ITTO20131072A1 - Pompa a cilindrata regolabile e metodo per la regolazione della cilindrata di tale pompa - Google Patents

Description

POMPA A CILINDRATA REGOLABILE E METODO PER LA REGOLAZIONE DELLA CILINDRATA DI TALE POMPA

Settore della tecnica

La presente invenzione si riferisce alle pompe a cilindrata variabile, e più in particolare riguarda una pompa con mezzi di contrasto della regolazione della cilindrata perfezionati e un metodo per la regolazione della cilindrata di tale pompa.

Preferibilmente, ma non esclusivamente, l'invenzione trova applicazione in una pompa per l'olio di lubrificazione del motore e/o della trasmissione di un autoveicolo, e a questa applicazione preferita si farà particolare riferimento nel seguito della descrizione. Tecnica nota

E' noto che, nelle pompe per far circolare olio di lubrificazione sotto pressione in motori e/o sistemi di trasmissione di autoveicoli, la capacità, e quindi la portata dell'olio in uscita, dipende dalla velocità di rotazione del motore, e pertanto le pompe sono progettate per fornire una portata sufficiente alle basse velocità, per garantire la lubrificazione anche in queste condizioni. Se la pompa ha geometria fissa, a velocità di rotazione elevata la portata è superiore a quella necessaria, cosicché si hanno un forte assorbimento di potenza con un conseguente maggior consumo di carburante e una maggiore sollecitazione dei componenti a causa delle pressioni elevate generate nel circuito.

Per ovviare a questo inconveniente, è noto dotare le pompe di sistemi che permettono la regolazione della portata ai differenti regimi di funzionamento del veicolo, in particolare attraverso la regolazione della cilindrata. Le soluzioni per regolare la cilindrata sono specifiche per il particolare tipo di elementi pompanti (palette, ingranaggi esterni o interni, pistoni...), ma un elemento comune a tutte è la presenza di organi mobili di regolazione comandati dalla pressione del fluido pompato e di organi, in generale molle, di contrasto del movimento degli organi di regolazione, la cui funzione è:

- garantire il mantenimento della pompa in condizione di massima cilindrata all’avviamento ed in condizioni di bassa velocità;

- supportare un rapido ritorno della pompa alla cilindrata massima durante la decelerazione del veicolo e/o il cambio di condizioni di lavoro del motore.

Considerando a puro titolo di esempio una pompa rotativa a palette, una soluzione molto frequente si basa sulla variazione della posizione relativa tra un anello esterno di regolazione, anche noto come "anello statorico", al cui interno ruota eccentricamente il rotore.

Il rotore ruota, in particolare, su un asse interno all'anello stesso e parallelo all’asse di rotazione dell'anello.

In queste pompe, come noto, l’entità della rotazione è funzione dell’eccentricità tra il centro di rotazione dell'anello ed il centro della camera di pressione e la forza applicata dalla molla è inversamente proporzionale all’ampiezza totale dell’angolo di rotazione; questo rapporto richiede normalmente una rigidità bassa della molla con una corsa relativamente importante e, quindi, la necessità di guida della stessa. Un esempio è descritto in WO 2013/140304, che fa vedere una molla guidata su un puntale accoppiato tramite uno snodo sferico all'anello. Ciò provoca problemi di attriti sia sugli snodi sia sui puntali di guida, i quali si traducono in una variazione discreta della caratteristica corsa/forza tra la fase di compressione e quella di decompressione della molla e di conseguenza della caratteristica di regolazione della cilindrata/pressione per la quale la molla è progettata, poiché la variazione della caratteristica della molla si traduce in una variazione di tipo non lineare della coppia applicata allo statore.

Considerazioni simili si possono fare per pompe a cilindrata variabile di altro tipo, in cui la regolazione sia ottenuta con un movimento oscillatorio dell'organo mobile. Il termine "movimento oscillatorio" è qui usato per indicare una rotazione di un certo angolo attorno ad un asse che può essere interno od esterno all'organo mobile.

