IT201800006111A1

IT201800006111A1 - Anello interno flangiato ottimizzato per operazione di deformazione orbitale

Info

Publication number: IT201800006111A1
Application number: IT102018000006111A
Authority: IT
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2019-12-08

Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: ANELLO INTERNO FLANGIATO OTTIMIZZATO PER OPERAZIONE DI DEFORMAZIONE ORBITALE

DESCRIZIONE

Settore tecnico dell’invenzione

La presente invenzione è relativa ad un anello interno flangiato di un cuscinetto di rotolamento appartenente ad un gruppo mozzo ruota e ottimizzato per migliorare la lavorazione di deformazione orbitale.

La presente invenzione è particolarmente idonea, anche se non esclusivamente, per i gruppi mozzo ruota di autoveicoli, gruppi provvisti di un cuscinetto a rotolamento. Tali applicazioni comprendono sia il caso in cui l’anello esterno del cuscinetto è rotante mentre l’anello interno del cuscinetto è fisso, sia il caso opposto in cui l’anello interno ruota e l’anello esterno è fisso. L’invenzione è altresì idonea per qualsiasi tipologia di corpi di rotolamento (sfere, rulli, rulli conici, ecc.).

Tecnica nota

Con riferimento alla figura 1, viene illustrato un esempio di gruppo mozzo ruota 1 secondo la tecnica nota. In svariate applicazioni di gruppi mozzo ruota 1, il mozzo 2 presenta un corpo cilindrico 3 ed una porzione a flangia 4 assialmente esterna per il collegamento al mozzo. Il mozzo costituisce uno degli elementi rotanti dell’unità cuscinetto ed è configurato per assumere anche la funzione di anello di rotolamento interno del cuscinetto. Per questi motivi, un mozzo siffatto è altresì denominato anello interno flangiato e nel corso della presente descrizione si indicherà in uno qualsiasi dei due modi.

Normalmente, le unità cuscinetto di un gruppo mozzo ruota sono provviste di due corone 5, 6 di corpi di rotolamento. Tali corpi rotolano su rispettive piste di rotolamento 7’ di un anello esterno 7, nella maggior parte dei casi stazionario, e su rispettive piste di rotolamento 2’, 8’ degli anelli interni, nella maggior parte dei casi girevoli.

Come si è detto, il mozzo assume la funzione di anello interno, in posizione assialmente esterna, mentre un secondo anello interno 8, separato dal mozzo, è montato sul mozzo medesimo ed in particolare su una sua superficie 2” radialmente esterna.

Il mozzo 2 definisce nella sua estremità assialmente interna un bordo rollato 9 che è configurato per precaricare assialmente l’anello interno 8, dopo essere stato deformato per mezzo di una lavorazione plastica, denominata deformazione orbitale. Il bordo rollato 9 è mostrato in configurazione indeformata, a tratto intero, e in configurazione deformata, a tratto discontinuo.

La lavorazione di deformazione orbitale è realizzata a mezzo di un utensile, schematizzato in figura 1 e complessivamente indicato con 100, che presenta un corpo cilindrico 101, una porzione a pressa 102, anulare, con superficie di pressatura 103 che presenta un angolo di apertura γ, formato tra la superficie di pressatura 103 e una superficie piana 104 dell’utensile 100, radialmente interna rispetto alla superficie di pressatura 103, che assume valori prossimi a 90° e comunque superiori a 45°.

Una volta effettuata la lavorazione di deformazione orbitale, il diametro radialmente esterno DK dell’anello interno 8 aumenta notevolmente di dimensione proprio per effetto della lavorazione stessa. Infatti, affinché si realizzino la voluta deformazione del bordo e il conseguente precarico sull’anello interno 8, l’utensile a pressa deve esercitare sul bordo rollato del mozzo o anello interno flangiato un carico di entità molto elevata e ciò naturalmente impatta sia sullo stato tensionale, sia sulla deformazione dell’anello interno 8 e conseguentemente sulle dimensioni del suo diametro DK che tendono, pertanto, ad aumentare.

