ITRM990593A1 - Dispositivo per la trasformazione del moto rettilineo alternato in unmoto rotatorio e viceversa. - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo.· "DISPOSITIVO PER LA TRASFORMAZIONE DEL MOTO RETTILINEO ALTERNATO IN UN MOTO ROTATORIO E VICEVERSA"

Settore della tecnica

La presente invenzione si riferisce a un dispositivo utilizzabile in luogo del classico manovellismo, per trasformare un moto rettilineo alternato in un moto rotatorio, o viceversa.

In particolare, il dispositivo può essere applicato ai motori a combustione interna volumetrici alternativi, o a compressori, anche se esso non é limitato a tali applicazioni.

Tecnica nota

Nel classico manovellismo di una macchina a combustione interna si riscontrano diversi svantaggi. Uno di questi svantaggi risiede nella forza di attrito, chiamata brevemente "Fia", che si esercita durante lo scorrimento del pistone tra la superficie laterale di esso e la parete del cilindro per effetto della reazione alla spinta esercitata dalla biella .

Ne risulta che, in tutti i tipi di motori volumetrici alternativi, vi é una grossa caduta di rendimento provocata dalla dissipazione dell'energia di tale forza e, nei motori a due tempi, in particolare, per poter garantire un buon funzionamento, c'é bisogno di una notevole quantità di olio nella benzina (2%) che garantisca lo scorrimento, bruciando il quale si crea un forte inquinamento.

Un altro svantaggio consiste nella forza di ribaltamento che esercita la biella sul pistone imponendo che quest'ultimo abbia una lunghezza tale da impedirne il grippaggio. La maggiore dimensione comporta maggiore peso e quindi maggiori forze di inerzia che abbassano il rendimento.

Considerevoli alleggerimenti degli organi del meccanismo accompagnati da un più efficiente raffreddamento del cilindro si otterrebbero se si potesse realizzare una certa cilindrata sfruttando piccoli alesaggi con corse lunghe. Il sistema del classico manovellismo al riguardo presenta i suoi limiti, esso infatti, in generale, avendo la biella che nel moto oscilla e contemporaneamente trasla con il pistone impedisce, effettivamente, per motivi di ingombro, di andare con le corse oltre certi limiti.

Scopo della presente invenzione é quello di realizzare un dispositivo per convertire il moto rettilineo alternato in moto rotatorio, o viceversa, che si basa su un principio totalmente diverso, secondo il quale il piede di biella, anziché effettuare un movimento circolare, si sposterà lungo una linea retta.

Un altro scopo dell'invenzione, quando essa viene applicata ai motori a combustione interna, é di realizzare un dispositivo che elimini i suddetti svantaggi della tecnica nota.

In particolare il dispositivo consente al pistone di trasmettere all'albero in maniera più efficiente la forza generata in camera di combustione, generando, per ogni ciclo, un diagramma del momento motore molto più vantaggioso. Poiché la potenza di un motore é data dal prodotto tra velocità angolare e momento torcente si evince che complessivamente la potenza aumenta.

Un ulteriore scopo della presente invenzione é quello di realizzare il dispositivo per convertire il moto rettilineo alternato in moto rotatorio, utilizzando organi dotati di moto rotatorio, i quali per le loro forme sono naturalmente bilanciati. Essi non richiederanno pertanto l'aggiunta di contrappesi.

Anche ruotando a un numero assai elevato di giri al minuto, l'albero motore vibrerà molto meno e il moto sarà molto regolare.

Descrizione dell'invenzione

La presente invenzione raggiunge i suddetti scopi mediante un dispositivo per convertire il moto rettilineo alternato in moto rotatorio, o viceversa, comprendente:

- una biella,

- un rotore che contiene l'asse di rotazione della biella, e da cui si può prelevare o trasmettere il moto rotatorio, in maniera diretta, o indiretta, ad esempio mediante un albero di sincronizzazione;

- mezzi che impongono alla biella e al rotore dei moti rotatori tali che, quando la biella effettua una rotazione in un qualunque senso, il rotore compie una rotazione pari alla metà e di verso opposto. Nelle applicazioni riguardanti le macchine a combustione interna, il bottone della biella viene collegato attraverso un'asta, al pistone del cilindro. Il bottone di biella effettuerà un moto rettilineo o quasi rettilineo alternato. Nel caso in cui il moto sarà rettilineo l'asta non dovrà più essere necessariamente collegata in modo articolato al pistone ma rigido.

