ITPI20120048A1 - Apparecchiatura per realizzare un'impronta in un sistema tribologico - Google Patents

Description

“APPARECCHIATURA PER REALIZZARE UN’IMPRONTA IN UN SISTEMA TRIBOLOGICO†,

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda il campo delle macchine impiegate per lo studio dei sistemi tribologici ed in particolare si riferisce ad un’apparecchiatura per realizzare un’impronta in un sistema tribologico comprendente almeno un primo ed un secondo corpo ed eventualmente misurare il coefficiente di attrito µ e l’usura k del sistema stesso.

Descrizione della tecnica nota.

Come noto, la tribologia à ̈ la scienza che studia le interazioni fra le superfici in moto relativo tra loro. Essa comprende i fenomeni di attrito, lubrificazione, usura ed erosione. Comunemente si definisce tribosistema un sistema in cui sono presenti due corpi a contatto, sotto carico e in moto relativo, con la presenza eventualmente di un corpo interfacciale tra essi interposto.

In un tribosistema avviene una dissipazione di energia per attrito e in genere il fenomeno à ̈ accompagnato dalla perdita di materia sottoforma di frammenti che innescano rotture, oppure causano danneggiamenti superficiali (usura).

L’usura e l’attrito non sono quindi proprietà intrinseche di un materiale ma sono definite per un intero sistema tribologico.

Quando due corpi sono posti a contatto, le caratteristiche delle loro superfici determinano la natura dell’interazione, sia di tipo meccanico, con la formazione di un campo di sforzi e deformazioni nella regione di contatto, sia di tipo chimico-fisico.

Sono note apparecchiature per realizzare un’impronta in un sistema tribologico comprendenti solitamente un primo corpo, ad esempio sferico, che viene impiegato per realizzare l’impronta su un provino realizzato in un materiale del quale si desiderano studiare i comportamenti in particolari condizioni e per misurare il coefficiente di attrito e l’usura sulla base dei dati rilevati.

Una apparecchiatura nota per la realizzazione di un’impronta su un corpo finalizzata alla misurazione del coefficiente di attrito e dell’usura in un sistema tribologico comprende un supporto per un primo corpo ed un supporto per un secondo corpo.

Solitamente, uno dei due corpi à ̈ ruotato attorno ad un asse di rotazione mentre l’altro corpo à ̈ mantenuto fermo e sono previsti mezzi per mantenere in contatto il primo ed il secondo corpo. Inoltre, à ̈ previsto un dispositivo per applicare una forza ad uno dei suddetti corpi ed un dispositivo per misurare la forza esercitata tra le superfici dei suddetti corpi durante il moto dell’uno rispetto all’altro.

Tuttavia, le apparecchiature note consentono di disporre un corpo rispetto all’altro solo in una, o due, posizioni relative e pertanto consentono di simulare e quindi studiare poche condizioni di esercizio di un sistema tribologico.

Sintesi dell’invenzione

È, quindi, scopo della presente invenzione fornire una apparecchiatura per realizzare un’impronta in un sistema tribologico che consenta di studiare differenti condizioni di esercizio di un sistema tribologico.

È anche scopo della presente invenzione fornire una apparecchiatura per realizzare un’impronta in un sistema tribologico che consenta di misurare il coefficiente di attrito e l’usura con un elevato grado di precisione.

È un ulteriore particolare della presente invenzione fornire una apparecchiatura per realizzare un’impronta in un sistema tribologico che consenta di posizionare con un elevato grado di precisione i corpi che compongono il sistema tribologico stesso.

Questi ed altri scopi sono ottenuti da una apparecchiatura, secondo la presente invenzione, per realizzare un’impronta in un sistema tribologico comprendente almeno un primo ed un secondo corpo, detta apparecchiatura comprendendo:

− mezzi di supporto atti a supportare detto primo corpo;

− mezzi per provocare una rotazione di detto primo corpo attorno ad un primo asse di rotazione;

− mezzi di supporto atti a supportare detto secondo corpo;

− mezzi per mantenere detto primo e detto secondo corpo in una condizione di mutuo contatto nella quale detto primo e detto secondo corpo sono atti ad esercitare una forza di intensità e direzione costante l’uno sull’altro;

la cui caratteristica principale e che sono, inoltre, previsti:

− mezzi per provocare una rotazione di detto secondo corpo attorno ad un secondo asse di rotazione ortogonale a detto primo asse di rotazione;

− mezzi di calibrazione atti a disporre il primo ed il secondo asse in una predeterminata posizione relativa prima di azionare i primi mezzi per provocare la rotazione del primo corpo attorno al primo asse di rotazione ed eventualmente i secondi mezzi per provocare la rotazione del secondo corpo attorno al secondo asse di rotazione.

Vantaggiosamente, detti mezzi per mantenere detto primo e detto secondo corpo in una condizione di mutuo contatto sono atti ad esercitare una forza avente intensità costante e diretta lungo una direzione parallela, o coincidente, con detto secondo asse.

In particolare, i mezzi per mantenere il primo ed il secondo corpo in una condizione di mutuo contatto comprendono mezzi attuatori atti ad esercitare una forza tra detto primo e detto secondo corpo, detti mezzi attuatori essendo configurati in modo tale da mantenere costante, in particolare uguale ad un valore predeterminato FN*, la componente normale FNdella forza, ossia la componente della forza F agente tra il primo ed il secondo corpo parallela alla direzione del secondo asse.

Vantaggiosamente, i mezzi di calibrazione comprendono mezzi di traslazione del secondo asse rispetto al primo asse.

