ITMI20061000A1 - Giunto elastico a cerniera sferica traslante e sensore di forze e momenti perfezionato con tale giunto - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad un giunto elastico a cerniera sferica traslante e ad un sensore di forze e momenti perfezionato con tale giunto.

Per la misura di forze e momenti che si scambiano un pneumatico ed il suolo, ma non solo, è necessario ricorrere a sensori in grado di misurare un vettore forza ed un vettore momento applicati con riferimento ad un punto di una struttura.

Sono ad esempio impiegabili sensori rigidi posti tra gli elementi che si scambiano le forze oppure sensori comprendenti una struttura di misura vincolata in modo staticamente determinato al corpo di cui si vuole misurare la sollecitazione.

Il sensore è ad esempio costituito da una struttura di misura comprendente, nella parte centrale, tre bracci, in cui ogni braccio è vincolato ai supporti connessi al corpo di cui si vuole misurare la sollecitazione mediante un giunto costituito da una cerniera sferica traslante, vale a dire da una cerniera sferica ed un carrello.

Ogni cerniera sferica traslante presenta solamente due gradi di vincolo, consentendo, infatti, quattro gradi di libertà, vale a dire un grado di libertà alla traslazione in un piano ortogonale a quello di vincolo sopra citato, un grado di libertà alla torsione e due gradi di libertà alla flessione.

Le cerniere sferiche traslanti di tipo noto possono essere, ad esempio, realizzate combinando tra loro in serie uno snodo sferico ed un manicotto traslante. Tali cerniere sono tuttavia soggette all'attrito, insito nell'utilizzo di cuscinetti lisci o a sfere, che penalizza la sensibilità e l'accuratezza delle misure.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un giunto elastico a cerniera sferica traslante ed un sensore di forze e momenti perfezionato con tale giunto che risolvano gli inconvenienti citati.

Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sensore di forze e momenti perfezionato accurato e sensìbile.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un giunto elastico a cerniera sferica traslante ed un sensore di forze e momenti perfezionato particolarmente semplici e funzionali, con costi contenuti.

Questi scopi secondo la presente invenzione sono raggiunti realizzando un giunto elastico a cerniera sferica traslante come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche del giunto elastico a cerniera sferica traslante e di un sensore di forze e momenti perfezionato con tale giunto sono previste nelle rivendicazioni dipendenti.

Le caratteristiche ed i vantaggi di un giunto elastico a cerniera sferica traslante e di un sensore di forze e momenti perfezionato con tale giunto secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 mostra il modello meccanico di un giunto elastico a cerniera sferica traslante realizzato con fili;

la figura 2 mostra il modello meccanico di un giunto elastico a cerniera sferica traslante realizzato con travi;

le figure 3A, 3B, 3C mostrano il principio di funzionamento di un giunto elastico a cerniera sferica traslante realizzato con travi;

la figura 4 è una vista prospettica di un esempio realizzativo di un giunto elastico a cerniera sferica traslante, realizzato con travi, oggetto della presente invenzione;

la figura 5 mostra un sensore di forze e momenti perfezionato con un giunto elastico a cerniera sferica traslante oggetto della presente invenzione;

le figure 6A e 6B mostrano rispettivamente un disegno d'assieme di un ulteriore sensore di forze e momenti perfezionato con un giunto elastico a cerniera sferica traslante oggetto della presente invenzione ed una sezione dello stesso lungo il piano di traccia VI-VI di figura 6A;

la figura 7 mostra un giunto elastico, oggetto della presente invenzione comprendente due lamine allineate;

la figura 8 è una vista schematica della struttura di misura del sensore di figure 5 e 6;

la figura 9 mostra una terza realizzazione di un sensore di forze e momenti con il giunto elastico di figura 7;

la figura 10 mostra schematicamente il posizionamento di due coppie di estensimetri sulle due lamine allineate del giunto elastico di figura 7;

la figura 11 mostra schematicamente una ultima realizzazione di un sensore di forze e momenti realizzato come mozzo dinamometrico in cui ogni cerniera sferica traslante è realizzata di pezzo con la struttura di misura e con il canale del cerchio stesso.

