CH658303A5 - Dispositivo di trasmissione a rapporto variabile, utile particolarmente per veicoli. - Google Patents

Description

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RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo di trasmissione a rapporto di trasmissione variabile con continuità fra un albero motore (9) e un albero condotto (23), comprendente un congegno di comando della variazione della posizione di un elemento di manovra (20) per variare detto rapporto, caratterizzato dal comprendere mezzi sensibili (32) alla velocità dell'albero condotto (23) per spostare detto elemento di manovra (20) in una posizione determinante univocamente il valore del rapporto di trasmissione secondo una legge di correlazione predeterminata per rispondere ad ogni variazione di velocità con una ampiezza di movimento (S) crescente col crescere della velocità, detta legge di correlazione prevedendo per ogni posizione assunta da detti mezzi sensibili alla velocità (32) una posizione dell'organo di manovra (20) tale da attuare un rapporto di trasmissione mantenente sostanzialmente costante la velocità di rotazione di detto albero motore (9), mezzi sensibili (42) alla coppia fornita a detto albero motore comandando un organo cedevole (41) agente sui detti mezzi sensibili alla velocità (32) dell'albero condotto (23) per variare detta legge di correlazione.

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che è del tipo a pulegge (10; 14) a diametro di avvolgimento variabile interconnesso da una cinghia (15).

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento di manovra (20) coopera con almeno una (14) delle pulegge, per variarne il diametro.

4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensibili alle velocità (32) sono costituiti da masse centrifughe (26) reagenti su riscontro mobile (29) cedevolmente per muovere l'elemento di manovra (20).

5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto riscontro mobile (29) muove l'elemento di manovra (20) attraverso un servomeccanismo di posizione (31).

6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto organo cedevole comandato dai mezzi sensibili alla coppia (42) è una molla (41) e detti mezzi sensibili alla coppia comprendono un regolatore della precarica della molla.

7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta molla (41) ha caratteristica elastica sostanzialmente esponenziale.

8. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che dette masse centrifughe (26) agiscono su detto riscontro (29) in opposizione a mezzi cedevoli di contrasto (41) che aumentano l'azione di contrasto all'aumentare dell'allontanamento delle masse (26) dal loro asse di rotazione.

9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che l'allontanamento delle masse (26) dal loro asse di rotazione avviene in contrasto ad una azione crescente esponenzialmente con l'allontanarsi delle masse (26) dall'asse di rotazione.

È noto di utilizzare, in veicoli a motore a combustione interna, cambi di velocità a rapporto di trasmissione automaticamente variabile, in particolare variatori del tipo a cinghia trapezoidale e pulegge espandibili, cioè a diametro variabile.

I variatori di rapporto di trasmissione di questo tipo sono ampiamente conosciuti ed utilizzati in molti campi, fra cui appunto in veicoli come ciclomotori, motociclette ed autoveicoli, e non richiede chiarimento l'identificazione della loro struttura generale.

Nell'applicazione a veicoli, il problema principale consiste nella realizzazione di un comando della variazione del rapporto tale da mantenere quest'ultimo nelle condizioni migliori per un razionale sfruttamento della potenza del motore alle varie aperture d'alimentazione.

Questo richiede che il comando di variazione del rapporto sia asservito ad entrambi i fattori della potenza:

1) velocità del motore;

2) coppia trasmessa, rilevata direttamente o indirettamente come ad esempio attraverso l'apertura del comando gas.

La maggior parte dei comuni variatori destinati a veicoli leggeri non hanno alcun asservimento alla coppia, altri hanno dispositivi di tipo meccanico che permettono correzioni al comando principale centrifugo solo parziali, altri ancora utilizzando servomeccanismi con risultati pratici buoni, però a spese di notevoli complessità costruttive.

La soluzione oggetto dell'invenzione è riferibile a quest'ultimo genere di soluzioni, con servomeccanismo, ed è tesa a risolvere contemporaneamente, in questo contesto, i seguenti problemi:

a) Realizzare un comando del servomeccanismo, con caratteristiche tali da ottenere, a costanza di alimentazione del motore, la variazione del rapporto di trasmissione mentre la velocità dell'albero motore segue una legge prefissata od, in particolare, rimane costante. È infatti teoricamente desiderabile che un tale cambio permetta al motore di raggiungere rapidamente una velocità di rotazione considerata ottimale e quindi, in costanza di regolazione dell'alimentazione del motore, faccia variare con continuità il rapporto di trasmissione al variare della velocità del veicolo con l'accelerazione permessa dal momento torcente disponibile all'albero in modo da mantenere pressoché costante il regime del motore.

b) Realizzare un comando del servomeccanismo tale che sia possibile intervenire su di esso direttamente, con sforzo molto ridotto, con il comando del gas, ed in particolare con comando gas a manopola di tipo motociclistico.