In particolare, i mezzi per traslare il secondo asse rispetto al primo asse comprendono almeno uno dei seguenti mezzi per traslare:

− mezzi per traslare il secondo asse lungo una direzione sostanzialmente parallela al primo asse;

− mezzi per traslare il secondo asse lungo una direzione sostanzialmente ortogonale al primo asse e al secondo asse quando quest’ultimo à ̈ in una posizione iniziale.

In una forma realizzativa preferita, i mezzi per traslare comprendono sia i mezzi per traslare il secondo asse lungo una direzione sostanzialmente parallela al primo asse che i mezzi per traslare il secondo asse lungo una direzione sostanzialmente ortogonale al primo asse e ad una posizione iniziale del secondo asse stesso.

In particolare, i mezzi per mantenere sono atti a mantenere il primo ed il secondo corpo in un mutuo contatto di strisciamento e/o di rotolamento.

Ad esempio, i mezzi per mantenere il primo ed il secondo corpo in una condizione di mutuo contatto possono comprendere:

− una piattaforma di supporto del primo corpo;

− almeno un attuatore provvisto di uno stelo solidale a detta piattaforma di supporto, detto attuatore essendo atto a provocare una traslazione di detto primo corpo verso detto secondo corpo.

In particolare, sono, inoltre, previsti mezzi per misurare atti a misurare la profondità (p) dell’impronta.

Preferibilmente, i mezzi per misurare sono atti a misurare istantaneamente la profondità dell’impronta.

Vantaggiosamente, i mezzi per misurare la profondità dell’impronta possono essere mezzi per misurare la distanza percorsa dal primo corpo lungo una direzione sostanzialmente parallela al secondo asse, oppure coincidente con essa.

In una forma realizzativa prevista, i mezzi per misurare la profondità dell’impronta comprendono almeno un trasduttore di spostamento, in particolare un sensore LVDT.

Vantaggiosamente, sono, inoltre, previsti mezzi sensori di forza atti a misurare istantaneamente la forza F applicata tra il primo ed il secondo corpo. In particolare, i mezzi sensori sono atti a misurare istantaneamente un segnale di forza associato al valore della forza F applicata tra il primo ed il secondo corpo.

Vantaggiosamente, sono previsti mezzi a programma atti ad elaborare detto segnale di forza e a comandare detti mezzi per mantenere detto primo e detto secondo corpo in una condizione di mutuo contatto in modo tale che detto segnale di forza sia sostanzialmente costante nel tempo. Più in dettaglio, se il valore misurato istantaneamente della forza, in particolare della componente normale FNdella forza esercitata tra i due corpi, à ̈ diverso, in particolare inferiore, ad un valore predeterminato F*, i mezzi per mantenere in contatto i due corpi sono atti a riportare il valore misurato della forza al valore F*. Ciò viene realizzato dai mezzi attuatori, ad esempio mediante una traslazione di detto primo e/o di detto secondo corpo verso detto secondo e/o detto primo corpo.

Ad esempio, i mezzi sensori possono comprendere:

− un primo sensore di forza atto a misurare la forza agente lungo una direzione ortogonale sia al primo che al secondo asse;

− un secondo sensore di forza atto a misurare la forza agente lungo il secondo asse.

In particolare, i mezzi sensori di forza comprendono mezzi sensori atti a misurare istantaneamente la componente normale FNdella forza F agente tra il primo ed il secondo corpo, ossia la componente della forza F disposta lungo una direzione parallela, o coincidente, a quella del secondo asse.

Inoltre, possono essere previsti mezzi sensori atti a misurare istantaneamente la componente tangenziale FTdella forza F agente tra il primo ed il secondo corpo.

I mezzi sensori di forza possono essere mezzi sensori biassiali atti a misurare sia il valore della forza che agisce lungo una prima predeterminata direzione che il valore della forza che agisce lungo una seconda direzione ortogonale alla suddetta prima predeterminata direzione.

In particolare, possono essere previsti almeno:

− un sensore di forza biassiale atto a misurare la forza esercitata lungo il secondo asse; e

− un sensore di forza biassiale atto a misurare la forza esercitata lungo una direzione ortogonale sia al primo che al secondo asse.

In una forma realizzativa preferita, Ã ̈, inoltre, previsto un terzo sensore di forza disposto simmetricamente a detto primo sensore di forza rispetto a detto secondo asse, detto terzo sensore di forza essendo atto a misurare la forza agente sia lungo detto primo asse che lungo detto secondo asse. In tal modo, si ottiene una misurazione ridondante della forza agente lungo il primo asse, ossia della componente tangenziale FTdella forza F agente tra i corpi.

Anche il sensore di forza che misura la componente normale FNdella forza può essere di tipo biassiale.

Vantaggiosamente, l’apparecchiatura à ̈ provvista di una incastellatura ed il primo corpo à ̈ solidale ad una piattaforma di supporto impegnata all’incastellatura mediante mezzi elastici ed i mezzi attuatori sono atti ad esercitare una spinta su detta piattaforma. I mezzi elastici sono atti ad opporsi elasticamente alla spinta esercitata dai mezzi attuatori su detta piattaforma di supporto. Questa soluzione costruttiva consente di realizzare una traslazione della piattaforma di supporto senza strisciamento né rotolamento, e quindi di traslare il primo corpo, di un tratto determinato verso il secondo corpo. Una traslazione del primo corpo verso il secondo corpo ottenuta mediante strisciamento introdurrebbe, infatti, nel sistema un attrito radente e, pertanto, renderebbe difficoltosa la misurazione delle forze in gioco ed in particolar del coefficiente di attrito e dell’usura del sistema tribologico.