Esiste pertanto l’esigenza di progettare un anello flangiato interno di un gruppo mozzo ruota ed il relativo utensile per realizzare la deformazione orbitale che siano esenti dagli inconvenienti suddetti. In particolare, vi è l’esigenza di ridurre l’entità della forza necessaria per ottenere la deformazione del bordo rollato 9 dell’anello interno flangiato 2 e, di conseguenza, per ottenere una minore deformazione dell’anello interno 8.

Sintesi dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un anello interno flangiato per ridurre la deformazione del piccolo anello interno dell’unità cuscinetto di un gruppo mozzo ruota, deformazione indotta dal processo di deformazione orbitale eseguito sul bordo di rollatura dell’anello interno flangiato stesso.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di consentire la riduzione della forza di rollatura necessaria per deformare il bordo di rollatura dell’anello interno flangiato.

La soluzione proposta prevede da un lato una ottimizzazione della forma del foro interno del bordo di rollatura dell’anello interno flangiato e dall’altro una conseguente ottimizzazione della superficie di pressatura dell’utensile che realizza il processo di deformazione orbitale. Questa duplice ottimizzazione consente di ridurre la quantità di energia necessaria per la deformazione plastica e la percentuale di incremento del diametro radialmente esterno del piccolo anello interno, ovvero la sua deformazione complessiva.

Pertanto, secondo la presente invenzione è descritto un anello flangiato di un gruppo mozzo ruota provvisto di un bordo di rollatura ottimizzato per l’operazione di deformazione orbitale conica e avente le caratteristiche enunciate nella rivendicazione indipendente di prodotto, annessa alla presente descrizione.

Ulteriori modi di realizzazione dell’invenzione, preferiti e/o particolarmente vantaggiosi, sono descritti secondo le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni dipendenti annesse.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, in cui:

- la figura 1, in sezione parziale assialsimmetrica, mostra l’operazione di deformazione orbitale di un anello interno flangiato secondo la tecnica nota,

- la figura 2, in sezione parziale assialsimmetrica, mostra un dettaglio di un gruppo mozzo ruota assemblato, dopo esecuzione di lavorazione di deformazione orbitale secondo una forma di attuazione della presente invenzione,

- la figura 3 è una sezione assialsimmetrica di un anello interno flangiato secondo una forma di attuazione della presente invenzione, prima dell’operazione di deformazione orbitale,

- la figura 4 è un dettaglio del bordo di rollatura dell’anello flangiato di figura 3,

- la figura 5 è una sezione dell’utensile per deformazione orbitale secondo una forma di attuazione della presente invenzione, e - la figura 6 è un dettaglio della geometria dell’utensile di figura 5.

Descrizione dettagliata

Facendo ora riferimento alla figura 2, un gruppo mozzo ruota, secondo una forma preferita di attuazione dell’invenzione, è indicato nel suo insieme con 10. La figura mostra un dettaglio della configurazione esemplificativa. Come detto in premessa, l’invenzione è applicabile non soltanto alla configurazione di seguito descritta, ma più in generale a qualsiasi gruppo mozzo ruota per autoveicoli.

Il gruppo 10 comprende un mozzo 20 preferibilmente, ma non necessariamente, girevole e un’unità cuscinetto 30. Il mozzo 20 è configurato per assumere anche la funzione di anello di rotolamento interno del cuscinetto e per questo motivo è altresì denominato anello interno flangiato. In tutta la presente descrizione e nelle rivendicazioni, i termini e le espressioni indicanti posizioni ed orientamenti quali “radiale” e “assiale” si intendono riferiti all’asse di rotazione centrale X dell’unità cuscinetto 30. Espressioni quali “assialmente esterno” e “assialmente interno” sono, invece, riferite alla condizione montata, e nel caso di specie, preferibilmente, sono riferite ad un lato ruota e, rispettivamente, ad un lato opposto al lato ruota.