Quindi, detta asta di collegamento con l'organo mobile potrà essere chiamata anche "stantuffo". Nel caso delle macchine a combustione interna l'organo mobile é un pistone dotato di moto rettilineo alternato. E' evidente che la corsa del pistone potrà essere di molto superiore al suo diametro. Ciò consentirà di dimensionare tutte le parti del dispositivo in funzione della forza esercitata sul pistone, che sarà minore per cilindrate realizzate con piccoli alesaggi e grandi corse. Ne consegue un alleggerimento del motore. Detti mezzi che impongono alla biella e al rotore i sopra menzionati movimenti relativi, sono delle ruote dentate.

Montando la biella su un planetario, come recita la rivendicazione 2, in cui il diametro del cerchio primitivo del planetario é uguale alla metà del diametro della ruota compagna (corona con dentatura esterna o interna) si ottiene esattamente una rotazione uguale a 2a del planetario attorno al suo asse. Simultaneamente il rotore e il centro del planetario (o della biella) ruoteranno di un angolo opposto pari ad a, attorno al centro del rotore, questo ultimo essendo l'organo rotante che é ad esempio collegato direttamente o indirettamente all'albero motore (nel caso applicativo riguardante i motori a combustione interna).

L'effetto che si ottiene, che é poi il vero obiettivo dell'invenzione, é che il bottone di biella percorrerà una linea quasi retta, che é poi perfettamente retta nel caso in cui, come recita la rivendicazione 6, i centri delle due ruote ingrananti (planetario e ruota compagna), definiscono un segmento, pari al raggio dell'orbita del centro di rotazione del planetario, che é esattamente uguale alla distanza tra il bottone di biella e il centro del planetario.

L'implementazione del dispositivo mediante ruote dentate può anche impiegare una ruota compagna a dentatura esterna, anziché interna, come viene detto nelle rivendicazioni 3 e 4. E' essenziale che, in entrambi i casi, il diametro (del cerchio primitivo) della dentatura della ruota compagna sia sempre uguale al doppio del diametro (della dentatura) del planetario.

Secondo la rivendicazione 7, diversi dispositivi della stessa specie, realizzati secondo il presente concetto inventivo, possono essere utilizzati per costruire una macchina nella quale la potenza viene raccolta da un unico albero motore che si impegna simultaneamente con i diversi rotori dei singoli dispositivi.

La presente invenzione e i suoi diversi vantaggi risulteranno con maggiore chiarezza dalla seguente descrizione dettagliata di alcune sue forme preferite di esecuzione.

Breve descrizione dei disegni

La presente invenzione verrà ora descritta a titolo esemplificativo e non limitativo facendo riferimento a due sue realizzazioni preferite, mostrate nei disegni, in cui:

Fig. 1 é un disegno schematico del principio di funzionamento del dispositivo della presente invenzione, posto a confronto con il manovellismo classico; Fig. 2 é una vista del complesso costituito dalla ruota compagna a dentatura interna, dal planetario solidale alla biella, e dalla biella, nella posizione corrispondente al punto morto superiore dell'organo mobile a moto alternato rettilineo, e che serve per mostrare l'utilizzo di due ruote dentate per 1'implementazione del dispositivo;

Fig. 3 é una vista del complesso di Fig. 2, che illustra, in una posizione intermedia del planetario, come le condizioni del principio di funzionamento relativamente agli angoli di rotazione relativi siano soddisfatte, e come il bottone di manovella si sposti lungo una retta (asse X);

Fig. 4 mostra la sequenza dei movimenti del planetario in quattro posizioni diverse;

Fig. 5 mostra un'applicazione nella quale un disco viene sostituito alla biella, per realizzare su di esso più bottoni che descrivono, ognuno, traiettorie rettilinee alternate e sfasate tra loro; Fig. 6a é una vista di una prima possibile forma di esecuzione del dispositivo secondo la presente invenzione, particolarmente adatta per corse relativamente brevi dell'organo mobile a moto rettilineo alternato;