Con riferimento alle figure 1-3 è schematicamente mostrato e descritto il principio meccanico di funzionamento di un giunto a cerniera sferica traslante secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla figura 1 si nota che per realizzare una cerniera sferica traslante che debba funzionare per piccoli spostamenti si può realizzare una struttura in cui una asta 14, verticale, può traslare lungo ad un proprio asse 11 e ruotare sfericamente attorno alla cerniera centrale. Elementi elastici 12, orizzontali, sono fili tesi opportunamente oppure travi con alle estremità vincoli 15 costituiti da cerniere (in generale sferiche). Tale struttura è quattro volte labile e concede, oltre alle tre rotazioni spaziali dell'asta verticale 14, anche il piccolo spostamento in direzione verticale dell'asta verticale 14 stessa. Una tale struttura può funzionare con un numero di fili, o travi, 12 maggiore o uguale a tre. Infatti, con due fili, o travi, 12 non funziona correttamente perché esiste una labilità in direzione ortogonale agli assi delle due travi, o fili, 12 e giacente in un piano orizzontale 13 che contiene le due travi, o fili 12.

Con riferimento alla figura 2 ed alla figura 3 è illustrata una variante del modello meccanico in figura 1. I vincoli 15 della struttura composta dalle quattro travi 12, orizzontali, sono in questo caso incastri e quindi si realizza una cerniera sferica traslante 10 con associate cedevolezze elastiche di traslazione e rotazione. Dall'esame delle figure 3A, 3B e 3C si nota che le travi 12 orizzontali torcendosi attorno all'asse 11, flettendosi nel piano verticale ovvero nel piano orizzontale 13 consentono la realizzazione della cerniera sferica elastica 10. Ancora, le travi 12 orizzontali, flettendosi nel piano verticale consentono la realizzazione della traslazione (figura 3). Nella figura 2 e nella figura 3 sono illustrate quattro travi 12 orizzontali; ovviamente le travi 12 che realizzano il giunto elastico 10 possono essere in numero maggiore o uguale a tre. Infatti, con una sola trave 12 orizzontale si troveranno funzionamenti non corretti con riferimento alla traslazione verticale; con due travi 12 esiste una eccessiva cedevolezza in direzione ortogonale agli assi delle due travi 12 e giacente nel piano orizzontale 13 che contiene le due travi 12. Sostituendo le due travi con due lamine come quelle illustrate in figura 7 questo problema relativo ad eccessiva cedevolezza laterale è superato, a vantaggio della semplicità costruttiva.

Con riferimento alle figure 4 e 5 e 6, viene mostrato un giunto elastico a cerniera sferica traslante, complessivamente indicato con 10, e due differenti realizzazioni di un sensore di forze e momenti, complessivamente indicato con 100, perfezionato con tale giunto 10.

Il giunto elastico a cerniera sferica traslante 10, ovvero il giunto del tipo a cerniera sferica con carrello, è atto in particolare ad essere utilizzato nel sensore di forze e momenti 100, che nell'esempio comprende una struttura di misura 102 a tre bracci, connessa mediante tre giunti 10 ad un corpo 101 al quale sono applicati forze e momenti da misurare.

Il giunto elastico a cerniera sferica traslante 10, oggetto della presente invenzione, comprende una pluralità di elementi elastici 12 , ovvero almeno tre travi o due lamine, 12 elastiche, disposte in un primo piano orizzontale con una prima estremità affacciata a formare il piano elastico di articolazione 13. Le estremità affacciate degli elementi elastici 12 sono rigidamente collegate ad un elemento assiale 14 ad asta disposto secondo l'asse 11 ortogonale al piano elastico di articolazione 13. Secondo quanto mostrato in figura 4, una pluralità di travi 12 sono uniformemente distribuite nel piano orizzontale 13 equidistanziate tra loro, ovvero comprendendo angoli uguali tra di loro.