Vantaggiosamente, sono, inoltre, previsti mezzi a programma atti ad elaborare il, o ciascun, segnale di forza rilevato da ciascuno dei suddetti mezzi sensori di forza e a comandare detti mezzi per mantenere detto primo e detto secondo corpo in una condizione di mutuo contatto in modo tale che detto segnale di forza, in particolare la componente normale FNdella forza F agente tra il primo ed il secondo corpo, sia sostanzialmente costante nel tempo.

Più precisamente, il valore del segnale di forza à ̈ considerato costante se la differenza tra il valore della forza rilevato in due diversi istanti à ̈ inferiore ad un predeterminato valore di riferimento F*.

In particolare, i mezzi per mantenere il primo ed il secondo corpo in una condizione di mutuo contatto comprendono:

− un attuatore lineare avente uno stelo solidale a detta piattaforma di supporto di detto primo corpo per provocare una traslazione di detto primo corpo verso detto secondo corpo;

− mezzi per misurare istantaneamente la forza esercitata da detto primo corpo su detto secondo corpo con ottenimento di un segnale di forza, detto attuatore essendo atto a causare una predeterminata traslazione di detta piattaforma per mantenere costante detta forza se detto segnale di forza non corrisponde a detto valore predeterminato di forza. Vantaggiosamente, sono previsti:

− mezzi di rilevamento atti a rilevare la posizione relativa di detto primo asse rispetto a detto secondo asse con ottenimento di un dato di posizione;

− mezzi a programma atti ad elaborare detto dato di posizione e ad azionare di conseguenza detti mezzi di calibrazione per spostare detto secondo asse rispetto al primo asse in modo da disporre il secondo asse in una predeterminata posizione rispetto al primo asse.

In particolare, sono, inoltre, previsti mezzi di posizionamento atti a posizionare il primo ed il secondo corpo ad una predeterminata distanza.

Vantaggiosamente, il primo corpo à ̈ una sfera ed i mezzi di traslazione sono atti a traslare il secondo asse per disporlo ad una predeterminata distanza dal centro della sfera.

In particolare, sono previsti mezzi per rilevare la posizione del secondo asse rispetto al centro della sfera.

Vantaggiosamente, i mezzi per rilevare la posizione del secondo asse rispetto al centro della sfera comprendono:

− almeno un elemento tastatore atto ad essere messo in contatto con detta sfera;

− mezzi per ruotare detto elemento tastatore attorno a detto secondo asse;

− mezzi per spingere detto elemento tastatore lungo una direzione di spinta in modo da mantenere detto elemento tastatore in contatto con detta sfera mentre detto elemento tastatore ruota attorno a detto secondo asse movimentato da detti mezzi per ruotare;

− mezzi per misurare lo spostamento di detto elemento tastatore lungo detta direzione di spinta durante detta rotazione di detto elemento tastatore attorno a detto secondo asse;

− mezzi per correlare detto spostamento di detto elemento tastatore misurato con detta posizione di detto elemento tastatore rispetto a detto centro di detta sfera.

In particolare, l’elemento tastatore à ̈ disposto in una posizione eccentrica rispetto al secondo asse. Pertanto, nel caso in cui il secondo asse sia disposto in corrispondenza del centro della sfera lo spostamento dell’elemento tastatore lungo il secondo asse risulta nullo.

In particolare, i mezzi a programma sono atti ad elaborare detti valori rilevati della forza, in particolare della componente tangenziale della forza (FT) e della componente normale della forza (FN) e a misurare il coefficiente di attrito attraverso equazioni note.

Il valore dell’usura viene, invece, calcolato, utilizzando equazioni note, dal valore della forza agente tra il primo ed il secondo corpo, dal valore della distanza percorsa dalla sfera e dal volume abraso durante la prova. In particolare, il volume abraso può essere calcolato dall’affondamento della sfera nel secondo corpo.

Vantaggiosamente, il secondo corpo à ̈ impegnato ad un supporto mediante mezzi di mutuo impegno di tipo rimuovibile. In particolare, i mezzi di mutuo impegno sono atti ad impegnare detto secondo corpo a detto supporto in almeno una prima ed una seconda posizione. In questo modo, quando i mezzi di mutuo impegno sono atti ad impegnare detto secondo corpo in detta prima posizione viene realizzata una prima impronta in corrispondenza di una prima area del secondo corpo. Mentre, quando i mezzi di mutuo impegno sono atti ad impegnare detto secondo corpo in detta seconda posizione viene realizzata una seconda impronta in corrispondenza di una seconda area del secondo corpo con la seconda area diversa dalla prima area.

In una possibile forma realizzativa dell’invenzione, sono previsti mezzi per applicare una predeterminata differenza di potenziale elettrico tra detto primo e detto secondo corpo. Più precisamente, sono previsti mezzi di controllo atti a controllare le condizioni di aggressività dell’ambiente nel quale la prova viene eseguita. In tal modo, à ̈ possibile studiare anche il comportamento tribocorrosivo del sistema. In particolare, vengono misurati e controllati predeterminati parametri quali pH, umidità, ecc.

Vantaggiosamente, le superfici del primo e del secondo corpo a contatto vengono immerse in una soluzione elettrolitica in modo da favorire, in particolare accelerare, i fenomeni di corrosione.

In una ulteriore forma realizzativa, sono previsti mezzi per applicare un fluido, in particolare una sospensione lubrificante, tra il primo ed il secondo corpo. In tal caso il sistema tribologico à ̈ costituito dal primo corpo, dal secondo corpo e dalla sospensione lubrificante tra essi compresa.