Fig. 6b é una vista prospettica esplosa della realizzazione di Fig. 6a;

Fig. 7 é una vista in sezione di una seconda possibile forma di esecuzione del dispositivo oggetto della presente invenzione, particolarmente adatta per corse maggiori del pistone nel cilindro, e nella quale la ruota compagna presenta una dentatura esterna,-Forme di esecuzione preferite e descrizione dettagliata dell'invenzione

Il principio é quello di scomporre il braccio di manovella del classico manovellismo in due parti incernierate tra loro ed imporre ad esse, durante il moto, rotazioni contrapposte e l'una il doppio del1'altra.

Per spiegare meglio il principio in Fig. 1 sono rappresentati sul lato sinistro il classico sistema biella-manovella di un motore volumetrico alternativo in posizione PMS (punto morto superiore) e in posizione generica, e sul lato destro lo stesso motore con la manovella scomposta in due parti, rappresentate dai segmenti OC e CB, incernierate tra loro nel punto C e con il segmento CB vincolato a ruotare intorno alla cerniera C di angoli doppi e contrapposti a quelli descritti dal segmento OC durante il moto.

In entrambe le figure il centro 0 rappresenta l'asse e (o meglio la traccia) dell'albero motore.

Consideriamo per ciascun modello una generica posizione successiva a quella relativa al PMS mostrata in alto in Fig. 1. Nel manovellismo classico il bottone di manovella B, per un determinato spostamento s del pistone, si sarà spostato di un angolo a sulla traiettoria circolare t di raggio OB. Nel modello dell'invenzione, per lo stesso spostamento s del pistone avremo una rotazione del tratto OC intorno all'asse O in senso orario (antiorario) di un angolo b ed una rotazione in senso antiorario (orario) del segmento BC intorno alla cerniera C.

Tale movimento relativo genera una traiettoria del piede di biella (punto B), in generale, pressoché rettilinea con una leggera convessità rivolta verso destra o verso sinistra rispetto all'asse del pistone XX a seconda che sia il segmento BC >oppure< di OC (in Fig. 1 BC é > di OC e la traiettoria come si vede é a convessità rivolta verso destra).

Evidentemente se il segmento OC = CB la traiettoria del punto B risulterà perfettamente rettilinea e passante per il centro 0.

Per una possibile implementazione di questo principio si ricorre all'impiego di ingranaggi, che con i loro rapporti di trasmissione consentono di realizzare durante il moto, quella condizione per cui se il segmento OC descrive un angolo b intorno al suo centro 0 il segmento CB ne descrive uno doppio e di verso opposto.

Per corse del pistone relativamente corte è consigliabile, per avere degli organi meccanici di sensibile consistenza, l'impiego di una corona 1 a dentatura interna 2 ed un planetario 3 (vedi Fig. 2) tali che il diametro primitivo della prima sia il doppio di quello del secondo.

In Fig. 2 è stata rappresentata, schematicamente, la composizione degli organi essenziali dal cui movimento relativo si genera il moto alternativo desiderato.

In essa da un confronto con la Fig. 1 lato destro, si vede che il centro 01 della corona dentata 1 é il corrispondente del punto 0, il centro 02 del planetario 3 é il corrispondente del punto C, la biella 4, solidale al planetario é schematizzata dal segmento CB; il suo punto 03 corrisponde al punto B ed é sovrapposto al punto T di tangenza delle primitive delle due dentature 2,5 nel Punto Morto Superiore.

Immaginiamo di imporre al segmento 01-02 una rotazione in senso destrorso di un generico angolo a intorno al centro Ol e di tenere vincolata nel piano la posizione della corona 1 come mostrato in Fig. 3. Il planetario 3, che ingrana con 1, per effetto della rotazione del suo centro 02 intorno ad 01 ruoterà anch'esso intorno al suo asse 02 di un angolo pari a 2a (visto che il rapporto di trasmissione tra i due elementi é di 2 a 1), e in senso opposto cioè antiorario.

