IT201800009270A1 - Cambio continuo. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Cambio continuo”

DESCRIZIONE

Settore tecnico

La presente invenzione si colloca, in generale, nel settore dei sistemi di trasmissione del moto; in particolare, l’invenzione si riferisce a un cambio continuo, per la trasmissione del moto tra due alberi.

Tecnica nota

Nelle applicazioni meccaniche è assai diffusa la necessità di realizzare un cambio di velocità (nel seguito semplicemente “cambio”), cioè un dispositivo che permette di collegare fra loro due alberi rotanti in modo da disporre di un rapporto di trasmissione variabile.

Tale dispositivo è usualmente situato fra un motore e un utilizzatore ed è impiegato in moltissimi campi, dal settore autotrasporti a ogni tipo di industria.

In molte applicazioni è preferibile poter variare con continuità il rapporto di trasmissione, nel senso di poter disporre di tutti i rapporti di trasmissione intermedi fra un valore massimo ed uno minimo. Nel seguito si definirà “cambio continuo” (continuously variable transmission) un dispositivo che offra tale caratteristica.

Attualmente esistono diversi tipi di cambio continuo.

Un tipo molto diffuso è quello a pulegge a diametro variabile, nel quale la trasmissione è assicurata da una cinghia che trasmette il moto fra due pulegge. Ciascuna puleggia è formata da due dischi con superfici coniche. Avvicinando o allontanando i dischi di ciascuna puleggia si impone la variazione del raggio d’avvolgimento della cinghia su ciascuna puleggia e di conseguenza la variazione del rapporto di trasmissione.

Esistono poi numerosi tipi di cambio continuo che utilizzano il rotolamento di due o più superfici rigide, solidali agli assi degli alberi e disposte in modo tale che, azionando opportuni meccanismi, il punto di contatto fra le due superfici si sposti in modo da modificare progressivamente i raggi dei cerchi teorici di rotolamento e, di conseguenza, variare il rapporto di trasmissione.

I dispositivi noti basati su tale principio hanno il difetto che il punto di contatto fra le superfici che trasmettono il moto non è dotato di rotolamento “puro”, ma ha anche un “moto di prillamento”, detto anche “moto di perforazione” o “moto di giro”, cioè una rotazione relativa fra i due corpi a contatto intorno all’asse perpendicolare alla superficie nel punto di contatto.

Il moto di prillamento è nocivo e indesiderato principalmente perché esso favorisce l’usura delle parti, limitando fortemente la coppia che è possibile trasmettere o la vita utile del pezzo, e inoltre perché determina perdite dissipative per strisciamento. Infatti, per trasmettere il moto nelle realizzazioni applicative reali, il contatto fra le due superfici non può essere puntiforme, come nel cinematismo teorico, ma ha necessariamente un’impronta con un’estensione diversa da zero. Pertanto, allontanandosi dal centro dell’area di contatto, il moto di prillamento determina degli strisciamenti fra le parti.

Tale difetto, comprensibilmente, pregiudica l’efficienza e limita il campo di utilizzabilità del cambio continuo.

Sintesi dell’invenzione

Uno scopo della presente invenzione è ottenere un cambio a rapporto di trasmissione variabile con continuità, in cui la trasmissione del moto avvenga per rotolamento puro, cioè privo di moto di prillamento nei punti di contatto.

Per ottenere tale risultato, un cambio continuo secondo la presente invenzione comprende due alberi principali, fra i quali si intende trasmettere il moto con rapporto di trasmissione variabile. Ad esempio un primo albero (conduttore) può essere collegato a un motore, e il secondo albero (condotto) può essere collegato a un utilizzatore.

I due alberi principali giacciono su uno stesso piano, che nel seguito verrà indicato con l’espressione “piano di riferimento”, e possono avere assi di rotazione inclinati, paralleli o coassiali tra loro.

Gli assi di rotazione degli alberi principali sono fissi sul piano di riferimento, cioè non possono spostarsi rispetto ad una scatola esterna o telaio del cambio. I due alberi principali sono inoltre vincolati in modo da non spostarsi nella direzione parallela al proprio asse di rotazione e, pertanto, possono unicamente ruotare intorno a tale asse di rotazione.

I due alberi principali sono dotati ciascuno di una superficie di rotolamento profilata con modalità che si descriveranno meglio nel prosieguo della presente descrizione.

E’ inoltre presente un albero ausiliario, girevole attorno a un asse di rotazione che giace sul piano di riferimento individuato dagli assi di rotazione degli alberi principali. L’asse di rotazione dell’albero ausiliario è mobile lungo tale piano di riferimento (rimanendo comunque contenuto su tale piano).

L’albero ausiliario è sagomato, alle proprie estremità, in modo tale da presentare due superfici di rotolamento (profilate secondo modalità descritte più avanti) poste a contatto con le rispettive superfici di rotolamento degli alberi principali.