Lo scopo sopra definito in a) indirizzerebbe il progettista a realizzare un variatore di velocità nel quale il dispositivo di regolazione fosse situato sul motore, o comunque a monte della trasmissione, e tale che la variazione del rapporto di trasmissione avvenisse con mutamenti di velocità angolare del motore sostanzialmente trascurabili.

Una tale soluzione non risulta soddisfacente nella pratica realizzazione, in quanto il sistema risultante ha un grado di stabilità non molto elevato e le inevitabili inerzie ed attriti portano a pendolamenti inaccettabili del valore del rapporto di trasmissione. I pendolamenti persistono anche se il dimensionamento è riferito ad un andamento non costante dei giri motore (entro limiti praticamente accettabili).

Lo scopo di cui in b) accresce notevolmente le difficoltà di cui sopra, in quanto la piccola potenza del dispositivo esalta l'influenza degli attriti interni.

La titolare ha sviluppato allora una soluzione differente del problema, che appare del tutto soddisfacente e che si fonda su una differente struttura dell'intero sistema di regolazione del variatore a cinghia.

Per meglio comprendere il principio dell'invenzione è utile tener presente la considerazione che la posizione reciproca delle facce della puleggia condotta costituisce un segnale di posizione il quale è univocamente correlato al rapporto di trasmissione in atto.

È possibile inoltre realizzare un dispositivo sensore di velocità angolare di un albero di una puleggia, il quale comanda la posizione di apertura della puleggia montata sullo stesso albero oppure dell'altra puleggia in modo univoco affinchè ad ogni valore di velocità corrisponda un valore di apertura della puleggia, se ad un regolatore centrifugo non si richiede una eccessiva sensibilità come sopra discusso.

È infine possibile realizzare un regolatore centrifugo, o funzionalmente equivalente, il quale reagisca alla propria velocità di rotazione con legge qualsivoglia, variando cioè la risposta in funzione della posizione assunta a ragione della propria velocità.

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Per gli scopi specificati quindi l'invenzione propone un dispositivo di trasmissione a rapporto di trasmissione variabile con continuità fra un albero motore e un albero condotto, tale dispositivo essendo definito nella rivendicazione 1.

Il modo di agire del dispositivo di trasmissione variabile realizzato secondo l'invenzione, e la generale idea di soluzione da quest'ultima proposta, saranno resi più chiari dalla seguente descrizione esemplificativa di forme di realizzazione pratica illustrate nei disegni allegati in cui:

la figura 1 mostra uno schema generale di un dispositivo di trasmissione,

le figure 2 e 3 mostrano diagrammi del funzionamento del dispositivo di figura 1;

la figura 4 è una vista particolare ingradita di figura 1 ;

le figure 5, 6 e 7 sono ulteriori diagrammi di funzionamento del dispositivo;

la figura 8 mostra in schema una ulteriore forma di realizzazione del dispositivo di trasmissione.

In figura 1 è mostrata una trasmissione a rapporto variabile con un albero 9 di ingresso ed un albero 11 di uscita, che in un veicolo non mostrato saranno connessi rispettivamente al motore e alle ruote con adeguate connessioni cinematiche.

L'albero 11 riceve moto attraverso un ruotismo riduttore 12, 13 dalla puleggia espandibile condotta 14 che è trascinata tramite cinghia 15 dall'analoga puleggia motrice 10 montata sull'albero 9, attraverso inoltre una frizione centrifuga in sè nota, indicata con 16 schematicamente.

La puleggia 10 è formata da due semipulegge 17 e 18 spinte in avvicinamento dalla molla 19, mentre analogamente le semipulegge 20 e 21 della puleggia 14 sono avvicinate dalla molla 22: quest'ultima ha azione più energica di quella della molla 19, sicché la trasmissione in assenza di comando esterno vede la puleggia 10 aperta e la puleggia 14 chiusa per determinare il più alto rapporto fra le loro velocità di rotazione.