Ad estremità opposte, le travi 12 sono collegate ad un supporto rigido 16, vincolabile al corpo 101 mediante un incastro 15 (figura 5).

Le travi 12 sono flessibili in qualunque piano verticale comprendente l'asse ortogonale 11 e nel piano orizzontale 13.

L'articolazione del giunto 10 avviene tra l'elemento assiale 14 ed il supporto 16 e consente quattro gradi di libertà, ovvero rispettivamente la cedevolezza dell'elemento assiale 14 in direzione dell'asse ortogonale 11, la flessione in un qualunque piano verticale comprendente l'asse ortogonale 11, nonché la torsione attorno al medesimo asse 11.

Le travi 12 disposte nel piano orizzontale 13 equidistanziate tra loro, possono al limite consistere in due lamine 12 allineate, aventi una estensione nel piano elastico di articolazione 13 molto maggiore del loro spessore, come mostrato in figura 7 .

Gli elementi elastici 12, mostrati e descritti, possono essere realizzati in diversi materiali, ad esempio i fili 12 in figura 1 possono essere realizzati con cavi di acciaio ovvero con filamenti di kevlar o altro materiale ed annegati in una matrice di resina. Le travi, o lamine, 12 possono essere realizzate in vari materiali, quali ad esempio acciaio, materiale plastico o composito. La scelta del materiale, dello spessore e della larghezza sono determinati per ottimizzare il rapporto tra le rigidezze .

Il giunto elastico a cerniera sferica traslante 10, oggetto della presente invenzione, vincola l'elemento assiale 14 e gli conferisce una elevata rigidezza nei confronti degli spostamenti nel piano 13. L'elemento assiale 14 ha invece un comportamento assialmente cedevole, ovvero in direzione dell'asse 11 e, per effetto degli elementi elastici 12, anche la possibilità di compiere una rotazione sferica.

Una possibile applicazione non esclusiva del giunto elastico a cerniera sferica traslante, oggetto della presente invenzione, è il sensore di forze e momenti 100, mostrato in figure 5, 6 e 9.

Il sensore 100 comprende la struttura di misura 102 a tre bracci (figura 8), connessa al corpo 101 al quale sono applicati forze e momenti da misurare mediante tre giunti elastici a cerniera sferica traslante 10.

In figura 5 la struttura di misura di figura 8 è montata come mozzo dinamometrico centrata su un mozzo 103 di una ruota 101 ed i bracci, o un prolungamento degli stessi, costituiscono l'elemento assiale 14 del giunto 10.

Il supporto 16 del giunto 10 è, invece, collegato rigidamente al corpo 101, nell'esempio al cerchione della ruota, mediante vincolo del tipo ad incastro 15.

Le figure 6A e 6B mostrano un ulteriore sensore 100 di forze e momenti perfezionato con un giunto elastico a cerniera sferica traslante oggetto della presente invenzione, per l'impiego come sensore statico di forze e momenti. Il sensore 100 di figure 6A e 6B permette, infatti, di misurare le forze che si scambiano un primo elemento di supporto 101 cui sono vincolati i giunti 10 ed un secondo elemento assiale 103, solidale alla struttura di misura 102. La struttura di misura 102 è staticamente determinata ed è dotata di mezzi per la misura 104 di sei grandezze di sollecitazione da cui sono ricavabili matematicamente i vettori di forza e momento agenti sul corpo 101.

Secondo una prima realizzazione del sensore 100, le sei grandezze sono rilevate sui bracci della struttura di misura 102. Infatti, ogni braccio è sollecitato lungo la propria lunghezza da due momenti flettenti ortogonali. Le due sollecitazioni di flessione, che sono esercitate dai citati due momenti flettenti ortogonali, possono essere misurate da due coppie di estensimetri applicati su facce opposte dei bracci stessi, come mostrato schematicamente in figura 8, in cui con la, lb, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a e 6b sono indicate sei coppie di estensimetri, che costituiscono un esempio di possibili mezzi di misura.