L’unità cuscinetto 30 comprende un anello radialmente esterno 31, preferibilmente, ma non necessariamente, stazionario, provvisto di rispettive piste di rotolamento radialmente esterne 31’, almeno un anello radialmente interno 20, 34, girevole, provvisto di rispettive piste di rotolamento radialmente interne 20’, 34’ e due corone di corpi di rotolamento 32, 33, in questo esempio sfere. La corona di corpi di rotolamento assialmente esterna 32 è interposta tra l’anello radialmente esterno 31 e il mozzo 20 con funzione di anello radialmente interno, mentre la corona di corpi di rotolamento assialmente interna 33 è interposta tra l’anello radialmente esterno 31 e l’anello radialmente interno 34. Per semplicità di rappresentazione grafica i riferimenti 32, 33 saranno attribuiti sia alle singole sfere, sia alle corone di sfere. Sempre per semplicità, si potrà utilizzare il termine “sfera” in modo esemplificativo nella presente descrizione e negli allegati disegni al posto del termine più generico “corpo di rotolamento” (e si utilizzeranno altresì gli stessi riferimenti numerici). Si intenderà sempre che al posto delle sfere potrà essere usato un qualsiasi altro corpo di rotolamento (ad esempio, rulli, rulli conici, rullini, ecc.).

I corpi di rotolamento delle corone 32, 33 sono mantenuti in posizione da corrispondenti gabbie 39, 40.

Il mozzo 20 definisce nella sua estremità assialmente interna un bordo rollato 22 che è configurato per precaricare assialmente l’anello interno 34, il quale è montato su una superficie radialmente esterna 20” del mozzo.

Con riferimento alla figura 3, il mozzo 20 presenta, inoltre, una porzione a flangia 23 assialmente esterna. La porzione a flangia presenta una pluralità di fori assiali di fissaggio 24. Tali fori sono le sedi per altrettanti mezzi di fissaggio (ad esempio bulloni prigionieri, anch’essi di tipo noto) che collegano in modo noto un elemento della ruota dell’autoveicolo, ad esempio il disco del freno (anch’esso di tipo noto e non mostrato in figura), al mozzo 20.

In figura 3 è anche rappresentato il bordo di rollatura 25 nella configurazione non deformata, ovvero prima di essere sottoposto alla lavorazione di deformazione orbitale. Per maggiore chiarezza, nella presente descrizione indichiamo come bordo di rollatura 25 il bordo assialmente interno dell’anello flangiato 20 nella configurazione non deformata, mentre indichiamo come bordo rollato 22, il medesimo bordo nella configurazione deformata, ovvero dopo essere stato sottoposto a lavorazione di deformazione orbitale.

La figura 4 è il dettaglio Y di figura 3. In questa figura si rappresenta in scala ingrandita il bordo di rollatura 25. Secondo una forma preferita di attuazione dell’invenzione e per ottenere gli scopi prefissati dall’invenzione - ovvero un minore incremento del diametro esterno DK dell’anello radialmente interno 34 per effetto della deformazione indotta dal bordo rollato 22 e una minore forza di rollatura -tale bordo di rollatura 25 è stato ottimizzato.

Il bordo di rollatura 25 è delimitato radialmente verso l’esterno da una superficie 20” di montaggio, sulla quale viene montato l’anello 34, ed è delimitata radialmente verso l’interno da una superficie conica 27, che, allargandosi in uscita da un foro interno 26 del mozzo 20, determina un progressivo assottigliamento di uno spessore radiale del bordo di rollatura 25 stesso. La conicità della superficie conica 27 permette, innanzitutto, di deformare il bordo di rollatura 25 partendo da sezioni di spessore radiale inferiore, pertanto più malleabili, ovvero lavorabili più facilmente per deformazione a freddo, per giungere progressivamente a sezioni di spessore radiale maggiore, quindi, permette anche di scomporre una spinta assiale lungo l’asse X dell’utensile di formatura essenzialmente in due componenti:

- una componente Cr radiale diretta perpendicolarmente all’asse X, e

- una componente Ca assiale diretta lungo l’asse X.