Le semipulegge 20 e 21 si prolungano rispettivamente in uno stelo 23 ed in un manicotto 24: sul manicotto 24 è montato un sensore di velocità genericamente indicato con 32 comprendente masse centrifughe 26 imperniate in 25 e che con la loro superficie dorsale 27 si impegnano sulla superficie interna 28 di una campana 29 montata scorrevolmente sul manicotto medesimo. La campana 29, con un suo prolungamento 30, comanda un servomeccanismo seguitore idraulico costituito da una bussola 31 che scorre sullo stelo 23 alla cui estremità è vincolato un pistone 33 che delimita nella sede 34 una camera 35 in cui sbocca la mandata di una pompa schematizzata in 36.

Un passaggio 37 attraversa il pistone 33 e lo stelo 23 per sboccare radialmente con luci 38.

L'azione della campana 29 sulla bussola 31 è contrastata da una leva 39, imperniata in 40 e spinta da una molla 41 precari-cabile in modo determinato da un dito di comando 42, imperniato in 43

In linea del tutto generale si può comprendere che al crescere della velocità di rotazione del sensore centrifugo 32, le masse 26 spostano verso destra nel disegno la campana 29, che in opposizione alla molla 41 sposta nella stessa direzione la bussola 31, chiudendo la luce 38; ciò provoca un innalzamento di pressione nella camera 35 ed il pistone si muove verso destra nel disegno per spostare lo stelo 23 finché la luce 38 si scopra quanto compete per ristabilire equilibrio fra la spinta che il pistone riceve dalla pressione nella camera 35 e la spinta che riceve dalla molla 22 e dalla cinghia attraverso lo stelo 23.

In pratica dunque il fluido pompato nella camera 35 fornisce energia per obbligare il pistone 33 e quindi lo stelo 23 a mantenere una posizione prefissata rispetto alla bussola 31 e perciò alla campana 29. È così ottenuto che, per ogni posizione della campana 29, che è l'organo mobile del sensore di velocità 32, la semipuleggia 20, che è l'organo di manovra della trasmissione, assuma una univoca posizione, e cioè si instauri un determinato rapporto di trasmissione tra le pulegge 10 e 14.

Conviene ora discutere la legge di azione delle masse centrifughe 26, essenziale per il raggiungimento degli scopi dell'in-5 venzione.

Lo spostamento che compete alla campana 29 per azione della sollecitazione centrifuga cui sono soggette le masse 26 deriva dalla configurazione delle superfici di contatto 27 - 28 e dalla caratteristica della molla di contrasto 41. Gli sforzi deri-ìo vanti sul sistema dall'azione delle molle 22 e 19 sono infatti compensati a spese della pressione del liquido inviato nella camera 35.

Con la configurazione delle superfici 27 e 28 illustrate in figura 1, appare evidente ad esempio, che al crescere dell'apertu-15 ra delle masse 26 varia la distanza dal punto di appoggio fra detta superficie dall'asse di rotazione del sensore centrifugo 32 e pertanto la spinta sulla campana cresce meno di quanto ad essa competerebbe per la vera variazione di velocità, ovvero il regolatore diviene meno sensibile.

20 Chiamato S lo spostamento della semipuleggia 20 dalla posizione di massimo avvicinamento alla semipuleggia 21, e co la sua velocità angolare a velocità costante dalla puleggia 10, è possibile rappresentare un diagramma S, co, ove le diverse curve a, b, c competono a tre diverse velocità <aa, cob, ojc della puleg-25 già 10. Tale diagramma è rappresentato in modo del tutto indicativo nella figura 2.

Si supponga il sistema in equilibrio nel punto A (toi, Si) e quindi la puleggia 14 sia portata da un carico ad una velocità inferiore (C02). La legge del regolatore 32 deve essere così prefis-30 sata che alla velocità CO2 corrisponda una posizione della campana 29 tale da imporre alla semipuleggia 20 la posizione S2. In tal modo i giri della puleggia 10 tenderanno a rimanere costanti, raggiungendo pertanto lo scopo dell'invenzione.

Poiché è a disposizione un'ampia variazione di velocità (<»2 -35 coi) per causare lo spostamento (S2 - Si), è possibile ottenre con un dispositivo sensore di velocità 32 montato sull'albero condotto, relativamente poco sensibile, e quindi molto stabile, una sostanziale costanza di velocità dell'albero motore.

Se l'andamento desiderato della velocità dell'albero motore 40 è la costanza, le curve a), b) e c) di figura 2 sono tratti di una curva esponenziale, come è successivamente dimostrato.

Il dimensionamento dell'intera apparecchiatura di regolazione dei giri non presenta difficoltà per l'esperto in questo campo della tecnica.