Durante l’utilizzo del cambio, le superfici di rotolamento dell’albero ausiliario rotolano senza strisciare sulle corrispondenti superfici di rotolamento degli alberi principali.

Si assuma, per semplicità d’esposizione, di collegare uno degli alberi principali ad un motore e l’altro albero principale a un utilizzatore: si otterrà che l’albero conduttore trasmette la rotazione all’albero ausiliario e quest’ultimo la trasmette all’albero condotto.

La trasmissione del moto avviene grazie alla forza tangenziale trasmessa per attrito nei punti di contatto tra le superfici di rotolamento dell’albero ausiliario e le corrispondenti superfici di rotolamento degli alberi principali (contatto che deve essere sempre mantenuto ed assoggettato ad un’opportuna forza normale).

Lo spostamento dell’albero ausiliario lungo il piano di riferimento determina lo spostamento dei punti di contatto sulle superfici di rotolamento. Tale movimento permette di variare il rapporto di trasmissione, perché varia il rapporto fra i raggi dei cerchi di rotolamento.

In particolare, le superfici di rotolamento sono superfici di rivoluzione ottenute ruotando opportune curve generatrici intorno ai rispettivi assi di rotazione degli alberi, e sono dotate di doppia curvatura (cioè non possono essere “coni” né “cilindri”, che hanno invece una generatrice rettilinea).

Le superfici di rotolamento sono tangenti fra loro nel loro punto di contatto.

Le superfici di rotolamento sono configurate in modo tale che nel piano di riferimento, per ogni posizione dell’albero ausiliario rispetto agli alberi principali, la retta tangente alle curve generatrici della superficie di rotolamento del primo albero principale e della superficie di rotolamento dell’albero ausiliario nel loro punto di contatto passa per il punto di intersezione fra gli assi di rotazione del primo albero principale e di quello ausiliario. Contemporaneamente, la retta tangente alle curve generatrici della superficie di rotolamento del secondo albero principale e della superficie di rotolamento dell’albero ausiliario nel loro punto di contatto passa per il punto di intersezione fra gli assi di rotazione del secondo albero principale e di quello ausiliario.

La condizione testé descritta determina l’assenza di moto di prillamento. Il profilo delle curve generatrici delle superfici di rotolamento è ottenibile (secondo modalità illustrate in dettaglio nel prosieguo) come luogo geometrico dei punti che soddisfano tale la condizione.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi sono raggiunti, secondo un aspetto dell’invenzione, da un cambio continuo avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 1. Forme di attuazione preferenziali dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione dei disegni

Verranno ora descritte le caratteristiche funzionali e strutturali di alcune forme di realizzazione preferite di un cambio continuo secondo l’invenzione. Si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- le figure 1A e 1B sono due viste schematiche laterali delle porzioni terminali di due alberi principali, con assi incidenti, (su cui sono presenti rispettive superfici di rotolamento), tra le quali è interposto un albero ausiliario nella configurazione maschio, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; si precisa che le figure 1A e 1B rappresentano due distinte situazioni di funzionamento di una stessa una forma di realizzazione della presente invenzione(lo stesso vale per le successive figure 3A e 3B, 4a e 4B, 5A e 5B, 6A e 6B, 7A e 7B, 8A e 8B).

- le figure da 2A a 2D sono viste schematiche laterali di una pluralità di fasi del procedimento per ricavare le curve direttrici delle superfici di rotolamento degli alberi principali, secondo la forma di realizzazione illustrata nelle figure 1A e 1B;

- le figure 3A e 3B sono due viste schematiche laterali di un sistema formato da due alberi principali con assi incidenti e un albero ausiliario nella configurazione femmina, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 4A e 4B sono due viste schematiche laterali di un sistema formato da due alberi principali con assi paralleli e un albero ausiliario nella configurazione maschio, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 5A e 5B sono due viste schematiche laterali di un sistema formato da due alberi principali con assi paralleli e superfici di rotolamento diverse tra loro, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 6A e 6B sono due viste schematiche laterali di un sistema formato da due alberi principali con assi paralleli e un albero ausiliario nella configurazione maschio, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 7A e 7B sono due viste schematiche laterali di un sistema formato da due alberi principali coassiali e un albero ausiliario a sua volta formato da due alberi, nella configurazione maschio, che ingranano vicendevolmente, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; - le figure 8A e 8B sono due viste schematiche laterali di un sistema formato da due alberi principali coassiali e un albero ausiliario a sua volta formato da due alberi nella configurazione femmina, che ingranano vicendevolmente, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 9A e 9B sono due viste schematiche laterali di un sistema formato da due alberi principali coassiali e due alberi ausiliari a loro volta formati ciascuno da due alberi; e

- le figure 10A e 10B sono due viste laterali di un cambio (secondo una forma di realizzazione analoga a quella illustrata nelle figure 3A e 3B) in cui è visibile una slitta di supporto all’albero ausiliario e relativi mezzi di direzionamento, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

Descrizione dettagliata

Prima di spiegare nel dettaglio una pluralità di forme di realizzazione dell’invenzione, va chiarito che l’invenzione non è limitata nella sua applicazione ai dettagli costruttivi e alla configurazione dei componenti presentati nella seguente descrizione o illustrati nei disegni. L’invenzione è in grado di assumere altre forme di realizzazione e di essere attuata o realizzata praticamente in diversi modi. Si deve anche intendere che la fraseologia e la terminologia hanno scopo descrittivo e non vanno intese come limitative.