Descrizione dell'invenzione

Lo scopo dell'invenzione è di fornire una pompa a cilindrata variabile del tipo suddetto, che ovvii agli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo l'invenzione, ciò è ottenuto per il fatto che gli organi di contrasto del movimento di organi mobili di regolazione presentano parti terminali opposte che cooperano con organi di centraggio associati rispettivamente agli organi mobili e a una parte fissa della pompa, e una parte intermedia tra dette parti terminali libera di deformarsi in un piano durante il movimento degli organi mobili, e tali organi hanno un rapporto tra diametro e lunghezza compreso tra 1 e 5, preferibilmente tra 1 e 3,8, e un asse longitudinale che non passa per l'asse attorno a cui oscillano gli organi di regolazione.

Molle senza guida sono spesso usate nelle sospensioni degli autoveicoli, come si vede p. es. in EP 2062754 o in EP2466167. Le molle impiegate nelle sospensioni compiono un movimento oscillatorio limitato attorno ad un asse e, inoltre, hanno, mediamente, proporzioni e/o dimensioni circa 10 volte superiori a quelle impiegate in una pompa per l'olio di lubrificazione e devono sopportare carichi molto maggiori: pertanto, in esse non si riscontrano i problemi detti sopra, e quindi l'insegnamento di questi documenti non fornisce suggerimenti per l'ottenimento dell'invenzione.

In una forma preferita di realizzazione, gli organi di contrasto sono montati in modo che il loro asse sia lineare in una tra le condizioni di minima o massima cilindrata della pompa, e abbia deformazione massima nell'altra di dette condizioni.

L'invenzione riguarda anche un metodo di regolazione della cilindrata di una pompa a cilindrata variabile per fluidi, in cui è prevista l'operazione di contrastare il movimento degli organi di regolazione con organi di contrasto che sono trattenuti radialmente solo in corrispondenza delle estremità opposte e presentano un rapporto tra diametro e lunghezza compreso tra 1 e 5 e preferibilmente tra 1 e 3,8, e tale operazione comprende le operazioni di:

- montare gli organi di contrasto in modo che siano trattenuti trasversalmente solo in corrispondenza delle estremità e che un loro asse longitudinale non passi per l'asse attorno a cui oscillano gli organi di regolazione; e

fare deformare, durante il movimento degli organi di regolazione, una parte intermedia degli organi di contrasto in modo che l'asse longitudinale si disponga secondo una curva giacente su un piano trasversale all'asse.

Breve descrizione delle figure

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiare dalla seguente descrizione di forme preferite di realizzazione fatta a titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la fig. 1 è una vista in pianta di una pompa secondo l'invenzione, priva del coperchio di chiusura e nella condizione di massima cilindrata;

- la fig. 2 è una vista analoga alla fig. 1, che mostra la pompa nella condizione di minima cilindrata;

- la fig. 3 mostra la molla di contrasto nelle condizioni di cilindrata massima e minima; e - le figure 4 e 5 sono schemi semplificati che mostrano la forza di contrasto e il suo braccio nelle condizioni di cilindrata massima e minima.

Descrizione di forme preferite di realizzazione

Nelle figure si è rappresentata, a puro titolo di esempio, una pompa rotativa a palette a cilindrata variabile la cui struttura generale è come descritto in WO 2013/140304. Pertanto, tale struttura sarà qui richiamata solo nella misura necessaria per la comprensione dell'invenzione e, per maggiori dettagli, si rimanda a tale documento.

Con riferimento alle figure 1, 2, una pompa 1 del tipo suddetto comprende un corpo (schematizzato dalla linea a punti e tratti 10), che presenta una cavità nella quale è montato l'anello di regolazione 11 (nel seguito chiamato anche semplicemente statore), libero di ruotare lungo un arco di circonferenza attorno ad un asse 18 interno allo statore stesso. Lo statore 11 presenta una camera 12 in cui trova sede il rotore 13, calettato su un albero 14 parallelo all'asse di rotazione dello statore 11. Nelle figure, si suppone che il rotore ruoti in senso antiorario. Come noto al tecnico, la rotazione dello statore 11 provoca una variazione dell'eccentricità relativa tra lo statore 11 e il rotore 13, e quindi una variazione della cilindrata, tra una condizione di eccentricità e cilindrata massima (fig. 1), che è assunta anche in condizioni di riposo della pompa, e una condizione di eccentricità e cilindrata minima (fig. 2). Tra lo statore 11 e il corpo 10 è formata una camera 15 di bilanciamento delle spinte radiali esercitate sullo statore 11 per effetto della pressione idraulica che agisce sull'arco della parete della camera 12 corrispondente alla camera di bilanciamento. La camera di bilanciamento 15 è delimitata da guarnizioni 16, 17 e comunica con gli organi di utilizzazione del fluido pompato, in particolare con il circuito di lubrificazione del motore o della trasmissione di un autoveicolo.