45 Occorrerà che le superfici 27 e 28, e la molla 41 in combinazione fra loro, abbiano caratteristiche tali da ottenere il risultato prefissato e sopra definito.

Precaricando variamente la molla 41 mediante movimento del dito 42 è possibile ottenere l'effetto sopra indicato con rife-50 rimento alla curva a, anche per le altre curve di cui b e c sono esempi della infinita famiglia.

Associando dunque il movimento del dito 42 ad un sensore di coppia fornita dal motore, come ad esempio al comando di regolazione dell'alimentazione, è possibile allora imporre alla 55 puleggia 10, e quindi al motore una qualsiasi velocità prefissata, attraverso l'automatica variazione del rapporto di trasmissione.

L'intrinseca stabilità del sensore di velocità posizionato come detto ne permette un dimensionamento tale da consentire un carico molto ridotto sul dito 42, che pertanto può essere col-60 legato direttamente al comando gas, anche se questo è a manopola.

Con la configurazione di variatore del tipo proposto dall'invenzione può quindi essere mantenuta ad un valore prefissato la velocità del motore, essendo automaticamente variato il rap-65 porto di trasmissione per ottenere tale effetto.

Ovviamente la scelta di un valore costante di velocità del motore è un caso particolare, peraltro ottenibile con la soluzione proposta dall'invenzione: potrà essere ritenuto conveniente

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anche che la velocità del motore vari in limiti accettabili nel campo di variazione del rapporto di trasmissione ad esempio di 1000 - 2000 giri/1' ovverossia del 15-30%.

Tuttavia anche variazioni di quest'ordine della velocità dell'albero motore non permetterebbero di comandare un variatore con elemento sensibile alla velocità ruotante a velocità uguale o proporzionale a quella dell'albero motore stesso, senza che necessariamente insorgano fenomeni di instabilità.

In questa descrizione dunque si deve intendere l'espressione «sostanzialmente costante numero di giri» riferita alla velocità del motore come allontanamento da una velocità costante fino ad esempio al 30%.

È del tutto evidente che il sensore di velocità esemplificato nel disegno con 32 è soggetto a variazioni di velocità superiori di ordine di grandezza, cosicché esso può avere sensibilità sufficientemente limitata da escludere qualsiasi fenomeno di instabilità, pur mantenendo i giri del motore sostanzialmente costanti nel senso sopra indicato.

Per meglio identificare come la regolazione di precarica della molla 41 debba operare per mantenere costanti i giri del motore a differenti regimi comandati con la regolazione dell'alimentazione del motore medesimo, si considerino i diagrammi seguenti: in figura 3 è mostrato in grafico come può sup-porsi variare il rapporto di trasmissione x al variare della corsa c della semipuleggia 20 dalla sua posizione di riposo. Nel caso in esame tale corsa c equivale alla corsa della campana 29.

Generalmente il rapporto R = X2/X1 fra i rapporti di trasmissione praticamente ottenibili e quindi fra le velocità massima e minima della puleggia condotta a parità di velocità del motore è di circa 3. Il rapporto delle forze centrifughe applicate alle masse 26 del regolatore corrispondente ai valori estremi del rapporto x, è, pertanto, uguale al prodotto di R2, in quanto le forze centrifughe sono proporzionali al quadrato della velocità angolare, per il rapporto dei corrispondenti valori del raggio baricentrico, x, delle masse 26, che durante la variazione di rapporto si spostano verso l'esterno.

Tale rapporto risulta quindi dell'ordine di 10, cioè appare molto elevato. D'altra parte, poiché i valori estremi della velocità del motore utilizzabile in pratica stanno a loro volta nel rapporto di circa 3, risulta che il rapporto delle forze centrifughe corrispondenti alle velocità massima e minima del veicolo può raggiungere valori dell'ordine di 90 100. Poiché l'azione delle forze centrifughe deve essere equilibrata dalla reazione della molla 41 applicata al collare 31 del regolatore, conviene, per evitare un'eccessiva variazione della detta reazione ed ottenere un opportuno andamento della stessa, ridurre, come già innanzi accennato, la variazione di spinta sul collare del regolatore dovuta, a pari velocità del motore, alla variazione del rapporto di velocità della trasmissione, mediante un opportuno meccanismo di trasmissione dell'azione delle forze centrifughe. Nel caso del tipo di regolatore centrifugo rappresentato in figura 1, riportato in maggiore scala in figura 4, il rapporto e, fra la spinta A e la forza centrifuga Fc, del meccanismo di trasmissione del regolatore in funzione della corsa c è quello fra i bracci di leva a delle forze centrifughe e b/cosa delle componenti assiali delle reazioni di contatto fra le masse 26 e la campana 29 rispetto al perno 25. L'andamento della spinta assiale A sul collare del regolatore in funzione della relativa corsa corrispondente ad una velocità angolare unitaria dell'albero del regolatore, ottenuta moltiplicando il suddetto rapporto variabile e per il raggio baricentrico variabile r delle masse è riportato indicativamente nel diagramma della figura 5.