La presente invenzione può attuarsi secondo molteplici disposizioni costruttive alternative, che si presentano con disegni geometrici diversi, ma che realizzano lo stesso tipo di funzionamento.

Facendo esemplificativamente riferimento alle figure 1A e 1B, un cambio continuo a rotolamento comprende un primo e un secondo albero principale 1 e 2, aventi rispettivi assi di rotazione 1a e 2a fissi e complanari rispetto a un piano di riferimento P.

Tali alberi principali 1 e 2 sono provvisti ciascuno di una superficie di rotolamento primaria 13 e 23, conformata come un solido di rivoluzione.

Il cambio comprende inoltre almeno un albero ausiliario 3 (che può essere a sua volta formato da una pluralità di alberi secondari 3’, 3’’ mutuamente collegati, come visibile a titolo esemplificativo nelle figure da 7A a 8B) girevole attorno a un rispettivo asse di rotazione 3a e interposto tra gli alberi principali 1 e 2. L’albero ausiliario 3 è provvisto di due superfici di rotolamento secondarie 31 e 32, conformate ciascuna come un solido di rivoluzione e poste ciascuna a contatto con una rispettiva superficie di rotolamento primaria 13 e 23 degli alberi principali 1 e 2, in modo tale da trasmettere il moto di un albero principale all’altro albero principale.

L’asse di rotazione 3a dell’albero ausiliario 3 è mobile unicamente lungo il piano di riferimento P individuato dagli assi di rotazione 1a e 2a dei due alberi principali 1 e 2.

Inoltre, le superfici di rotolamento 13, 23, 31 e 32 sono conformate in modo tale che, nel piano di riferimento P, la retta tangente TG1 alla superficie di rotolamento primaria 13 del primo albero principale 1 e alla corrispondente superficie di rotolamento secondaria 31 dell’albero ausiliario 3 nel punto di contatto P1 tra tali superfici di rotolamento 13 e 31 passa sempre per il punto di intersezione T1 tra l’asse di rotazione 1a del primo albero principale 1 e l’asse di rotazione 3a dell’albero ausiliario 3. Contemporaneamente, nel piano di riferimento P la retta tangente TG2 alla superficie di rotolamento primaria 23 del secondo albero principale 2 e alla corrispondente superficie di rotolamento secondaria 32 dell’albero ausiliario 3 nel punto di contatto P2 tra tali superfici di rotolamento 23 e 32 passa sempre per il punto di intersezione T2 tra l’asse di rotazione 2a del secondo albero principale 2 e l’asse di rotazione 3a dell’albero ausiliario 3.

Tutte le forme di realizzazione della presente invenzione hanno in comune la proprietà sopra illustrata, cioè che nel piano di riferimento la retta tangente alla superficie di rotolamento nel punto di contatto passa sempre per il punto d’intersezione degli assi degli alberi che partecipano al contatto.

In questo modo, le superfici di rotolamento secondarie 31 e 32 dell’albero ausiliario 3 rotolano senza strisciare e senza alcun moto di prillamento sulle rispettivi superfici di rotolamento primarie 13 e 23 degli alberi principali 1 e 2.

I luoghi geometrici dei punti che soddisfano le condizioni di cui sopra individuano sul piano di riferimento P le curve generatrici delle superfici di rotolamento 13, 23, 31 e 32.

A titolo esemplificativo, il profilo delle curve generatrici delle superfici di rotolamento 13, 23, 31, 32 può essere disegnato, con approssimazione precisa a piacere, per mezzo del procedimento iterativo che verrà descritto nel seguito. Il procedimento può essere svolto per via grafica oppure con un calcolo numerico analitico.

In una prima fase, con criteri che verranno precisati più avanti, si predispone un profilo iniziale a piacere per le generatrici delle superfici di rotolamento 31 e 32 dell’albero ausiliario 3. In un secondo tempo, si ricavano le curve generatrici delle superfici di rotolamento 13 e 23 degli alberi principali 1 e 2 per mezzo di un procedimento iterativo, che permette di realizzare la condizione d’assenza di prillamento, come descritta in precedenza.

Facendo esemplificativamente riferimento alle figure 2A-2D, la prima fase del procedimento iterativo consiste nel predisporre un albero ausiliario 3 provvisto di due superfici di rotolamento secondarie 31 e 32, conformate ciascuna come un solido di rivoluzione e dotate di doppia curvatura.