Entrambe le componenti Cr e Ca sono influenzate in prima approssimazione dal valore dell’angolo� (illustrato in figura 4) di inclinazione della conicità della superficie conica 27 sulla quale agisce l’utensile di formatura, e la componente Ca assiale agisce sul bordo di rollatura 25 favorendone la deformazione e controllando le deformazioni dell’anello radialmente interno 34.

Infatti, a causa della forma conica, durante il processo di deformazione orbitale, la deformazione del bordo di rollatura procederà partendo dalle sezioni di estremità, quelle con uno spessore radiale di dimensioni inferiori, e arrivando progressivamente alle sezioni di spessore radiale maggiore. Ciò favorisce il deflusso di materiale dalla posizione indeformata alla configurazione finale deformata del bordo di rollatura. In altre parole, riducendo il valore della spinta totale, la medesima quantità di materiale sarà a contatto con l’anello radialmente interno realizzando la funzione di ritenzione e precarico dell’anello medesimo, senza deformarlo eccessivamente.

Naturalmente, queste condizioni variano al variare della quantità di materiale da deformare. Inoltre, il valore della conicità non potrà assumere valori qualsivoglia: una elevata conicità aumenterebbe la componente di spinta assiale, favorendo il processo sopra descritto, ma indebolirebbe il bordo di rollatura in modo eccessivo. Al contrario un basso valore di conicità consentirebbe di avere un bordo di rollatura molto resistente, ma ridurrebbe la componente della spinta assiale vanificando gli effetti benefici ricercati. Stante questo “trade-off”, è necessario selezionare opportuni range per le principali grandezze geometriche del bordo di rollatura. L’obbiettivo prefissato è quello di ridurre, senza indebolire eccessivamente il bordo di rollatura, l’incremento del diametro DK dell’anello radialmente interno 34 per percentuali comprese tra il 25% e il 35% a seconda delle applicazioni.

Dopo aver eseguito un’estesa campagna sperimentale allo scopo di verificare le considerazioni di sopra riportate, la scrivente ha riscontrato che i migliori risultati per ottimizzare la deformazione dell’anello radialmente interno e la forza da applicare all’ utensile per la lavorazione di deformazione orbitale si ottengono selezionando opportuni valori di due parametri.

Un primo parametro k è definito come il rapporto tra la conicità α della superficie 27 espressa in gradi e lo spessore radiale s della porzione cilindrica 26’ del bordo di rollatura espresso in millimetri:

k = α /s

in particolare, il parametro k potrà assumere valori compresi tra 0,03 mm<-1 >e 2 mm<-1>. Considerando che un valore standard dello spessore per un bordo di rollatura è pari a 5 mm e che il campo di variazione dello spessore è compreso tra 3 mm e 7mm, valore oltre il quale il processo di deformazione orbitale risulterebbe molto difficoltoso, ne risulta che il valore della conicità risulterà compreso in un range tra 0,2° e 6°. Il rispetto di questo parametro è fondamentale per evitare che il bordo di rollatura 25 si indebolisca troppo nella sezione di estremità a spessore radiale inferiore.

Vantaggiosamente, un secondo parametro h è definito come il rapporto tra la conicità� della superficie 27 espressa in gradi e la lunghezza L’ del bordo di rollatura 25, ovvero la profondità del foro 26, espressa in millimetri

h = α /L’

in particolare, il parametro h potrà assumere valori compresi tra 0,125 mm<-1 >e 0,5 mm<-1>. Considerando che un valore standard della lunghezza L’ è pari a 11 mm e che il campo di variazione della lunghezza L’ può essere compreso tra 8 mm e 16 mm, ne risulta che il valore della conicità risulterà compreso tra 2° e 4°. Il rispetto di questo secondo parametro h permette di conseguire un ulteriore vantaggio, ovvero garantire che il bordo di rollatura 25 abbia una lunghezza minima della porzione cilindrica 26’.