In una variante della presente invenzione sono previsti:

− un primo corpo;

− un secondo corpo;

− un terzo corpo interposto tra detto primo e detto secondo corpo.

In particolare, il terzo corpo può essere una sospensione abrasiva comprendente un fluido contenente frammenti di una predeterminata dimensione di materiale abrasivo. In tal modo, à ̈ possibile effettuare con l’apparecchiatura secondo la presente invenzione una prova di usura in condizioni di usura abrasiva.

Ad esempio, il materiale abrasivo può essere costituito da materiale ad elevata durezza, quali diamanti, o diamantini sinterizzati, in particolare aventi dimensioni medie comprese tra 1 e 3 µm.

Vantaggiosamente, Ã ̈ previsto un sistema di ricircolo del fluido contenente il materiale abrasivo.

Il dispositivo di ricircolo può, ad esempio, comprendere:

− mezzi di erogazione di detta sospensione abrasiva tra detto primo e detto secondo corpo;

− un contenitore di raccolta di detta sospensione abrasiva disposta da parte opposta a detti mezzi di erogazione rispetto a detto primo e detto secondo corpo, in particolare al di sotto di detti primo e secondo corpo.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, un metodo per realizzare un’impronta in un sistema tribologico comprende le fasi di:

− disposizione di un primo e di un secondo corpo in una condizione di mutuo contatto, in particolare una condizione di mutuo contatto di strisciamento e/o di rotolamento;

− mantenimento di detto primo e di detto secondo corpo in detta condizione di mutuo contatto in modo tale da esercitare una forza F di intensità e direzione costante l’uno sull’altro;

− ed essendo inoltre prevista una fase di calibrazione per disporre detto primo e detto secondo asse in una predeterminata posizione relativa prima di azionare detti primi e detti secondi mezzi per provocare detta rotazione di detto primo e di detto secondo corpo attorno a detto primo e detto asse di rotazione, rispettivamente.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà di seguito illustrata con la descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

- la figura 1 mostra schematicamente in una vista prospettica una possibile forma realizzativa di una apparecchiatura, secondo l’invenzione, per realizzare un’impronta in un sistema tribologico;

- la figura 2 mostra schematicamente l’apparecchiatura di figura 1 in una vista in pianta;

- la figura 3 mostra schematicamente l’apparecchiatura di figura 1 in una vista in elevazione laterale;

- le figure 4 e 5 mostrano schematicamente, in una vista in elevazione laterale, una forma realizzativa preferita dalla presente invenzione dei mezzi per mantenere in contatto il primo ed il secondo corpo del sistema tribologico;

- le figure dalla 6 alla 10 mostrano schematicamente alcune possibili condizioni di esercizio nelle quali à ̈ possibili disporre il primo ed il secondo corpo del sistema tribologico mediante l’apparecchiatura illustrata in figura 1;

- la figura 11 mostra schematicamente una forma realizzativa dell’apparecchiatura secondo la presente invenzione nella quale à ̈ prevista l’applicazione di una differenza di potenziale DV tra i due corpi del sistema tribologico;

- le figure 12 e 13 mostrano schematicamente una possibile forma realizzativa dei mezzi per misurare la profondità (p) dell’impronta e mantenere in condizioni di contatto il primo ed il secondo corpo del sistema tribologico in modo tale che la forza tra essi esercitata sia costante;

- la figura 14 mostra schematicamente un’ulteriore forma realizzativa prevista per l’apparecchiatura secondo la presente invenzione;

- la figura 15 mostra schematicamente una possibile forma realizzativa dei mezzi, previsti dall’invenzione, per misurare la posizione relativa del primo e del secondo asse;

- la figura 16 mostra schematicamente una possibile configurazione di lavoro dell’apparecchiatura secondo la presente invenzione, in particolare nel caso in cui si desideri studiare il comportamento di un sistema tribologico in condizioni di usura abrasiva.

Descrizione dettagliata di alcune forme realizzative In figura 1 à ̈ schematicamente illustrata una apparecchiatura 1, secondo la presente invenzione, per realizzare un’impronta 100 in un sistema tribologico 200 comprendente un primo corpo 10 ed almeno un secondo corpo 20.

L’apparecchiatura 1 à ̈ provvista di mezzi 81 per provocare una rotazione del primo corpo 10 attorno ad un primo asse di rotazione 110 e di mezzi di supporto 50 del primo corpo 10 e mezzi di supporto 55 del secondo corpo 20. Inoltre, l’apparecchiatura 1 comprende mezzi 60 per mantenere il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20 in una condizione di mutuo contatto nella quale il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20 sono atti ad esercitare una forza F di intensità e direzione costante l’uno sull’altro. In particolare, i mezzi 60 sono atti a mantenere il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20 in una condizione di mutuo contatto di strisciamento e/o di rotolamento.

Secondo quanto previsto dall’invenzione, l’apparecchiatura 1 comprende, inoltre, mezzi 82 per provocare una rotazione del secondo corpo 20 attorno ad un secondo asse 120 ortogonale al primo asse 110 e mezzi di calibrazione 70 atti a disporre il primo asse 110 ed il secondo asse 120 in una predeterminata posizione relativa.

I mezzi 81 e 82 per provocare una rotazione del primo e del secondo corpo 10 e 20 attorno a rispettivi assi di rotazione 110 e 120 possono essere, ad esempio, motoriduttori atti a provocare la rotazione del corpo ad esso solidale in un verso, oppure nel verso opposto.