La biella 4, che come detto, é solidale al planetario 3 percorrerà lo stesso angolo di quest'ultimo portando il suo punto 03 ancora sull'asse X della Fig. 2.

In Fig. 4 sono riportate alcune delle infinite posizioni che assume il sistema durante la rotazione per rendere meglio l'idea del movimento, e i punti S ed 1 che rappresentano gli estremi della corsa.

E' interessante notare che se alla biella 4 di Fig. 2 si sostituisce un disco 6, come mostrato in Fig. 5, anch'esso solidale al planetario, fissando su di esso un generico punto 04 ruotato di un qualsiasi angolo 2a rispetto a 02 e posto sulla stessa circonferenza di 03 esso descriverà contemporaneamente, durante la rotazione, un'altra traiettoria rettilinea inclinata di un angolo a rispetto alla prima (asse X).

In definitiva attorno al disco 6 si possono anche collegare più organi mobili dotati di moto rettilineo alternato e sfasati l'uno rispetto all'altro di angoli a scelta.

E' opportuno per chiarezza di esposizione, precisare che, visto anche la loro funzione, chiameremo d'ora in avanti "stantuffo" il segmento AB (Fig. 1), "biella" il segmento BC, "rotore" un cilindro con l'asse di traccia 0 e contenente l'asse di traccia C.

La Fig. 6a mostra una sezione di una prima forma di esecuzione del dispositivo, tra le diverse forme possibili, utilizzabile preferibilmente quando la corsa del pistone é ridotta.

La Fig. 6b mostra la stessa forma di esecuzione della Fig. 6a, con alcune piccole varianti, e secondo una vista prospettica esplosa.

Nella Fig. 6a, la corona 1 é alloggiato all'interno del monoblocco o incastellatura 7 munita di coperchio 8.

Il planetario 3 di raggio R/2 é in realtà inserito nel rotore 30 che, come mostrato in Fig. 6b nel modo migliore, presenta una sede cilindrica 9. La dentatura del planetario 3, indicata da 5, ingrana con la ruota compagna 1 a dentatura interna di raggio doppio (uguale a R) rispetto a quello del planetario 3. Si nota in Fig. 6b, in particolare, che la sede cilindrica 9 presenta una discontinuità, ossia non si estende lungo tutto l'asse del rotore 30, affinché la dentatura 5 del planetario 3 possa ingranare con la ruota compagna 1 di dentatura 2.

Si nota anche in Fig. 6a, che il planetario 3 di raggio R/2 ha un mozzo 11 solidale ad esso, alloggiato in un prolungamento del rotore 30.

Il mozzo 11 é alloggiato in cuscinetti o bronzine (tratteggio).

Anche il planetario 3 e rotore 30 sono supportati da cuscinetti ο bronzine, rispettivamente indicati da 12 e 13.

La porzione indicata da 10 del rotore 30 adiacente alla parete 8, può formare una ruota dentata nella variante di Fig. 6b, nella quale, tale ruota dentata 14 rimane scoperta {nessuna parete superiore 7 come in Fig. 6a) e può essere utilizzata per sincronizzare tra loro diversi dispositivi dello stesso tipo di quello mostrato in Fig. 6b, mediante un albero di sincronizzazione (non mostrato) che raccoglie anche la potenza dei diversi dispositivi.

Un'altra modifica rispetto alla Fig. 6a, é che (vedi Fig. 6b) simmetricamente rispetto al bottone 15 della biella 4 viene "duplicato" il dispositivo dell'invenzione, nel senso che il planetario 3' può essere disposto in un secondo rotore 30 per aumentare la resistenza del meccanismo.

In Fig. 6a l'albero motore é rappresentato dal numero 16 ed é solidale al rotore 30; esso sporge dalla parete 8.

Si nota che anche l'albero motore 16 é sostenuto da bronzine 17.

Nella Fig. 6a é evidente che gli assi 18, 19, 20 indicano rispettivamente gli assi dei componenti 16, 3, 15.

E' opportuno precisare e ripetere che nel caso di assemblaggio di più meccanismi nello stesso motore si rende necessario sincronizzarli tra loro.

