 3 mm rispetto alla condizione di riposo.

In questo modo l’attuatore 1 ha un comportamento sostanzialmente corrispondente a quello indicato dalla linea a tratto continuo in figura 1 e 2, e ciò indipendentemente dalla sue caratteristiche proprie che lo differenziano dagli altri attuatori ad esso teoricamente identici.

La presente invenzione consegue importanti vantaggi.

Infatti, grazie al metodo oggetto della presente invenzione, una volta tarati tutti gli attuatori aventi la medesima struttura si comportano sostanzialmente allo stesso modo (descrivono cioà ̈ il medesimo ciclo di isteresi).

Va inoltre rilevato che la presente invenzione risulta di facile realizzazione e che anche il costo connesso all’attuazione dell’invenzione non risulta molto elevato.

L’invenzione così concepita à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo che la caratterizza.

Tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti ed in pratica tutti i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni dei vari componenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la taratura di attuatori pneumatici per veicoli con motore a combustione interna ed in particolare per la regolazione ed il controllo di turbocompressori, l’attuatore (1) comprendendo: una struttura di contenimento (2) definente al proprio interno una camera di lavoro (3); una membrana (4) montata nella camera di lavoro (3) per delimitare al suo interno almeno una camera a volume variabile (5); almeno un condotto (6) connesso alla camera a volume variabile (5) per permettere di variarne la pressione interna; almeno un’asta rigida (8) inserita scorrevolmente attraverso la struttura di contenimento (2) ed avente una prima estremità (9) solidale alla membrana (4) ed una seconda estremità (10) esterna alla struttura di contenimento (2); ed almeno una testa (11) di connessione montabile sulla seconda estremità (10) dell’asta rigida (8) per il collegamento ad un elemento da controllare, quale una manovella di un turbocompressore; il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi operative di: prendere un attuatore (1) con la testa (11) di connessione mobile rispetto alla seconda estremità (10) dell’asta rigida (8); variare la pressione interna della camera a volume variabile (5) sino ad un valore predefinito così da portare l’asta rigida (8) in una corrispondente posizione operativa; posizionare la testa (11) di connessione in una posizione predefinita rispetto alla struttura di contenimento (2), la posizione predefinita essendo stabilita a priori in abbinamento al valore predefinito della pressione interna della camera a volume variabile (5); e vincolare la testa (11) di connessione all’asta rigida (8) in modo che con l’asta rigida (8) nella detta posizione operativa la testa (11) si trovi nella posizione predefinita rispetto alla struttura di contenimento (2).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta fase di vincolo della testa (11) di connessione all’asta rigida (8) viene effettuata in modo da creare un vincolo inamovibile.
3. 3 Metodo secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che la fase di vincolo viene attuata saldando la testa (11) di connessione sull’asta rigida (8).
4. 4 Metodo secondo la rivendicazione 1, 2 o 3 caratterizzato dal fatto che la fase di posizionamento della testa (11) di connessione sull’asta rigida (8) viene effettuata facendo scorrere la testa (11) sull’asta rigida (8) parallelamente alla direzione di sviluppo dell’asta rigida (8) stessa.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che la fase di posizionamento della testa (11) di connessione viene effettuata prima di variare la pressione interna alla camera a volume variabile (5) sino al valore predefinito, questa ultima fase determinando uno scorrimento dell’asta rigida (8) rispetto alla testa (11) di connessione.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 4 o 5 caratterizzato dal fatto che la fase di posizionamento della testa (11) di connessione viene effettuata facendo scorrere l’asta all’interno di un alloggiamento (16) ricavato nella testa (11) di connessione.
7. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la pressione interna alla camera a volume variabile (5) viene portata al valore predefinito a partire dalla pressione atmosferica mediante un aumento od una diminuzione di valore prefissato della pressione.
8. 8. Attuatore pneumatico tarato per veicoli con motore a combustione interna ed in particolare per la regolazione ed il controllo di turbocompressori, tarabile in accordo con il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la testa (11) di connessione à ̈ inamovibilmente fissata all’asta rigida (8) in modo tale da trovarsi in una posizione predefinita rispetto alla struttura di contenimento (2) quando la pressione interna alla camera a volume variabile (5) à ̈ pari ad una corrispondente pressione predefinita.
9. 9. Attuatore secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che detta testa (11) di connessione comprende uno snodo sferico (12) per la connessione all’elemento da controllare.
10. 10. Attuatore secondo la rivendicazione 9 caratterizzato dal fatto che detto snodo sferico (12) comprende una sede (13) definente una superficie interna a forma di zona sferica, ed una boccola (14) di collegamento esternamente controsagomata alla sede (13) ed inserita in essa, la boccola (14) definendo un elemento di aggancio per la connessione all’elemento da controllare.