In una forma realizzativa preferita, i mezzi di calibrazione 70 comprendono mezzi di traslazione del secondo asse 120 rispetto al primo asse 110. I mezzi di calibrazione 70 possono comprendere, ad esempio, mezzi 75 per traslare il secondo asse 120 lungo una direzione x sostanzialmente parallela al primo asse 110, e mezzi 76 per traslare il secondo asse 120 lungo una direzione z sostanzialmente ortogonale al primo asse 110 e ad una posizione iniziale del secondo asse 120 stesso.

In una forma realizzativa prevista, il primo corpo 10 à ̈ montato su una piattaforma di supporto 90 ed i mezzi per mantenere il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20 in una condizione di mutuo contatto comprendono mezzi attuatori 60 atti a spingere detta piattaforma di supporto 90 verso detto secondo corpo 20. Ad esempio, i mezzi attuatori 60 comprendono un attuatore lineare provvisto di uno stelo 65 solidale alla piattaforma di supporto 90. In particolare, in uso, l’attuatore 60 à ̈ atto a provocare una traslazione del primo corpo 10 verso il secondo corpo 20.

Più in dettaglio, sono previsti mezzi sensori di forza 85 atti a misurare istantaneamente il valore della forza F agente tra il primo ed il secondo corpo 10, 20. In una forma realizzativa prevista, i mezzi sensori di forza 85 sono atti a misurare istantaneamente la componente tangenziale FTe la componente normale FNdella forza F agente tra il primo ed il secondo corpo 10, 20.

I mezzi sensori 85 possono, ad esempio, comprendere un primo sensore di forza 85a atto a misurare la componente della forza F agente lungo una direzione ortogonale sia al primo corpo 110 che al secondo asse 120 ed un secondo sensore di forza 85b atto a misurare la forza agente lungo il secondo asse 120, ossia la componente normale FNdella forza F.

In una forma realizzativa preferita, i mezzi sensori di forza 85 sono mezzi sensori di tipo biassiale pertanto sono atti a misurare sia il valore della forza che agisce lungo la suddetta rispettiva direzione che il valore della forza che agisce lungo una direzione ortogonale alla suddetta predeterminata direzione. Ad esempio, può essere previsto almeno un sensore di forza biassiale 85a atto a misurare sia la componente della forza lungo una direzione 110’ ortogonale sia al primo che al secondo asse 110 e 120 che la componente della forza lungo il primo asse 110. Inoltre, può essere previsto un secondo sensore di forza 85b di tipo biassiale atto a misurare sia la forza esercitata lungo il secondo asse 120 che la componente della forza lungo la direzione del primo asse 110. In tal modo, si ottiene la suddetta misurazione ridondante sulla componente della forza lungo la direzione del primo asse 110, ossia la componente tangenziale FT, della forza F con un ridotto numero di sensori di forza.

Inoltre, può essere previsto un terzo sensore di forza 85c disposto simmetricamente al primo sensore di forza 85a rispetto al secondo asse 120. Il terzo sensore di forza 85c à ̈, in particolare, atto a misurare la forza agente lungo una direzione ortogonale sia al primo che al secondo asse 110 e 120, ed eventualmente nel caso di sensore di forza biassiale della componente lungo il primo asse 110, ma in una posizione simmetrica rispetto alla posizione del primo sensore 85a.

L’apparecchiatura 1 può, inoltre, prevedere mezzi 150 per misurare, ad esempio istantaneamente, la profondità p dell’impronta, o traccia di usura, realizzata sul secondo corpo 20 dal primo corpo 10. In tal modo, à ̈ possibile costruire delle curve profondità (p)/forza normale FNe profondità/forza tangenziale FT.

In condizioni di esercizio dell’apparecchiatura 1 il secondo corpo 20 si usura per il contatto con il primo corpo 10. Quindi, perché tra essi sia presente una forza costante F à ̈ necessario provocare una traslazione del primo corpo 10 verso il secondo corpo 20. Pertanto, i mezzi 150 per misurare la profondità p dell’impronta possono essere mezzi per misurare la distanza percorsa dal primo corpo 10 lungo una direzione sostanzialmente parallela al secondo asse 120.

Come mostrato, ad esempio, in figura 2, i mezzi 150 per misurare la profondità p dell’impronta comprendono almeno un trasduttore di spostamento, in particolare un sensore LVDT.

In una configurazione di esercizio prevista, durante la prova à ̈ possibile mantenere fermo il secondo corpo 20 in modo da poter eseguire un test di usura di tipo tradizionale. In questo caso, i mezzi per provocare la rotazione 82 del secondo corpo 20 attorno al secondo asse 120 non vengono azionati.

Come schematicamente illustrato nelle figure dalla 6 alla 8, l’apparecchiatura 1 consente di posizionare il secondo asse 120 lungo due direzioni ortogonale al primo asse 110 e passante per il centro C della sfera 10. In questo caso, si realizza un’impronta di forma sferica.

L’apparecchiatura 1, tramite i mezzi di calibrazione 70, à ̈ in grado di disporre il secondo asse 120 in una posizione ortogonale al primo asse 110, ma non passante per il centro C della sfera 10. Ciò viene ottenuto provocando, per mezzo dei mezzi di calibrazione 70, una traslazione dell’asse di rotazione 120 lungo la direzione x verso sinistra, oppure verso destra rispetto alla condizione in cui passa per il centro C della sfera 10 (figure 7 e 8). In questo caso, ad esempio, l’impronta avrà forma di settore toroidale.