Si noti che, per distinguere le posizioni delle componenti del cambio nelle diverse iterazioni, i numeri di riferimento nelle figure sono affiancati da una lettera identificativa dell’iterazione (nell’esempio illustrato, la lettera “A” per la prima iterazione, “B” per la seconda, ecc.). Ad esempio, viene indicata con 3A la posizione dell’albero ausiliario 3 nella prima iterazione.

Con riferimento alla figura 2A, per iniziare il procedimento iterativo si traccia la retta TG1A passante per il punto T1A di intersezione degli assi di rotazione 1a e 3aA (rispettivamente del primo albero principale 1, non illustrato, e dell’albero ausiliario 3A) e tangente al profilo 31A, che rappresenta la curva generatrice della superficie di rotolamento secondaria associata all’albero ausiliario 3A. Si traccia inoltre la retta TG2A passante per il punto T2A di intersezione degli assi di rotazione 2a e 3aA (rispettivamente del secondo albero principale 2, non illustrato, e dell’albero ausiliario 3A) e tangente al profilo 32A, che rappresenta la curva generatrice della superficie di rotolamento secondaria all’estremità opposta dell’albero ausiliario 3A. Si individuano quindi i due punti di contatto iniziali P1A e P2A, nei due punti di tangenza.

Si tracciano due rette R1A, R2A perpendicolari ai profili 31A e 32A nei punti di contatto P1A e P2A rispettivamente.

Il punto A di intersezione fra le due rette R1A e R2A è il centro di rotazione del primo ciclo del procedimento iterativo.

Si impone all’albero 3A una piccola rotazione intorno al punto A, portandolo in tal modo nella posizione 3B (seconda iterazione). L’entità della rotazione da adottare per ogni iterazione è tanto più piccola quanto più si desidera ottenere un risultato preciso.

Dopo la rotazione si individua il punto T1B di intersezione fra l’asse di rotazione 1a del primo albero principale 1 (non illustrato) e l’asse di rotazione 3aB dell’albero ausiliario 3B (cioè l’asse dell’albero ausiliario 3 nella seconda iterazione). Si individua inoltre il punto T2B di intersezione fra l’asse di rotazione 2a del secondo albero principale 2 (non illustrato) e l’asse di rotazione 3aB dell’albero ausiliario 3B.

A questo punto si tracciano le due nuove rette TG1B e TG2B passanti per i suddetti punti di intersezione T1B e T2B e tangenti rispettivamente alle curve di rotolamento secondarie 31B e 32B dell’albero ausiliario 3 (nella nuova posizione 3B).

Si procede quindi con una nuova iterazione. Alla fine delle iterazioni, si disegnano le curve generatrici delle superfici di rotolamento primarie 13 e 23 degli alberi principali 1 e 2 con il metodo seguente:

- le curve devono congiungere rispettivamente i punti di contatto P1A, P1B, P1C, etc. per la superficie di rotolamento primaria 13 (associata al primo albero principale 1), e P2A, P2B, P2C, etc. per la superficie di rotolamento primaria 23 (associata al secondo albero principale 2).

Al fine di illustrare il metodo di tracciamento la figura 2C riporta una serie di tratti di linea posizionati ciascuno in uno dei punti P1A, P1B, P1C e P2A, P2B, P2C e inclinati ciascuno come la rispettiva tangente. In pratica, unendo i tratti si ottiene la corrispondente curva generatrice.

Riassumendo, il profilo delle superfici di rotolamento primarie 13 e 23 è disegnato, con approssimazione precisa a piacere, per mezzo di una successione di rotazioni, piccole a piacere, intorno ad un punto continuamente variabile (centro di istantanea rotazione) dato dall’intersezione fra le due rette R1 e R2, ciascuna perpendicolare rispettivamente ad una delle rette tangenti TG1 e TG2 nei punti di contatto P1 e P2. Aumentando il numero di iterazioni aumenta la precisione del profilo.

Il risultato può essere ottimizzato variando il profilo delle curve generatrici delle superfici di rotolamento secondarie 31 e 32 dell’albero ausiliario 3 e variando la posizione iniziale reciproca degli alberi 1, 2, 3.

In tal modo, si può ottimizzare il disegno in base al rapporto di trasmissione richiesto e alle sollecitazioni ammissibili nei materiali.

Convenientemente, il raggio di curvatura delle curve generatrici delle superfici di rotolamento 31 e 32 dell’albero ausiliario 3, giacenti sul piano di riferimento P, è variabile lungo tali curve generatrici, al fine di ridurre le sollecitazioni nei punti di contatto.

Nella descrizione che precede, il metodo iterativo è stato applicato a partire dalla forma di realizzazione illustrata nelle figure 1A e 1B solo perché tale forma di realizzazione si prestava meglio ai fini della chiarezza espositiva.

I medesimi principi, impiegati per descrivere il procedimento iterativo di cui sopra, si possono applicare anche a forme di realizzazione alternative a quelle illustrate nelle figure da 1A a 2D, come si apprezzerà nel seguito.