Lo statore 11 è configurato come un pistone rotante multistadio di regolazione della cilindrata comandato direttamente da fluido in pressione proveniente per esempio dagli organi di utilizzazione del fluido pompato (per esempio, da un punto del circuito di lubrificazione posto a valle del filtro dell'olio). Nella realizzazione illustrata, il pistone rotante comprende una coppia di stadi (o superfici) di attuazione realizzati da tratti 19, 20 della superficie esterna dello statore 11 esposti all'azione del fluido in pressione introdotto in camere 21, 22 in cui si muovono a tenuta zone della superficie dello statore adiacenti alle superfici di attuazione 19, 20. Con 33, 34 sono schematizzati condotti attraverso cui le pressioni di regolazione agiscono sugli stadi 19, 20. Eventuali altri stadi possono essere realizzati in camere di alleggerimento formate nello statore 11, come descritto in WO 2013/140304.

Nell'esempio illustrato, gli stadi 19, 20 sono realizzati in modo che la pressione applicata allo stadio 19 generi una forza F1 atta a sua volta a generare una coppia che provoca la rotazione dello statore verso la posizione di cilindrata minima contro l'azione di un organo di contrasto 23, in particolare una molla elicoidale, e la pressione applicata allo stadio 20 generi una forza F2 che genera una coppia antagonista concorde con quella generata da una forza F3 dovuta alla reazione della molla 23. Per comodità di descrizione, le coppie generate da F1, F2, F3 saranno anche indicate nel seguito come coppia 1, coppia 2 e coppia 3

La molla 23 è precaricata in modo da opporsi alla rotazione dello statore 11 - e quindi mantenerlo nella posizione di fig.1 - finché la risultante delle pressioni applicate ai due stadi 19, 20 è inferiore ad una soglia prestabilita, e da mantenere successivamente la cilindrata della pompa al valore corrispondente alla soglia di pressione. Questa condizione è raggiunta quando si stabilisce un equilibrio tra le coppie 1, 2 e 3

La molla 23 presenta un asse longitudinale 28 (fig. 3) che non passa per l'asse di rotazione 18 dello statore 11, ed è disposta in una sede 24 ricavata nel corpo 10. Le sue spire terminali 23A, 23B, opportunamente accostate e preferibilmente rastremate, poggiano rispettivamente sul fondo piano 24A della sede 24 e su un tratto piano 25 della superficie esterna dello statore 11.

Sui piani 24A e 25 sono realizzati risalti di centraggio 26, 27 che si impegnano nelle spire terminali 23A, 23B della molla 23. Tali risalti hanno il compito di mantenere le spire terminali 23A, 23B posizionate in modo univoco e di impedire che la molla “scivoli” sui piani 24A, 25 per effetto delle componenti radiali e/o assiali delle forze applicate, se il coefficiente d’attrito tra i materiali della molla 23, del corpo 10 e dello statore 11 permette tale scivolamento. Al posto dei risalti si possono anche prevedere nicchie che circondano le spire 23A, 23B, oppure si può avere da un lato un risalto e dall’altro una nicchia. I risalti o le nicchie possono anche avere forma non circolare.

Nella configurazione rappresentata a titolo di esempio, i piani 24A, 25 sono realizzati in modo da essere paralleli tra loro quando la cilindrata è minima e da formare un certo angolo in tutte le altre condizioni, massimo nella condizione di cilindrata massima. La molla 23 presenterà quindi una deformazione minima (sostanzialmente nulla) e un asse sostanzialmente lineare nella condizione di cilindrata minima e raggiungerà la massima deformazione nella condizione di cilindrata massima. Vantaggiosamente, nella condizione deformata, l'andamento dell'asse della molla è definibile da un polinomio di terzo grado.