Tale scopo può essere raggiunto come segue:

- si caletta o si ricava direttamente su ciascun rotore 30 una ruota dentata 14, tutte dello stesso diametro primitivo (per es. in Fig. 6a sulla zona tra la corona 1 ed il coperchio 8; porzione 10 del rotore 30;

- si aggiunge un albero trasversale che rechi su di esso tante ruote dentate di egual diametro quanti sono i meccanismi e ciascuna di esse ingranante con la corrispondente ruota dentata 14.

Naturalmente, poiché l'albero aggiunto, oltre che sincronizzare, raccoglie anche il lavoro di ciascun meccanismo, esso darà all'uscita dell'incastellatura un unico punto di utenza della macchina.

La descrizione fatta fin qui é una tra le tante ipotesi costruttive per mettere in pratica il principio di funzionamento che consiste nel vincolare, durante la rotazione, i segmenti OC e CB (Fig. 1) a percorrere, ciascuno intorno al proprio centro, angoli l'uno la metà dell'altro ed in senso opposto.

Tale descrizione come si é visto in Fig. 2 ha adottato la soluzione della corona con planetario che dà la possibilità, come detto sopra, per corse del pistone relativamente corte, di applicare organi meccanici di una certa consistenza.

In caso di corse lunghe il risultato può essere raggiunto con la soluzione di Fig. 7.

Anch'essa rappresenta solo un suggerimento tra tanti per la soluzione di progetto finalizzata alla realizzazione del principio cinematico.

In Fig. 7 si possono distinguere i seguenti elementi fondamentali :

- un supporto 21 del cinematismo in cui sono alloggiati i due alberi 22, 23 liberi di ruotare ciascuno nella propria bronzina (tratteggio);

- un albero di sincronizzazione primario 22 a cui sono solidali le due ruote dentate 24, 25 di raggi R2, R3;

- un albero di sincronizzazione secondario 23 a cui sono solidali le ruote dentate 26, 27 di raggi R4 e RI;

- un rotore 30 a cui é solidale la ruota dentata 28 di raggio R5;

- una biella 4 con alberino di aggancio allo stantuffo 15 a cui é solidale la ruota dentata 29 di raggio R6.

Inoltre ciascuna ruota dentata dovrà avere i seguenti raggi primitivi:

RI = 2r

R2 = 3r

R3 = 4r

R4 = 2r

R5 = 3r

R6 = r

in cui r é prefissato a piacere.

Supponiamo che l'elemento 30 compia una rotazione in un generico senso pari ad un angolo a, la ruota 28 di raggio R5 solidale ad esso imporrà alla ruota 24 di raggio R2 e quindi alla ruota 25 (R3) una rotazione in senso contrario di pari entità, visto che R5 ed R2 hanno tra loro un rapporto di trasmissione = 1; quindi la ruota 25 di raggio R3 sarà ruotata di un angolo -a. Quest'ultima ingrana con la ruota 26 di raggio R4 a cui imporrà una rotazione di un angolo doppio e di senso opposto cioè pari a 2a visto che il rapporto di trasmissione tra esse é 2 a 1. La ruota 27 solidale a 26 sarà ruotata di 2a compiendo rispetto all'elemento 4, da cui è partita la rotazione e che ha ruotato, come si ricorderà, di un angolo a, un angolo relativo pari: 2a - a = a.

La ruota 29 e quindi la biella con alberino 15 ad essa solidale (segmento CB di Fig. 1) subirà, ingranando con la RI ed avendo il suo centro di rotazione sull'elemento 30, una rotazione pari a -2a cioè doppia (il rapporto di trasmissione è 2 a 1) e di senso contrario all'angolo relativo a degli elementi 23 e 30.

In conclusione si é dimostrato che se l'elemento 30 (rotore) compie una rotazione di un angolo a l'elemento 4 (biella) compie in senso contrario un angolo doppio pari a 2a nel rispetto del principio.

Applicazione industriale

Alcuni obiettivi assolutamente impossibili da raggiungere con il sistema tradizionale biella-manovella si raggiungono con l'impiego del nuovo dispositivo ideato per la trasformazione del moto rettilineo alternato in moto rotario.