La lunghezza L della superficie conica 27 della porzione assialmente interna 28 è anch’essa correlata allo spessore s del bordo di rollatura 25 e alla sua lunghezza L’. Considerando che, come già detto, il campo di variazione della lunghezza L’ è compreso tra 8 mm e 16 mm, la lunghezza L della superficie conica 27 potrà essere compresa tra 5 mm e 8 mm. Vantaggiosamente, migliori risultati si ottengono se il valore di tale lunghezza L è compresa tra 6 mm e 7 mm.

Infine, il raggio di raccordo R tra la superficie conica 27 e la superficie piana 29, assialmente interna, del bordo di rollatura 25 dovrà assumere un valore compreso tra 0,5 mm e 2,5 mm. Vantaggiosamente, migliori risultati si ottengono se il valore di tale raggio di raccordo R è pressoché pari a 1,5 mm.

Un esempio di dimensionamento del bordo di rollatura è il seguente: spessore s pari a 5 mm, lunghezza L’ del bordo di rollatura pari a 11 mm, conicità α pari a 3° circa, lunghezza L della superficie conica 27 della porzione assialmente interna 28 pari a circa 6,5 mm e il raggio di raccordo R pari a 1,5 mm.

Gli scopi della presente invenzione si ottengono preferibimente ottimizzando anche l’utensile da utilizzare per la deformazione orbitale.

Con riferimento alle figure 5 e 6, ove la figura 6 è il dettaglio Z in scala ingrandita della figura 5, la lavorazione di deformazione orbitale è realizzata a mezzo di un utensile schematizzato in figura 5 e complessivamente indicato con 50, che presenta un corpo cilindrico 51, una porzione a pressa 52, anulare, con una superficie di pressatura 53, anch’essa anulare. Nel dettaglio di figura 6 è agevole identificare l’angolo di apertura β��tra la superficie di pressatura 53 e una superficie piana 54 radialmente interna rispetto alla superficie di pressatura 53. Il valore dell’angolo di apertura β è stato ottimizzato rispetto a quelli normalmente adoperati secondo la tecnica nota.

Il profilo modificato dell'utensile di deformazione orbitale agisce soprattutto nella fase iniziale di deformazione al fine di aumentare la fase di compressione e ridurre l'espansione radiale del diametro DK dell’anello radialmente interno 34, a sua volta indotta dalla deformazione radiale che l’utensile provoca sul bordo di rollatura 25 dell’anello interno flangiato 20. La campagna sperimentale di cui si è già detto ha condotto all’ottimizzazione in tal senso dell'angolo di apertura β dell'utensile che dovrà essere compreso tra 5° e 40° a partire dalla superficie piana 54 dell'utensile.

L’insieme di tutte le ottimizzazioni dimensionali, di sopra descritte, modifiche conferisce una maggiore deformabilità del bordo di rollatura 25 con tutti i vantaggi descritti di seguito.

Innanzitutto la riduzione della forza necessaria per la lavorazione di deformazione orbitale al fine di ottenere il bordo rollato 22. In questo modo si potranno non occorrerà utilizzare macchine per deformazione orbitale con prestazioni superiori anche allorquando sarà richiesto un carico molto elevato, ad esempio superiore a 240 kN. Di conseguenza, a parità di applicazione, saranno ridotti anche i consumi energetici durante l’utilizzo della macchina per la deformazione orbitale.

Al contrario, a parità di forza applicata, si ottiene un incremento della forza di ritenzione del materiale deformato del bordo rollato sull'anello radialmente interno 34.

Inoltre, l’incremento del diametro DK dell’anello radialmente interno 34 si riduce dal 25% al 35% a seconda delle applicazioni. Di conseguenza si riduce anche lo stato tensionale dell’anello radialmente interno. Ciò consente un migliore assemblaggio della tenuta e una riduzione della formazione di cricche nell’anello radialmente interno.