Ad esempio, gli alberi principali 1 e 2 possono essere incidenti fra loro (come nelle figure da 1A a 3B) oppure paralleli (come nelle figure da 4A a 8B).

L’albero ausiliario 3 può essere unico oppure, come mostrato esemplificativamente nelle figure da 7A a 8B, può essere a sua volta formato da una coppia di alberi secondari 3’ e 3’’ collegati fra loro da un organo di impegno 14 (opportunamente, un ingranaggio) atto a vincolare tali alberi secondari 3’ e 3’’ a mantenere un rapporto costante fra le rispettive velocità di rotazione. Una simile configurazione è particolarmente vantaggiosa quando i due alberi principali 1 e 2 siano coassiali tra loro (come nelle figure da 7A a 8B).

Inoltre l’albero ausiliario 3 può essere di tipo maschio (figure 1, 2, 4, 5, 6, 7 e 9) o femmina (figure 3, 8 e 10). In quest’ultimo caso, le superfici di rotolamento secondarie 31 e 32 dell’albero ausiliario 3 sono configurate in modo tale che la curva di contatto con le rispettive superfici di rotolamento primarie 13, 23 si affacci verso l’asse di rotazione 3a dell’albero ausiliario 3, mentre nel tipo maschio la curva di contatto si affaccia verso l’esterno.

Inoltre, la configurazione può essere simmetrica o asimmetrica, nel senso che le superfici di rotolamento primarie 13 e 23 possono essere uguali fra loro e speculari e contemporaneamente anche le superfici di rotolamento secondarie 31 e 32 possono essere uguali fra loro e speculari (disegno simmetrico), oppure le superfici di rotolamento 13, 23, 31 e 32 possono essere tutte diverse (disegno asimmetrico). Negli esempi illustrati la disposizione costruttiva asimmetrica è presentata nelle figure 5A e 5B (che, a parte tale caratteristica, per il resto è simile alla disposizione delle figure 4A e 4B, entrambe aventi alberi principali paralleli e albero ausiliario maschio). Ad ogni modo, tutte le disposizioni costruttive presentate possono essere attuate sia in forma simmetrica che asimmetrica.

Se la configurazione è simmetrica, il rapporto di trasmissione varia fra un valore massimo ed uno minimo che sono l’uno il reciproco dell’altro. In questo caso, quando l’albero ausiliario 3 si trova nella posizione centrale, il rapporto di trasmissione è unitario.

Il disegno asimmetrico ha il vantaggio che il rapporto di trasmissione varia fra un valore massimo ed uno minimo che non sono l’uno il reciproco dell’altro. Pertanto, in molte applicazioni il disegno asimmetrico è più opportuno. Ad esempio, la disposizione costruttiva mostrata nelle figure 5A e 5B ha un rapporto di trasmissione che varia da circa 1.2 a circa 5, come richiesto indicativamente in campo automobilistico.

Le combinazioni possibili sono molte e comprendono anche la possibilità di realizzare disegni antimetrici, come mostrato nelle figure 6A e 6B.

Da un punto di vista pratico, le configurazioni che hanno l’albero ausiliario femmina hanno il vantaggio che quest’ultimo, avendo un cerchio di rotolamento con diametro maggiore rispetto a quello dell’albero motore, presenta una velocità di rotazione più bassa rispetto all’albero motore stesso. Questa caratteristica è favorevole per il dimensionamento dei cuscinetti che supportano l’albero ausiliario 3.

Nelle disposizioni costruttive in cui l’albero ausiliario 3 è formato da due alberi secondari 3’ e 3’’, è possibile collegare tali alberi secondari 3’ e 3’’ con un ingranaggio 14 che determini fra essi un rapporto di trasmissione prefissato, anche non unitario (come mostrato nelle figure da 7A a 9B). In tal modo, si può ottenere un’ampia gamma di valori del rapporto di trasmissione del cambio.

Convenientemente, possono essere presenti due alberi ausiliari 3, come mostrato a titolo esemplificativo nelle figure 9A e 9B, in cui viene mostrata una forma di realizzazione dove sono presenti due alberi ausiliari distinti (anziché uno) ciascuno formato a sua volta da due alberi secondari (3’ e 3’’ nella parte inferiore della figura; 3’’’ e 3’’’’ nella parte superiore della figura).

Per facilità di lettura, nella figura sono omessi tutti gli altri numeri di riferimento, che sono del tutto analoghi a quelli delle figure 7A e 7B.

L’adozione di due alberi ausiliari permette di raddoppiare i punti di contatto e pertanto raddoppiare la coppia trasmessa a parità di dimensioni esterne complessive. Inoltre questa disposizione ha effetti favorevoli sul rendimento e sul dimensionamento dei cuscinetti degli alberi principali, perché le componenti radiali delle forze trasmesse dai due alberi si equilibrano fra loro.