Le due condizioni di massima e minima deformazione della molla 23 sono anche rappresentate in fig.3.

Si noterà che gli elementi di centraggio 26, 27 sono gli unici elementi di trattenuta della molla 23 e, interessando solo le spire terminali 23A, 23B, non hanno alcuna funzione di guida. La parte restante della molla è quindi libera di deformarsi durante la rotazione dello statore 11. In questo modo, il vettore forza F3 applicato al piano 25 in corrispondenza del centro dell'elemento 27 crea una coppia contro-motrice non lineare, poiché, come si vede chiaramente nelle figure 4 e 5, la forza e il suo braccio di applicazione (distanza dal centro di rotazione 18 dello statore 11) si modificano con la rotazione dello statore 11. In particolare, nella condizione di cilindrata massima (fig. 4), la forza F3 è la risultante delle componenti delle forze radiali e tangenziali complessive agenti sul piano 25 e ha intensità e braccio minori rispetto alla condizione di cilindrata minima (fig. 5), dove il vettore è perpendicolare al piano 25.

Tali condizioni sono raggiunte gradualmente senza attriti di sorta dovuti alla molla. La controreazione alle forze generate dalla molla 23 si scarica a sua volta al centro dell’elemento di centraggio 26 (figg.1, 2), ortogonalmente al piano 24A.

Va tenuto presente che, affinché la molla 23 operi correttamente, è necessario evitare “sbandamenti” laterali non voluti che la portino a urtare contro le pareti assiali della sede 24. In altre parole, la deformazione deve essere tale che, nella condizione deformata, la curva descritta dall'asse rimanga in un piano trasversale all'asse 28. Questo si ottiene con un'opportuna scelta del rapporto tra il diametro e la lunghezza libera della molla 23 e dell'angolo tra i due piani 24A, 25 nella condizione di massima deformazione. In particolare le prove effettuate hanno dimostrato che il rapporto diametro/lunghezza della molla 23 deve essere compreso fra 1 e 5, e preferibilmente tra 1 e 3,8, e che l'angolo tra i due piani deve essere compreso tra circa 10 e circa 30°, e preferibilmente essere dell'ordine di 20°, Anche il diametro del filo collabora alla definizione di tale rapporto.

Ferme restando queste indicazioni generali, per una data applicazione le caratteristiche della molla 23 dipenderanno dalla cilindrata della pompa, dalla differenza tra la cilindrata massima e minima, dalla pressione di regolazione e, nel caso di pompa rotativa, dalla geometria di trascinamento del rotore 13.

E' evidente che quanto descritto è dato a titolo di esempio non limitativo e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione.

Per esempio, anche se si è illustrata una configurazione in cui l'asse 28 della molla 23 è lineare nella condizione di cilindrata minima della pompa 1 e raggiunge la deformazione massima nella condizione di cilindrata massima, sono anche possibili sia la disposizione inversa sia configurazioni in cui l'asse 28 presenta sempre una certa deformazione.

Inoltre, anche se si è illustrata in dettaglio una pompa in cui la regolazione della cilindrata avviene mediante una rotazione dello statore attorno ad un asse interno allo statore stesso, comandata direttamente dalla pressione del fluido pompato, l'invenzione può essere anche applicata a pompe in cui la rotazione dello statore è comandata indirettamente da tale pressione, o a pompe con un movimento di regolazione della cilindrata diverso dalla rotazione qui illustrata (pompe cosiddette "pendulum", pompe con statore basculante od oscillante, ecc.). Inoltre, anche se si è illustrata una pompa a palette, l'invenzione è applicabile anche a pompe con rotore di altro tipo, per esempio un rotore a ingranaggi (p.

es. tipo G-Rotor e G-Rotor sdoppiato), nonché a pompe non rotative, per esempio pompe a pistoni azionati da un piatto rotante con inclinazione variabile.