In figura 6 è infine riportato l'andamento delle spinte assiali F sul collare del regolatore in funzione della relativa corsa, c, ottenuto moltiplicando le spinte unitarie A del precedente dia4

gramma per il quadrato dei rapporti di trasmissione x, riportati in figura 3, e per il quadrato della velocità angolare corrispondente al numero di giri Nm del motore assunto come parametro. Il rapporto fra le spinte, e quindi delle reazioni della molla agli estremi della corsa risulta uguale per tutte le velocità del motore e può essere ridotto, come mostrato dal diagramma della figura 6, a valori molto prossimi all'unità. D'altra parte ad ogni velocità del motore può farsi corrispondere un prestabilito valore della coppia motrice e dell'apertura del gas e quindi della precarica della molla del regolatore. La caratteristica di una molla tale che dia un rapporto costante fra le reazioni agli estremi di uno stesso incremento della sua corsa per qualunque valore della sua corsa di precarica è una funzione esponenziale del tipo Sx = a".

Una tale molla può ad esempio essere costituita da un filo metallico avvolto ad elica cilindrica a passo variabile oppure conica, ma può essere anche di gomma o a gas o altrimenti, comunque sempre costruibile con relativa facilità. In virtù della caratteristica esponenziale la corsa, complessiva di quella di precarica e della corsa del collare, e quindi la lunghezza della molla risulta molto limitata e poiché anche l'entità della reazione richiesta è molto piccola, in quanto il collare non deve vincere particolari resistenze, anche le dimensioni della molla risultano contenute. Ciò ha anche la conseguenza che il conducente del veicolo non deve esercitare apprezzabili sforzi sulla manopola del gas.

Nella figura 7 è mostrata la caratteristica esponenziale della molla di reazione 41 del regolatore, come l'indicazione di alcuni tratti di corsa c utilizzata durante la variazione di rapporto a numero di giri del motore costante Nm minimo, Ni generico ed Nra massimo.

Ovviamente se si desidera una regolazione a velocità del motore rigorosamente costante anche la spinta sul collare derivante dalla velocità dell'albero 23 deve variare esponenzialmente durante la variazione del rapporto.

Anche ciò può essere ottenuto facilmente agendo sulla forma del profilo di contatto 27 delle masse centrifughe 26, con la superficie campanata ad arco di cerchio 28 della campana 29, profilo che comunque può risultare poco diverso da un arco di cerchio.

Per semplicità di discorso si è nella precedente descrizione indicato come la corsa del regolatore causi una corrispondente variazione di apertura e quindi di diametro di avvolgimento della puleggia 14 condotta.

È del tutto evidente per il tecnico che ciò non implica necessariamente che il comando operi direttamente sulla puleggia condotta potendo anche operare sulla puleggia motrice, essendo la posizione reciproca relativa delle pulegge univocamente determinata dalla presenza della cinghia inestensibile di collegamento.

Così ad esempio il dispositivo secondo l'invenzione può assumere la forma illustrata in figura 8, ove elementi corrispondenti alla realizzazione di figura 1 sono contrassegnati con uguali riferimenti numerici.

In questa realizzazione il sensore 32 è montato su un albero 50 sempre trascinato in sincronismo con l'albero della puleggia condotta attraverso la ruota 51 ingranante con la ruota 12; il movimento della campana 29, elemento mobile del sensore, pilota il seguitore idraulico costituito dal pistone 33 sul cui stelo 52 è montata la bussola 31 che scopre le luci 38. Lo stelo 52 spinge l'asta 53 solidale alla semipuleggia 17 per chiudere la puleggia 10 e quindi aprire la puleggia 14 contro l'azione della molla 22. In definitiva quindi l'azione del sensore 32 ha sulla puleggia condotta il medesimo effetto che aveva il regolatore 32 operante direttamente sulla puleggia condotta nella realizzazione di figura 1.

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