Un altro aspetto importante da tenere in considerazione nel progetto è quello di limitare le sollecitazioni locali nella zona di contatto, dove avviene il rotolamento che permette di trasmettere il moto. Da questo punto di vista è importante, che, per quanto possibile, le curvature principali delle due superfici nel punto di contatto siano tali da allargare l’impronta della zona di contatto (che ovviamente nella realtà non è puntiforme, a causa delle deformazioni sotto sforzo).

Su questo tema è opportuno ricordare che le curvature principali di una superficie giacciono su due piani perpendicolari fra loro. Inoltre possiamo osservare che, poiché gli assi degli alberi principali sono incidenti all’asse dell’albero ausiliario, le curvature principali delle due superfici di rotolamento a contatto giacciono, in ciascun punto di contatto, sugli stessi piani.

Poiché ci sono due superfici tangenti fra loro, ci sono ovviamente quattro curvature principali. Tutte le volte che si esporrà un confronto fra le curvature, si intende che il confronto avvenga unicamente fra la curvatura di una superficie e la corrispondente curvatura dell’altra superficie a contatto con essa (cioè che il confronto avvenga unicamente nell’ambito di ciascun piano di giacenza delle curvature principali). Pertanto, il confronto non riguarderà mai curvature giacenti su piani diversi (anche se ciò, per non appesantire l’esposizione, non verrà più specificato).

Ciò premesso, occorre che le curvature delle due superfici a contatto (come sopra specificate) abbiano valori prossimi fra loro e segno opposto. Questa condizione si ottiene ad esempio accostando una superficie concava ed una convessa con raggi poco diversi fra loro oppure due superfici a sella disposte ovviamente con le curvature in corrispondenza fra loro.

Se si adottano superfici con raggi prossimi fra loro e segno opposto si ottiene che l’impronta di contatto sotto sforzo aumenta, e a parità di forza applicata le sollecitazioni locali diminuiscono.

L’accorgimento di adottare superfici con raggi prossimi fra loro e segno opposto non può però essere realizzato oltre una certa misura perché, se i raggi delle due superfici avessero effettivamente valori uguali e opposti, le due superfici avrebbero localmente una piena corrispondenza e non si avrebbe rotolamento ma ingranamento.

Si evidenzia ancora, come già accennato, che l’assenza di moto di prillamento, che caratterizza la presente invenzione, permette di favorire la formazione di impronte di contatto più estese, senza incorrere in fenomeni di usura e perdite per strisciamento.

Questi vantaggi sono dovuti al fatto che le due superfici a contatto non hanno, nel moto relativo fra loro, alcuna componente di rotazione intorno all’asse normale alle due superfici nel punto di contatto, bensì hanno un moto di rotolamento puro. Pertanto in prossimità del punto di contatto i punti omologhi appartenenti alle due superfici (anche al di fuori del punto di contatto, purché a piccola distanza da esso) hanno velocità esattamente uguali fra loro.

Si descrive di seguito una pluralità di forme di realizzazione di un sistema di supporto e movimentazione dell’albero ausiliario 3 che può essere incorporato in un cambio continuo secondo la presente invenzione. Le figure 10A e 10B illustrano schematicamente una di tali forme di realizzazione.

In questa configurazione, gli alberi principali 1, 2 sono incidenti fra loro e l’albero ausiliario 3 è di tipo femmina. Si intende comunque che al sistema di supporto e movimentazione possono essere associati due alberi principali 1, 2 e uno o più alberi ausiliari 3 (che a loro volta possono essere formati da una pluralità di alberi secondari 3’, 3’’) secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione sopra descritte.

Gli alberi principali 1 e 2 sono convenientemente vincolati a una cassa o telaio esterno 20 per mezzo dei cuscinetti 1b e 2b. Pertanto, tali alberi principali possono unicamente ruotare intorno ai propri assi di rotazione 1a e 2a.

Affinché l’asse di rotazione 3a dell’albero ausiliario 3 si sposti unicamente nel piano di riferimento P, l’albero ausiliario 3 è convenientemente vincolato (ad esempio, tramite due cuscinetti 3b) a un corpo mobile o slitta 5, mobile lungo il piano di riferimento P.

Nelle figure 10A e 10B, per esigenze pratiche di montaggio dei cuscinetti 3b, l’albero ausiliario 3 è rappresentato a titolo esemplificativo suddiviso in due parti collegate rigidamente fra loro.

Sulla slitta 5 agiscono uno o più mezzi di direzionamento 10 atti a premere l’albero ausiliario 3 contro gli alberi principali 1 e 2 così da generare, nei punti di contatto P1 e P2 fra le superfici di rotolamento primarie 13 e 23 e le corrispondenti superfici di rotolamento secondarie 31 e 32, una forza normale a dette superfici di rotolamento primarie 13 e 23.

In particolare, i cuscinetti 3b consentono all’albero ausiliario 3 di ruotare unicamente intorno al proprio asse 3a, non permettendo alcun altro spostamento o rotazione rispetto alla slitta 5.