In aggiunta, l’apparecchiatura 1 à ̈ in grado di disporre il secondo asse 120 lungo una direzione ortogonale ai due assi 110 e 120, ma realizzando un determinato disassamento rispetto ad essi. Ciò viene realizzato azionando i mezzi di calibrazione 70 in modo da provocare una traslazione del corpo 20 verso l’alto, oppure verso il basso, rispetto alla condizione in cui l’asse 120 passa per il centro C della sfera 10 (figure 9 e 10). In questo caso, ad esempio, l’impronta avrà forma di settore toroidale. Per quanto sopra, l’apparecchiatura 1 risulta altamente versatile in quanto à ̈ in grado di simulare molteplici e differenti condizioni di usura.

Nella forma realizzativa schematicamente illustrata nelle figure 4 e 5 , l’apparecchiatura 1 à ̈ provvista di una incastellatura 250 alla quale la piattaforma di supporto 90 à ̈ impegnata mediante mezzi elastici 260. Ad esempio, i mezzi elastici 260 possono essere quattro lamine metalliche di piccolo spessore che si oppongono elasticamente alla spinta esercitata dai mezzi attuatori 60 sulla piattaforma di supporto 90. Questa soluzione costruttiva consente di traslare senza strisciamento la piattaforma di supporto 90 di pochi µm, e quindi il primo corpo 10, di un tratto determinato verso il secondo corpo 20. Una traslazione del primo corpo 10 verso il secondo corpo 20 ottenuta mediante uno strisciamento introdurrebbe, infatti, nel sistema un attrito radente e, pertanto, renderebbe difficoltosa la misurazione delle forze in gioco ed in particolare del coefficiente di attrito µ e dell’usura k del sistema tribologico.

L’apparecchiatura 1 prevede, inoltre, mezzi a programma 300 atti ad elaborare il, o ciascun, segnale di forza rilevato da ciascuno dei suddetti mezzi sensori di forza 85 e a comandare i mezzi 60 per mantenere il primo corpo 10 e il secondo corpo 20 in una condizione di mutuo contatto tale che il segnale di forza, in particolare il segnale della componente normale della forza FN, sia sostanzialmente costante nel tempo. Più precisamente, il valore del segnale di forza à ̈ considerato costante se la differenza DF(t) tra il valore della forza rilevato in due diversi istanti à ̈ inferiore ad un predeterminato valore di riferimento F*.

Nelle figure 4 e 5, i mezzi 60 per mantenere il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20 in una condizione di mutuo contatto comprendono un attuatore lineare 60 avente uno stelo 65 solidale alla piattaforma di supporto 90. L’attuatore lineare 60 à ̈ atto a provocare una traslazione del primo corpo 10 verso il secondo corpo 20. Più in dettaglio, i mezzi 85 misurano istantaneamente il valore della forza F(t) esercitata dal primo corpo 10 sul secondo corpo 20 con ottenimento di un segnale di forza. Questo viene elaborato da mezzi a programma 300 che, quindi, comandano l’attuatore 60 per causare una traslazione della piattaforma 90 nel caso in cui il segnale di forza F(t) non corrisponda ad un predeterminato valore di riferimento F*. Più precisamente, il valore della forza FNà ̈ considerata costante se la differenza tra il valore misurato ed il valore di riferimento rientra in un predeterminato range di tolleranza.

Inoltre, possono essere previsti mezzi di rilevamento 150 atti a rilevare la posizione relativa del primo asse 110 rispetto al secondo asse 120 con ottenimento di un dato di posizione che viene inviato ai mezzi a programma 300. Questi elaborano il dato di posizione ed azionano i mezzi di calibrazione 70 in modo da muovere il secondo asse 120 per disporlo in una predeterminata posizione rispetto al primo asse 110. I mezzi di calibrazione sono, inoltre, atti a rilevare istantaneamente anche la profondità dell’impronta 100, o traccia di usura, generata.

L’apparecchiatura 1 à ̈, inoltre, provvista di mezzi 170 di posizionamento atti a posizionare il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20 ad una predeterminata distanza. Ad esempio, i mezzi di posizionamento 170 possono comprendere una slitta 175 sulla quale un carrello 176 à ̈ montato scorrevole lungo una direzione sostanzialmente ortogonale all’asse del primo corpo 110. Più precisamente, il secondo corpo 20 à ̈ solidale al carrello 176 ed à ̈ pertanto possibile disporre il secondo corpo 20 in una posizione desiderata rispetto al primo corpo 10. In una forma realizzativa preferita il primo corpo 10 à ̈ una sfera ed i mezzi di posizionamento 170 sono atti a movimentare il secondo asse 120 per disporlo ad una predeterminata distanza dal centro C della sfera 10.

In particolare, i mezzi di calibrazione 70 comprendono mezzi per rilevare la posizione del secondo asse 120 rispetto al centro C della sfera 10. Ad esempio, come mostrato in figura 15, i mezzi per rilevare la posizione del secondo asse 120 rispetto al centro C della sfera 10 possono comprendere almeno un elemento tastatore 160, in particolare un elemento tastatore allungato, disposto in una posizione eccentrica rispetto al secondo asse 120 e ad una distanza s nota da esso. Ad esempio, l’elemento tastatore 160 può essere impegnato in maniera rimuovibile al supporto 55 deputato a supportare il secondo corpo 20. Inoltre, sono previsti mezzi per spingere l’elemento tastatore 160 lungo una direzione di spinta 161, rappresentati schematicamente con un blocco 260 in figura 15, in modo da mantenerlo in contatto con la sfera 10 durante la rotazione dell’elemento tastatore 160 stesso attorno al secondo asse 120. In aggiunta, sono previsti mezzi per misurare lo spostamento dell’elemento tastatore 160 lungo la direzione di spinta 161 durante la rotazione dell’elemento tastatore 160 attorno al secondo asse 120. Sono, poi, previsti mezzi 300 per correlare atti a correlare lo spostamento Î ́ dell’elemento tastatore 160 misurato lungo la direzione 161 durante la rotazione dello stesso attorno all’asse 120 con la posizione dell’elemento tastatore 160, e quindi dell’asse 120, rispetto al centro C della sfera 10. Quando il secondo asse 120 à ̈ disposto in corrispondenza del centro C della sfera 10, lo spostamento dell’elemento tastatore 160 lungo la direzione 161 risulta nullo.