In una terza realizzazione del sensore 100, mostrata in figura 9, il giunto elastico a cerniera sferica traslante 10 comprende due lamine 12 allineate e dotate di estensione nel piano elastico di articolazione 13, secondo quanto mostrato in figura 7.

Le sei grandezze di sollecitazione sono misurabili direttamente sulle tre coppie di lamine 12, sfruttate anche come elemento sensibile. In figura 10 è mostrato schematicamente il posizionamento di due coppie di estensimetri l'a, l'b, 2'a, 2'b sulle due lamine allineate 12, rispettivamente per la misura della reazione vincolare agente in direzione laterale e per la misura della reazione vincolare agente in direzione longitudinale sulle lamine 12.

Altri mezzi di misura 104 impiegabili per la misura delle flessione sono ad esempio sensori di spostamento che rilevano i movimenti delle lamine 12, direttamente applicati alle lamine 12.

Dalle sei misure si ricava in modo univoco un vettore forza F scomposto in tre vettori diretti lungo tre assi coordinati e un vettore momento T scomposto in tre vettori diretti lungo tre assi coordinati, vale a dire le sei forze generalizzate agenti sul corpo.

Altri mezzi di misura 104 impiegabili sono elementi piezoelettrici o di altra natura, non mostrati, posizionabili fra l'estremità di ciascuno dei tre bracci della struttura di misura 102 e ciascuno dei relativi giunti a cerniera sferica traslante 10. Tali mezzi di misura sono in grado di misurare due forze ortogonali rispetto all'asse 11 ed ortogonali fra loro e ricavare matematicamente i vettori di forza F e momento T agenti sul corpo 101.

Inoltre, l'impiego del silicio, o di altra tecnologia simile, permette la realizzazione di un giunto elastico a cerniera sferica traslante 10 e di un relativo sensore 100 in nanoscala, ovvero con dimensioni minime. In questo caso tramite mezzi di misura di spostamento 104 posizionati all'estremità di ciascuno dei tre bracci della struttura di misura 102 è possibile ricavare matematicamente i vettori di forza F e momento T agenti sul corpo 101.

Infine, con riferimento alla figura 11 è mostrata una ultima realizzazione di un sensore di forze e momenti 100 realizzato come mozzo dinamometrico, in cui ogni cerniera sferica traslante 10 è realizzata di pezzo con la struttura dì misura 102 e con il canale del cerchio 101 stesso di un veicolo stradale o fuori strada a formare una unica struttura. Tale cerchio risulta estremamente economico in quanto consente, sostanzialmente a pari costo di un normale cerchio, di fornire zone di deformazione localizzata che consentono il rilievo delle forze e dei momenti agenti.

Il giunto elastico a cerniera sferica traslante oggetto della presente invenzione ha il vantaggio di eliminare il problema dell'attrito.

Il giunto elastico a cerniera sferica traslante consente, inoltre, di migliorare il sensore di forze e momenti, consentendo ottime prestazioni da parte del sensore, più accurato e sensibile, oltre ad una relativa economicità di costruzione.

Il sensore perfezionato con il giunto elastico a cerniera traslante si presta anche alla realizzazione di un mozzo dinamometrico molto preciso e di bassissimo costo con possibilità di impiego generalizzato sui veicoli

Il giunto elastico a cerniera sferica traslante ed il sensore di forze e momenti perfezionato con tale giunto così concepiti sono suscettibili di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'invenzione; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche .

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Giunto elastico a cerniera sferica traslante, ovvero del tipo a cerniera sferica con carrello, caratterizzato dal fatto di comprendere un piano elastico di articolazione (13), un supporto (16) a cui è rigidamente vincolato detto piano elastico di articolazione (13) ed un elemento assiale (14) disposto secondo un asse (11) ortogonale al piano (13), in cui detto piano elastico di articolazione (13) comprende una pluralità di elementi elastici (12) disposti con una prima estremità tra loro affacciata e rigidamente collegata a detto elemento assiale (14), in cui detta pluralità di elementi elastici (12) sono flessibili in qualunque piano verticale comprendente detto asse (11) ed in detto piano orizzontale (13) per consentire quattro gradi di libertà ovvero rispettivamente la cedevolezza di detto elemento assiale (14) in direzione dell'asse ortogonale (11) e la flessione in un qualunque piano verticale comprendente detto asse (11), nonché la torsione attorno all'asse (11).
2. 2. Giunto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti elementi elastici (12) sono distribuiti nel piano (13) equidistanziati tra loro, ovvero comprendono angoli uguali tra di essi.
3. 3. Giunto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno due lamine elastiche (12).
4. 4. Giunto secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di comprendere due lamine (12) disposte allineate in detto piano orizzontale (13), dette due lamine (12) avendo una estensione nel piano elastico di articolazione (13) molto maggiore del loro spessore, dette due lamine (12) essendo attrezzabili con mezzi di misura (104) rispettivamente per la misura della reazione vincolare agente in direzione laterale e agente in direzione longitudinale su dette due lamine (12).
5. 5. Giunto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno tre travi, o fili (12).
6. 6. Giunto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti elementi elastici (12) sono disposti a spirale attorno a detto asse (11)■
7. 7. Sensore di forze e momenti perfezionato (100), atto a misurare forze e momenti agenti su un corpo (101), comprendente una struttura di misura (102) a tre bracci aventi estremità collegate a detto corpo (101) ognuna mediante un giunto a cerniera sferica traslante (10) realizzata secondo la rivendicazione 1.
8. 8. Sensore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di misura (104) di sei grandezze di sollecitazione applicati direttamente su detti giunti a cerniera sferica traslante (10), in cui tramite detti mezzi di misura (104) è possibile ricavare matematicamente i vettori di forza (F) e momento (T) agenti sul corpo (101).
9. 9. Sensore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di misura (104) di sei grandezze di sollecitazione applicati sui tre bracci di detta struttura dì misura (102), in cui tramite detti mezzi di misura (104) è possibile ricavare matematicamente i vettori di forza (F) e momento (T) agenti sul corpo (101).
10. 10. Sensore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di misura (104) posizionati fra una estremità di ciascuno dei tre bracci di detta struttura di misura (102) e ciascuno dei relativi giunti a cerniera sferica traslante (10), detti mezzi di misura (104) essendo elementi piezoelettrici in grado di misurare due forze ortogonali rispetto all'asse (11) ed ortogonali fra loro, in cui tramite detti mezzi di misura (104) è possibile ricavare matematicamente i vettori di forza (F) e momento (T) agenti sul corpo (101).
11. 11. Sensore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di essere realizzato in nanoscala con tecnologia basata sull'impiego di silicio, o altra tecnologia.
12. 12. Sensore secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di misura (104) di spostamento posizionati ad una estremità di ciascuno dei tre bracci di detta struttura di misura (102), in cui tramite detti mezzi di misura (104) è possibile ricavare matematicamente i vettori di forza (F) e momento (T) agenti sul corpo (101).
13. 13. Sensore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta struttura di misura (102) è montata centrata su un mozzo (103) di una ruota, o corpo (101) ed in cui i bracci di detta struttura di misura (102) costituiscono detto elemento assiale (14) del giunto (10), detto supporto (16) del giunto (10) essendo collegato ad un cerchione della ruota (101).
14. 14. Sensore secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto detti tre giunti a cerniera sferica traslante (10) sono integrati con detta struttura di misura (102), in detto corpo, o cerchio (101) e con detto mozzo (103) a formare un cerchio, o mozzo dinamometrico, realizzato in un unico pezzo.