Per quanto attiene all’utensile, la sua geometria risulta più semplificata con conseguente incremento della vita utensile e riduzione costi. Inoltre, saranno possibili tolleranze più ampie per la parte di contatto iniziale dell’utensile con la rispettiva porzione di contatto del bordo di rollatura, con conseguente ulteriore riduzione del costo dell’utensile.

Oltre ai modi di attuazione dell’invenzione, come sopra descritti, è da intendere che esistono numerose ulteriori varianti. Deve anche intendersi che detti modi di attuazione sono solo esemplificativi e non limitano l’oggetto dell’invenzione, né le sue applicazioni, né le sue configurazioni possibili. Al contrario, sebbene la descrizione sopra riportata rende possibile all’uomo di mestiere l’attuazione della presente invenzione almeno secondo una sua configurazione esemplificativa, si deve intendere che sono concepibili numerose variazioni dei componenti descritti, senza che per questo si fuoriesca dall’oggetto dell’invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate, interpretate letteralmente e/o secondo i loro equivalenti legali.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Anello interno flangiato (20) di un cuscinetto di rotolamento appartenente ad un gruppo mozzo ruota di autoveicoli, detto anello interno flangiato (20) comprendente nella sua estremità assialmente interna un bordo di rollatura (25) configurato per precaricare assialmente un anello radialmente interno (34) dopo essere stato deformato plasticamente per mezzo di deformazione orbitale, laddove detto bordo di rollatura (25) comprende una superficie conica (27) di una porzione assialmente interna (28) del bordo di rollatura (25) medesimo e caratterizzato dal fatto che un primo parametro (k) definito come il rapporto tra la conicità ( α ) della superficie conica (27), espressa in gradi, e lo spessore (s) del bordo di rollatura (25), espresso in millimetri, assume valori compresi tra 0,03 mm<-1 >e 2 mm<-1>.
2. Anello interno flangiato (20) secondo la rivendicazione 1, laddove la conicità ( α )�della superficie conica (27) è compresa tra 0,2° e 6°.
3. Anello interno flangiato (20) secondo la rivendicazione 1, <l>addove un secondo parametro (h) definito come il rapporto tra la conicità α della superficie (27), espressa in gradi, e la lunghezza (L’) del bordo di rollatura (25), espressa in millimetri, assume valori compresi tra 0,125 mm<-1 >e 0,5 mm<-1>.
4. Anello interno flangiato (20) secondo la rivendicazione 3, laddove detta conicità ( α ) è compresa tra 2° e 4°.
5. Anello interno flangiato (20) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, laddove la lunghezza (L) della superficie conica (27) della porzione distale (28) è compresa tra 5 mm e 8 mm.
6. Anello interno flangiato (20) secondo la rivendicazione 5, laddove la lunghezza (L) è compresa tra 6 mm e 7 mm.
7. Anello interno flangiato (20) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, laddove un raggio di raccordo (R) tra la superficie conica (27) e una superficie piana (29) assialmente interna del bordo di rollatura (25) ha una lunghezza compresa tra 0,5 mm e 2,5 mm.
8. Anello interno flangiato (20) secondo la rivendicazione 7, laddove la lunghezza del raggio di raccordo (R) è pressoché uguale a 1,5 mm.
9. Un gruppo mozzo ruota (10) per autoveicoli, comprendente un anello interno flangiato (20) provvisto di una pista di rotolamento radialmente interna (20’) ed un’unità cuscinetto (30) a sua volta comprendente: - un anello radialmente esterno (31) provvisto di rispettive piste di rotolamento (31’) radialmente esterne, - un anello radialmente interno (34) provvisto di una pista di rotolamento radialmente interna (34’), - una pluralità di corpi di rotolamento (32, 33) posizionati tra le corrispondenti piste di rotolamento interne ed esterne, il gruppo mozzo ruota (10) essendo caratterizzato dal fatto che l’anello interno flangiato (20) è realizzato secondo una delle rivendicazioni precedenti.