I mezzi a programma 300 sono atti ad elaborare i valori della forza rilevati, in particolare della componente tangenziale della forza (FT) e della componente normale della forza (FN) e a misurare il coefficiente di attrito attraverso equazioni note. Il valore dell’usura (k) viene, analogamente, calcolato, utilizzando equazioni note, a partire dal valore della forza F agente tra il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20, dal valore della distanza percorsa dalla sfera, ossia il valore della profondità (p) dell’impronta e dal volume V abraso durante la prova.

In una forma prevista dall’invenzione ed illustrata schematicamente in figura 14, il secondo corpo 20 à ̈ impegnato ad un supporto 220 mediante mezzi di mutuo impegno 230 di tipo rimuovibile, ad esempio magnetici. In particolare, i mezzi di mutuo impegno 230 sono atti ad impegnare il secondo corpo 20 al supporto 220 in almeno una prima ed una seconda posizione rispetto all’asse di rotazione 120. In questo modo, quando i mezzi di mutuo impegno 230 impegnano il secondo corpo 20 nella prima posizione 20a illustrata con linea tratteggiata viene realizzata una prima impronta in corrispondenza di una prima area 141. Mentre, quando i mezzi di mutuo 230 impegno 230 impegnano il secondo corpo 20 nella seconda posizione 20b viene realizzata una seconda impronta in corrispondenza di una seconda area 142 del secondo corpo 20. In tal modo, à ̈ possibile realizzare più impronte 141, 142 sul medesimo corpo 20 e quindi studiarne il comportamento in differenti condizioni di esercizio.

In una possibile forma realizzativa dell’invenzione schematicamente illustrata in figura 11 sono previsti mezzi per applicare una predeterminata differenza di potenziale elettrico DV, in un determinato ambiente controllato, tra il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20. In tal modo, à ̈ possibile studiare anche il comportamento tribocorrosivo del sistema.

Nella forma realizzativa schematicamente illustrata in figura 16 il sistema tribologico comprende un primo corpo 10, un secondo corpo 20 ed un terzo corpo 30 tra essi interposto. Il terzo corpo 30 può essere una sospensione abrasiva comprendente un fluido contenente un materiale abrasivo 31. In tal modo, à ̈ possibile effettuare con l’apparecchiatura 100 secondo la presente invenzione una prova di usura in condizioni di usura abrasiva. Il materiale abrasivo 31 può essere costituito, ad esempio, da una certa quantità di frammenti di materiali ad elevata durezza.

L’apparecchiatura può comprende in questo caso un dispositivo 40 di ricircolo della sospensione abrasiva comprendente, ad esempio, mezzi di pompaggio 45 atti a ricircolare la sospensione 30 tra una vaschetta di raccolta 47 disposta al di sotto dei corpi 10 e 20 e mezzi di erogazione 46 atti ad alimentare la sospensione 30 tra il primo corpo 10 ed il secondo corpo 20. I mezzi di pompaggio 45 possono, ad esempio, comprendere una pompa peristaltica atta a ricircolare la sospensione 30 con una portata desiderata. Il fluido 30 contenuto nella vaschetta 47 può essere mantenuto continuamente in rimescolamento attraverso un agitatore magnetico 57, in modo da non consentire ai frammenti di diamante 31 di depositarsi sul fondo e di mantenere una concentrazione degli stessi il più costante possibile. Durante l’erogazione della sospensione 30, il primo ed il secondo corpo 10, 20 sono in condizioni di rotolamento/strisciamento. Una volta terminata la sua azione la sospensione 30 può essere alimentata ad un sistema di raccolta non mostrata in figura per semplicità. Il sistema di raccolta può essere vantaggiosamente provvisto di un dispositivo di filtrazione per separare i detriti di usura generati per poterli successivamente analizzare ottenendo ulteriori dati sperimentali ed aiutare quindi nella comprensione dei fenomeni coinvolti durante la prova.

Sebbene sia stato fatto riferimento ad una sospensione abrasiva à ̈ prevista anche la possibilità di impiegare come terzo corpo 30 un fluido privo di materiale abrasivo, ad esempio una sospensione lubrificante. In tal caso, à ̈ possibile valutare gli effetti di differenti lubrificanti nei fenomeni di attrito volvente, in condizioni di lubrificazione completa, mista, o limite.