La slitta 5 è vincolata in modo da spostarsi unicamente nel piano di riferimento P.

Allo scopo, la slitta 5 può essere dotata di due facce piane o pattini (non rappresentati in figura), opposti fra loro, disposti uno per parte rispetto al piano di riferimento P e paralleli ad esso. Tali pattini sono opportunamente a contatto, con un piccolo gioco, rispetto a due superfici piane o guide (non illustrate), parallele al piano di riferimento P e solidali al telaio esterno 20. I pattini, opportunamente lubrificati, possono strisciare sulle guide. In tal modo le due guide, solidali al telaio esterno 20, obbligano la slitta 5 a muoversi unicamente nel piano di riferimento P.

Più precisamente, l’accoppiamento fra i pattini e le guide blocca tre dei sei gradi di libertà della slitta 5, e precisamente la traslazione in direzione perpendicolare al piano di riferimento P e le due rotazioni rispetto a due assi ortogonali giacenti nel piano di riferimento P.

Si evidenzia che lo strisciamento fra i pattini e le guide è irrilevante ai fini del rendimento meccanico del sistema, perché lo spostamento relativo fra dette superfici serve unicamente a permettere la regolazione del rapporto di trasmissione. Invece, nel sistema cinematico che determina la trasmissione del moto non vi sono strisciamenti.

Per realizzare i mezzi di direzionamento 10, alla slitta 5 possono essere collegati due cilindri idraulici la cui estremità opposta è collegata al telaio esterno 20. I due cilindri idraulici, i cui assi giacciono sul piano di riferimento P, spingono la slitta 5 in direzione degli alberi principali 1 e 2, e servono a mantenere le superfici di rotolamento secondarie 31 e 32 dell’albero ausiliario 3 a contatto con le corrispondenti superfici di rotolamento primarie 13 e 23 degli alberi principali 1 e 2, nonché ad applicare nei punti di contatto fra dette superfici di rotolamento la forza normale desiderata, che permette di generare per attrito la forza tangenziale che trasmette il moto.

L’eventuale utilizzo di cilindri idraulici, o altri dispositivi che consentano convenientemente di regolare la forza da essi generata, permette di modificare la forza normale applicata nei punti di contatto P1 e P2 in funzione della coppia da trasmettere. Questo accorgimento consente di migliorare l’efficienza meccanica del cambio.

Infatti il dispositivo, pur non avendo strisciamenti nel cinematismo teorico, è soggetto a perdite (cioè dissipazioni di energia) nei cuscinetti degli alberi e nel rotolamento delle superfici che trasmettono il moto (perdite per attrito volvente).

Queste perdite aumentano all’aumentare delle forze applicate fra le superfici di contatto. Pertanto, è inutile e dannoso applicare una forza normale alle superfici maggiore di quella che occorre a ottenere per attrito la forza tangenziale necessaria a trasmettere, con adeguato margine, la coppia richiesta.

Di conseguenza, è molto favorevole poter variare la forza applicata fra le superfici di rotolamento in funzione della coppia da trasmettere.

La presenza di due distinti cilindri idraulici consente di regolare separatamente e a piacimento la forza normale esercitata nei due punti di contatto P1 e P2.

Secondo altre forme di realizzazione (non illustrate) i due cilindri idraulici possono essere sostituiti da altri dispositivi atti a generare la necessaria forza normale fra le superfici di rotolamento. Ad esempio, in alternativa o in combinazione con i cilindri idraulici, possono essere utilizzate delle molle precaricate.

Come già detto, la regolazione del rapporto di trasmissione avviene spostando l’albero ausiliario 3 in modo da modificare la posizione dei punti di contatto P1 e P2 rispettivamente fra le superfici 13 e 31 e fra le superfici 23 e 32.

Secondo una forma di realizzazione preferita (mostrata esemplificativamente nelle figure 10A e 10B), la regolazione del rapporto di trasmissione avviene spostando la slitta 5 lungo il piano di riferimento P, per mezzo di un cilindro idraulico 8, vincolato a un’estremità alla slitta 5 e all’estremità opposta alla cassa 20, in modo tale che l’escursione e/o l’inclinazione del cilindro idraulico 8 determini lo spostamento della slitta da 5 lungo il piano di riferimento P.

In alternativa ad un cilindro idraulico, secondo una forma di realizzazione non illustrata, può essere applicato ad esempio un attuatore elettrico o una leva manuale.

