ITUA20164765A1 - Boccola idraulica - Google Patents

Description

“Boccola idraulica”

La presente invenzione ha per oggetto una boccola di smorzamento di un carico trasmettibile tra due masse esterne. Tale tipologia di boccola nel settore tecnico è anche nota come boccola idraulica. Tale tipologia di boccola consente di avere un irrigidimento dinamico ed un drastico aumento dello smorzamento in un predefinito intervallo di frequenze.

Nei veicoli stradali una misura della confortevolezza è l’NVH, acronimo delle parole inglesi Noise, Vibration, Harshness. Un sistema di sospensione ottimale deve permettere un ottimo isolamento acustico all’interno dell’abitacolo, una drastica riduzione delle vibrazioni percepite dal guidatore nonché di ottimizzare la prontezza del veicolo nel rispondere ai comandi del guidatore. A questo proposito sono noti supporti idraulici utilizzati in veicoli di alta gamma ed altamente prestazionali.

I supporti idraulici sono realizzati sotto forma di coni (applicazione verticale del carico) o sotto forma di boccole (applicazione radiale del carico).

In particolare le boccole comprendono un manicotto interno, un manicotto esterno e un corpo elastomerico interposto tra i due. Il corpo elastomerico definisce due camere collegate fluidodinamicamente mediante un condotto di sezione ristretta.

Durante l’uso le sollecitazioni a cui è soggetta la boccola determineranno alternativamente:

-una compressione della prima camera accompagnata da una dilatazione della seconda camera;

-una compressione della seconda camera accompagnata da una dilatazione della prima camera.

Ciò determina lo spostamento di un fluido incomprimibile tra la prima e la seconda camera attraverso detto condotto.

Il manicotto interno e il manicotto esterno sono rispettivamente collegati ad un primo e ad un secondo supporto (due masse esterne) e la boccola permette di smorzare determinate oscillazioni tra i due supporti, in particolare permette di ottenere un irrigidimento dinamico ed un drastico aumento dello smorzamento ad una frequenza specifica. Nel caso di applicazione ad un veicolo si ottiene un comportamento rigido e performante in caso di rapide sterzate e frenate brusche, riuscendo però a tagliare le frequenze generate dal motore.

Le soluzioni sopraindicate pur offrendo buoni risultati non sono esenti da inconvenienti. Un aspetto critico di questi componenti è la resistenza a fatica e quindi la durata.

Un’ulteriore criticità è legata alla tenuta del fluido incomprimibile all’interno della boccola dal momento che le importanti pressioni che si generano alternativamente nella prima e nella seconda camera sollecitano molto le tenute.

Un ulteriore aspetto è legato al fatto che le generose dimensioni dei supporti idraulici hanno sempre limitato il loro utilizzo a sistemi di sospensione del motore escludendone l’applicazione ai sistemi di sospensione dei telai.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione è proporre una boccola che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

In particolare, è scopo della presente invenzione mettere a disposizione una boccola in grado di avere un basso valore di rigidezza statica ed un alto valore di rigidezza dinamica a partire da una frequenza specifica.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da una boccola, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di una boccola, come illustrata negli uniti disegni in cui:

-figure 1 e 2 mostrano due viste prospettiche di una medesima boccola secondo la presente invenzione;

-figure 3 e 4 mostrano due viste in sezione reciprocamente ortogonali di una boccola secondo la presente invenzione;

-figura 5 mostra una vista prospettica di un componente di una boccola secondo la presente invenzione;

-figura 6 mostra una vista prospettica di alcuni componenti di una boccola secondo la presente invenzione in una soluzione costruttiva alternativa rispetto a quelle delle figure 1-5.

Nelle unite figure con il numero di riferimento 1 si è indicata una boccola di smorzamento di un carico trasmettibile tra due masse esterne alla boccola. Tale carico è prevalentemente o totalmente radiale.

Tale boccola 1 può essere utilizzata per supportare un telaio o un motore o altre parti sospese ad esempio in un veicolo stradale, ma potrebbe essere impiegata con successo anche in altri macchinari.

La boccola 1 comprende un elemento 2 vincolabile ad una di dette due masse. Tipicamente tale elemento 2 è un corpo cavo, preferibilmente allungato, ad esempio è un cilindro cavo con un foro passante. Tipicamente presenta una direzione longitudinale di sviluppo preponderante.

La boccola 1 comprende un manicotto 3 che circonda detto elemento 2 ed è vincolabile ad un’altra di dette due masse. L’elemento 2 e il manicotto 3 si sviluppano preponderantemente lungo due assi longitudinali reciprocamente paralleli. Il manicotto 3 e/o l’elemento 2 sono vantaggiosamente in materiale metallico.

La boccola 1 comprende inoltre un corpo 4 elastomerico interposto radialmente tra detto elemento 2 e detto manicotto 3. Il corpo 4 elastomerico è a contatto sia con l’elemento 2 sia con il manicotto 3. Opportunamente il corpo 4 elastomerico è anulare. Vantaggiosamente l’elemento 2 presenta un asse di simmetria cilindrica e il corpo 4 elastomerico circonda tale asse. Il corpo 4 elastomerico è preferibilmente in gomma, tipicamente gomma vulcanizzata.

Il corpo 4 elastomerico definisce o contribuisce a definire una prima camera 40. Ad esempio nella soluzione illustrata nelle unite figure il corpo 4 elastomerico contribuisce a definire, insieme al manicotto 3, la prima camera 40.