Brevemente se ne elencano alcuni:

- aumento del Mm (momento motore);

- abbattimento totale della classica Fia che rappresenta quella forza di attrito, tra le più nocive che si oppongono al moto, che si esercita, durante lo scorrimento del pistone, tra la superficie laterale di esso e la parete del cilindro per effetto della reazione alla spinta esercitata dalla manovella. Per conseguenza diretta di ciò vi é un abbattimento sensibile della quantità di olio necessario alla lubrifreazione di dette pareti;

- possibilità di grosse cilindrate con piccoli alesaggi senza aumentare a dismisura l'ingombro della macchina. Si ottengono, di conseguenza, espansioni molto lunghe e quindi superfici laterali dei cilindri di espansione molto estese che offrono la possibilità di sottrazioni di calore molto più efficaci; - considerevoli alleggerimenti degli organi del dispositivo (conseguenza diretta del punto precedente);

- nel dispositivo gli organi dotati di moto rotatorio sono, per le loro forme, naturalmente bilanciati. Essi quindi non richiedono aggiunta di contrappesi al sistema.

Le prove pratiche hanno mostrato che a parità di cilindrata, rispetto ai motori tradizionali, si ottiene una potenza superiore e una rotazione assai più regolare dell'albero motore, con una notevole riduzione delle vibrazioni.

Infine, il pistone situato all'estremità dello "stantuffo" del dispositivo (segmento AB di Fig. 1) potrà essere rigidamente collegato ad esso (nessuna cerniera), e potrà avere una dimensione longitudinale minima. che garantisca solo l'alloggiamento delle fasce di tenuta

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per convertire il moto rotatorio in moto rettilineo alternato, e viceversa, in particolare nei motori a combustione interna volumetrici alternativi, e nei compressori, caratterizzato dal fatto di comprendere: - una biella {4), - un rotore (30) che contiene l'asse di rotazione della biella (4), e da cui si può prelevare o trasmettere il moto rotatorio in maniera diretta o indiretta, e - mezzi (1, 3; 22, 24, 25, 23, 26, 27, 29) che impongono alla biella (4) e al rotore (30) dei moti rotatori tali che quando la biella (4) effettua una rotazione in un qualunque senso, il rotore (30) compie una rotazione pari alla metà e di verso opposto.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la biella (4) é montata su, o forma un pezzo unico con, un planetario (3) con diametro uguale alla metà del diametro della ruota compagna (1; 27).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui la ruota compagna (1) é una ruota a dentatura interna.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui la ruota compagna é una ruota a dentatura esterna
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui i centri delle due ruote ingrananti, e cioè della ruota compagna (1; 27) e del planetario (3), definiscono un segmento pari al raggio dell'orbita del centro di rotazione del planetario (3), e quindi della biella (4) solidale ad esso; detto segmento essendo uguale, minore o maggiore della distanza tra il bottone (15) di biella e il centro del planetario (3).
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui quando il segmento é uguale a detta distanza tra il bottone (15) di biella e il centro del planetario (3), il bottone (15) di biella percorrerà durante il moto del dispositivo, un moto perfettamente rettilineo e alternato.
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui esso può essere applicato per la costruzione di macchine comprendenti diversi dispositivi della stessa specie sincronizzati tra loro mediante un albero che si impegna simultaneamente con il rotore (30) di ciascuno di essi, e il cui asse é posto in maniera che non intralci i movimenti rettilinei alternati del bottone (15) di biella di ciascun dispositivo.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui detto albero, oltre a sincronizzare i vari dispositivi, raccoglie anche i momenti torcenti di ciascun dispositivo rendendoli in un unico punto di utenza.
9. 9. Dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti, in cui sul planetario (3), al posto della biella (4) é montato solidale un disco (6), tale che internamente rispetto alla circonferenza del disco, e ad una distanza dal centro (02) del disco (6) pari al raggio primitivo del planetario (3), si possono prevedere più bottoni (04) di manovella sfasati tra loro di angoli a piacere, che compiono ciascuno movimenti distinti, rettilinei e alternati.