Sono stati descritti diversi aspetti e forme di realizzazione di un cambio continuo secondo l’invenzione. Si intende che ciascuna forma di realizzazione può essere combinata con qualsiasi altra forma di realizzazione. L’invenzione, inoltre, non è limitata alle forme di realizzazione descritte, ma potrà essere variata entro l’ambito definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cambio continuo a rotolamento comprendente: - un primo e un secondo albero principale (1, 2), aventi rispettivi assi di rotazione (1a, 2a) fissi e complanari rispetto a un piano di riferimento (P), detti alberi principali (1, 2) essendo provvisti ciascuno di una superficie di rotolamento primaria (13, 23) conformata come un solido di rivoluzione; - almeno un albero ausiliario (3), girevole attorno a un rispettivo asse di rotazione (3a), detto albero ausiliario (3) essendo interposto tra detti alberi principali (1, 2) e provvisto di due superfici di rotolamento secondarie (31, 32) conformate ciascuna come un solido di rivoluzione e poste a contatto, ciascuna, con una rispettiva superficie di rotolamento primaria (13, 23) degli alberi principali (1, 2), in modo tale da trasmettere il moto di un albero principale all’altro albero principale; detto cambio continuo essendo configurato in modo che l’asse di rotazione (3a) dell’albero ausiliario (3) sia mobile unicamente lungo il piano di riferimento (P) individuato dagli assi di rotazione (1a, 2a) dei due alberi principali (1, 2); caratterizzato dal fatto che le superfici di rotolamento primarie (13, 23) sono conformate in modo tale che: - in detto piano di riferimento (P), la retta tangente (TG1) alla superficie di rotolamento primaria (13) del primo albero principale (1) e alla corrispondente superficie di rotolamento secondaria (31) dell’albero ausiliario (3) nel punto di contatto (P1) tra dette superfici di rotolamento (13, 31) passa per il punto di intersezione (T1) tra l’asse di rotazione (1a) di detto primo albero principale (1) e l’asse di rotazione (3a) di detto albero ausiliario (3); e - in detto piano di riferimento (P), la retta tangente (TG2) alla superficie di rotolamento primaria (23) del secondo albero principale (2) e alla corrispondente superficie di rotolamento secondaria (32) dell’albero ausiliario (3) nel punto di contatto (P2) tra dette superfici di rotolamento (23, 32) passa per il punto di intersezione (T2) tra l’asse di rotazione (2a) di detto secondo albero principale (2) e l’asse di rotazione (3a) di detto albero ausiliario (3); in modo che le superfici di rotolamento secondarie (31, 32) dell’albero ausiliario (3) rotolino senza strisciare e senza moto di prillamento sulle rispettive superfici di rotolamento primarie (13, 23) degli alberi principali (1, 2), in tutte le condizioni di funzionamento.
2. 2. Cambio continuo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il raggio di curvatura delle curve generatrici delle superfici di rotolamento (13, 23, 31, 32), giacenti sul piano di riferimento (P), è variabile lungo dette curve generatrici.
3. 3. Cambio continuo secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui gli assi di rotazione (1a, 2a) degli alberi principali (1, 2) sono paralleli ma non coassiali.
4. 4. Cambio continuo secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui gli assi di rotazione (1a, 2a) degli alberi principali (1, 2) sono incidenti fra loro.
5. 5. Cambio continuo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le superfici di rotolamento primarie (13, 23) degli alberi principali (1, 2) sono diverse fra loro.
6. 6. Cambio continuo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’albero ausiliario (3) comprende due alberi secondari (3’) e (3’’) collegati fra loro da un organo di impegno (14) atto a vincolare detti alberi secondari (3’, 3’’) a mantenere un rapporto costante fra le rispettive velocità di rotazione.
7. 7. Cambio continuo secondo la rivendicazione 4, in cui le superfici di rotolamento secondarie (31, 32) dell’albero ausiliario (3) sono configurate in modo tale che, rispetto a dette superfici, la curva di contatto con le rispettive superfici di rotolamento primarie (13, 23) si affacci verso l’asse di rotazione (3a) di detto albero ausiliario (3).
8. 8. Cambio continuo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui l’albero ausiliario (3) è supportato da una slitta (5) mobile lungo il piano di riferimento (P), sulla quale slitta (5) agiscono uno o più mezzi di direzionamento (10) atti a premere l’albero ausiliario (3) contro gli alberi principali (1, 2) così da generare, nei punti di contatto (P1, P2) fra le superfici di rotolamento primarie (13, 23) e le corrispondenti superfici di rotolamento secondarie (31, 32), una forza normale a dette superfici di rotolamento (13, 23, 31, 32).
9. 9. Cambio continuo secondo la rivendicazione 8, in cui i mezzi di direzionamento (10) sono una coppia di attuatori idraulici e/o molle collegati a una prima estremità alla slitta (5), e a una seconda estremità a una telaio (20), fisso rispetto al piano di riferimento (P) e atto ad alloggiare la slitta (5) e almeno parte degli alberi principali (1, 2).
10. 10. Cambio continuo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui i mezzi di direzionamento (10) sono regolabili in modo tale da applicare, tramite l’albero ausiliario (3), una forza normale sulle superfici di rotolamento primarie (13, 23) variabile in funzione della coppia da trasmettere.
11. 11. Cambio continuo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la regolazione del rapporto di trasmissione avviene spostando la slitta (5) lungo il piano di riferimento (P), per mezzo di un cilindro idraulico (8).