La descrizione di cui sopra di una forma realizzativa specifica à ̈ in grado di mostrare l'invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura (1) per realizzare un’impronta (100) in un sistema tribologico comprendente un primo ed un secondo corpo (10,20), detta apparecchiatura (1) comprendendo: − mezzi di supporto (50) atti a supportare detto primo corpo (10); − mezzi (81) per provocare una rotazione di detto primo corpo (10) attorno ad un primo asse di rotazione (110); − mezzi di supporto (55) atti a supportare detto secondo corpo (20); − mezzi (60) per mantenere detto primo e detto secondo corpo (10,20) in una condizione di mutuo contatto, in particolare una condizione di mutuo contatto di strisciamento e/o di rotolamento, in detta condizione di mutuo contatto detto primo e detto secondo corpo (10,20) essendo atti ad esercitare una forza F di intensità e direzione costante l’uno sull’altro; caratterizzata dal fatto che sono, inoltre, previsti: − mezzi (82) per provocare una rotazione di detto secondo corpo (20) attorno ad un secondo asse di rotazione (120) ortogonale a detto primo asse di rotazione (110); − mezzi di calibrazione (70,75,76) atti a disporre detto primo e detto secondo asse (110,120) in una predeterminata posizione relativa prima di azionare detti primi mezzi (81) per provocare detta rotazione di detto primo corpo (10) attorno a detto primo asse di rotazione (110).
2. 2. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di calibrazione (70,75,76) comprendono almeno uno dei seguenti mezzi per traslare: − mezzi (75) per traslare detto secondo asse (120) lungo una direzione sostanzialmente parallela a detto primo asse (110); − mezzi (76) per traslare detto secondo asse (120) lungo una direzione sostanzialmente ortogonale a detto primo asse (110) e a detto secondo asse (120) quando quest’ultimo à ̈ in una posizione iniziale.
3. 3. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi per mantenere detto primo e detto secondo corpo (10,20) in detta condizione di mutuo contatto comprendono mezzi attuatori (60) atti ad esercitare una forza F tra detto primo e detto secondo corpo (10,20), detti mezzi attuatori (60) essendo configurati in modo tale da mantenere costante una componente normale FN, ossia una componente lungo una direzione parallela, o coincidente, a detto secondo asse (120), della forza F agente tra detto primo e detto secondo corpo (10,20).
4. 4. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 1, in cui sono previsti mezzi per misurare (300) atti a misurare istantaneamente la profondità (p) di detta impronta (100), detti mezzi (300) per misurare istantaneamente detta profondità (p) essendo atti a misurare la distanza percorsa da detto primo corpo (10) lungo una direzione sostanzialmente parallela a detto secondo asse (120).
5. 5. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 1, o 3, in cui sono, inoltre, previsti mezzi sensori di forza (85,85a,85b,85c) atti a misurare istantaneamente un segnale di forza associato al valore della componente normale FNdi detta forza F applicata tra detto primo e detto secondo corpo (10,20) ed in cui sono previsti mezzi a programma (300) atti ad elaborare detto segnale di forza e a comandare detti mezzi (60) per mantenere detto primo e detto secondo corpo (10,20) in una condizione di mutuo contatto in modo tale che detto segnale di forza sia sostanzialmente costante nel tempo.
6. 6. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 5, in cui detti mezzi sensori di forza (85,85a,85b,85c) sono mezzi sensori biassiali atti a misurare sia il valore della forza che agisce lungo una prima predeterminata direzione che il valore della forza che agisce lungo una seconda direzione ortogonale a detta prima predeterminata direzione.
7. 7. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 5, o 6, in cui detti mezzi sensori (85,85a,85b,85c) comprendono: − un primo sensore di forza (85a) atto a misurare la forza agente lungo una direzione ortogonale a detto primo e a detto secondo asse (110,120); − un secondo sensore di forza (85b) atto a misurare la forza agente lungo detto secondo asse (110).
8. 8. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 3, in cui à ̈ prevista una incastellatura fissa (250) e detto primo corpo (10) à ̈ solidale ad una piattaforma di supporto (90) impegnata a detta incastellatura fissa (250) mediante mezzi elastici (260) atti ad opporsi elasticamente ad una spinta esercitata da detti mezzi attuatori (60) su detta piattaforma di supporto (90), in modo tale da provocare una traslazione senza strisciamento né rotolamento di detta piattaforma di supporto (90), e quindi di detto primo corpo (10), di un tratto determinato verso detto secondo corpo (20).
9. 9. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 1, in cui sono previsti: − mezzi di rilevamento atti a rilevare la posizione relativa di detto primo asse (110) rispetto a detto secondo asse (120) con ottenimento di un dato di posizione; − mezzi a programma (300) atti ad elaborare detto dato di posizione e ad azionare detti mezzi di traslazione per traslare detto secondo asse (120) rispetto a detto primo asse (110) per disporre detto secondo asse (120) in una predeterminata posizione rispetto a detto primo asse (110).
10. 10. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 1, in cui sono previsti mezzi per rilevare la posizione di detto secondo asse rispetto al centro (C) di detta sfera (10) comprendenti: − almeno un elemento tastatore (160) atto ad essere messo in contatto con detta sfera (10); − mezzi per ruotare detto elemento tastatore (160) attorno a detto secondo asse (120); − mezzi per spingere detto elemento tastatore (160) lungo una direzione di spinta (161) in modo da mantenere detto elemento tastatore (160) in contatto con detta sfera (10) mentre detto elemento tastatore (160) ruota attorno a detto secondo asse (120) movimentato da detti mezzi per ruotare; − mezzi per misurare (150) atti a misurare uno spostamento di detto elemento tastatore (160) lungo detta direzione di spinta (161) durante detta rotazione di detto elemento tastatore (160) attorno a detto secondo asse (120); − mezzi (300) per correlare detto spostamento di detto elemento tastatore (160) misurato con detta posizione di detto elemento tastatore (160) rispetto a detto centro (C) di detta sfera (10).
11. 11. Apparecchiatura (1), secondo la rivendicazione 1, in cui sono previsti mezzi per applicare una predeterminata differenza di potenziale elettrico tra detto primo e detto secondo corpo (10,20), in particolare essendo previsti mezzi di controllo atti a controllare predeterminati parametri quali pH, umidità, ecc. in modo da eseguire la prova in un ambiente controllato.