Claims (10)

1. Rivendicazioni 1. Pompa a cilindrata regolabile per fluidi, comprendente: - organi mobili di regolazione (11), atti a compiere, al variare di condizioni operative della pompa (1), un movimento oscillatorio attorno ad un asse (18) tra due posizioni limite corrispondenti rispettivamente a una cilindrata massima e una cilindrata minima della pompa (1); e - organi (23) di contrasto del movimento degli organi di regolazione (11); caratterizzata dal fatto che gli organi di contrasto (23) presentano estremità opposte (23A, 23B) atte a cooperare con organi (26, 27) di centraggio e trattenuta trasversale associati rispettivamente a detti organi di regolazione (11) e a un corpo (10) della pompa (1), e una parte intermedia libera di deformarsi durante detto movimento, e-sono costruiti e montati in modo tale che: - un rapporto tra dimensione trasversale e dimensione longitudinale sia compreso tra 1 e 5; e - un loro asse longitudinale (28) non passi per detto asse (18) e, in una condizione deformata degli organi stessi (23), formi una curva giacente su un piano trasversale all'asse.
2. 2. Pompa secondo la riv. 1, caratterizzata dal fatto che detto rapporto è compreso tra 1 e 3,8.
3. 3. Pompa secondo la riv. 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detta curva giacente su un piano trasversale all'asse è esprimibile con un polinomio di terzo grado.
4. 4. Pompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che le estremità opposte (23A, 23B) degli organi di contrasto (23) si appoggiano su piani (24A, 25) che formano un angolo compreso fra circa 10° e circa 30°, e preferibilmente di circa 20°, in una condizione di deformazione massima degli organi di contrasto (23).
5. 5. Pompa secondo la riv. 4, caratterizzata dal fatto che tali piani (24A, 25) sono paralleli in una delle posizioni limite e formano l'angolo corrispondente alla deformazione massima nell'altra posizione limite.
6. 6. Pompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che gli organi di centraggio (26, 27) comprendono una coppia di risalti che si impegnano nelle estremità (23A, 23B) degli organi di contrasto (23), o una coppia di incavi che danno sede a dette estremità (23A, 23B) o un risalto che si impegna in una delle estremità e un incavo che dà sede all'altra estremità.
7. 7. Pompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la pompa (1) è una pompa per un circuito di lubrificazione di un motore e/o di un sistema di trasmissione di autoveicolo.
8. 8. Metodo di regolazione della cilindrata di una pompa a cilindrata variabile per fluidi, comprendente le operazioni di: - far muovere organi mobili di regolazione (11), al variare di condizioni operative della pompa (1), secondo un movimento oscillatorio attorno ad un asse tra due posizioni limite corrispondenti rispettivamente a una cilindrata massima e una cilindrata minima della pompa (1); - contrastare il movimento degli organi di regolazione (11) con organi di contrasto (23) aventi estremità opposte (23A, 23B) che si appoggiano rispettivamente sull'elemento mobile (11) e su un corpo (10) della pompa; caratterizzato dal fatto che l'operazione di contrastare il movimento degli organi di regolazione (11) è ottenuta con organi di contrasto (23) che presentano un rapporto tra una dimensione trasversale e una dimensione longitudinale compreso tra 1 e 5 e preferibilmente tra 1 e 3,8, e comprende le operazioni di: - montare gli organi di contrasto (23) in modo che siano trattenuti trasversalmente solo in corrispondenza delle estremità (23A, 23B) e che un loro asse longitudinale (28) non passi per detto asse (18); e fare deformare, durante il movimento degli organi di regolazione (11), una parte intermedia degli organi di contrasto (23) in modo che, in condizione deformata, l'asse longitudinale (28) si disponga secondo una curva giacente su un piano trasversale all'asse.
9. 9. Metodo secondo la riv. 8, caratterizzato dal fatto che l'operazione di montare gli organi di contrasto (23) prevede di fare appoggiare le estremità opposte (23A, 23B) su piani (24A, 25) che formano un angolo compreso fra circa 10° e circa 30°, e preferibilmente di circa 20°, in una condizione di deformazione massima degli organi di contrasto (23).
10. 10. Metodo secondo la riv. 9, caratterizzato dal fatto che tali piani (24A, 25) sono paralleli in una delle posizioni limite e raggiungono l'angolo corrispondente alla deformazione massima nell'altra posizione limite.