La boccola 1 comprende inoltre una camera 5 di espansione e mezzi 6 di collegamento fluidodinamico della prima camera 40 e della camera 5 di espansione.

E’ inoltre presente un fluido incomprimibile che si sposta tra la prima camera 40 e la camera 5 di espansione mediante i mezzi 6 di collegamento fluidodinamico. Il fluido incomprimibile potrebbe ad esempio essere costituito da una soluzione di acqua e glicole (per tale ragione boccole di questo tipo sono anche note nel settore come boccole idrauliche; in ogni caso la presenza di acqua nel fluido incomprimibile non è necessitata). Lo spostamento radiale del manicotto 3 rispetto a detto elemento 2 alternativamente pompa il fluido dalla prima camera 40 verso la camera 5 di espansione e richiama per depressione il fluido dalla camera 5 di espansione verso la prima camera 40. Come sarà più chiaro in seguito la camera 5 di espansione accoglie il fluido incomprimibile, ma non esplica una forza di pompaggio o di aspirazione o comunque tale azione è decisamente inferiore rispetto a quella della prima camera 40. Il fluido agisce come elemento di risonanza e permette un incremento della rigidezza in corrispondenza di un predeterminato intervallo di frequenza delle oscillazioni da smorzare.

I mezzi 6 di collegamento fluidodinamico comprendono un condotto 60. Tale condotto 60 definisce un condotto ristretto. In altre parole passando dalla prima camera 40 al condotto 60 si verifica una riduzione di una sezione di passaggio del fluido; analogamente sfociando dal condotto 60 nella camera 5 di espansione si verifica un allargamento della sezione di passaggio disponibile al fluido.

I mezzi 6 di collegamento (in particolare il condotto 60) sono anche noti nel settore tecnico come “Inertia Track”. Il condotto 60 preferibilmente si sviluppa secondo un percorso curvo. Eventualmente il condotto 60 comprende almeno un tratto spiraleggiante. Opportunamente le varie spire sono complanari. In una soluzione alternativa il condotto 60 comprende un percorso labirintico in cui più archi (tra loro in comunicazione) si susseguono uno all’interno dell’altro (vedasi ad esempio figura 5). Vantaggiosamente tali archi sono concentrici e/o complanari. Gli accorgimenti sopraindicati consentono di allungare il percorso mantenendo comunque limitato l’ingombro.

Per un funzionamento ottimale (cioè per localizzare l’incremento di risonanza in corrispondenza di una predeterminata frequenza specifica) il rapporto tra la sezione e la lunghezza del condotto 60 deve rientrare in un intervallo predeterminato. Più è grande la sezione più deve essere lungo il condotto 60. Contemporaneamente più grande è la sezione più è stabile la boccola 1. Con stabilità si intende che al variare delle deflessioni dinamiche il comportamento della boccola (in particolare il centraggio del picco che indica l’incremento di risonanza) è sempre lo stesso. Con sezioni piccole invece più piccolo è lo spostamento dinamico più il picco va in bassa frequenza. L’aumento della sezione e della lunghezza del condotto permettono inoltre di aumentare il volume e quindi la massa del fluido risonante all’interno dello stesso permettendo di aumentare la capacità smorzante del supporto nonché l’irrigidimento dinamico alla frequenza prestabilita.

In una particolare soluzione costruttiva non illustrata il condotto 60 può comprendere un primo e un secondo percorso alternativi che mettono in comunicazione la prima camera 40 e la camera 5 di espansione. La boccola 1 comprende mezzi di disaccoppiamento (nel settore tecnico noti come decoupler) posti lungo il secondo percorso. I mezzi di disaccoppiamento comprendono un pistone. Tale pistone al di sopra di un certo spostamento subito dalla boccola 1 si posiziona in contatto con una superficie del secondo percorso ostruendo il passaggio lungo il secondo percorso. Per spostamenti minori permette invece il passaggio del fluido. Quando il secondo percorso è chiuso la boccola funziona normalmente. Quando il pistone permette il passaggio del fluido attraverso il secondo percorso si annulla l’idraulica. I mezzi di disaccoppiamento permettono quindi di escludere il comportamento idraulico della boccola 1 per piccoli spostamenti e di ridurre l’irrigidimento dinamico ad alta frequenza.

La boccola 1 comprende una membrana 50 flessibile di espansione che delimita almeno parzialmente la camera 5 di espansione. Tale camera 5 è esterna a detto corpo 4 elastomerico e non è neppure in parte delimitata da detto corpo 4 elastomerico.

La membrana 50 si espande e si contrae trasversalmente ad una direzione radiale tra detto elemento 2 e detto manicotto 3. Infatti la membrana 50 si deforma lungo una direzione parallela a quella longitudinale di sviluppo dell’elemento 2 e del manicotto 3.

La membrana 50 elastomerica ha il solo scopo di assecondare una variazione di volume positiva o negativa dovuta allo spostamento del fluido. Il punto di applicazione del carico non interviene sulla membrana 50 comprimendola. Per tale ragione in precedenza si è precisato che la membrana 50 non ha una azione pompante o comunque ha una azione pompante del tutto trascurabile.

La camera 5 di espansione si sviluppa anularmente.

Come esemplificato in figura 4, la camera 5 di espansione circonda un vano 7. La boccola 1 comprende un fondo 70 di tale vano 7 che è interposto tra il vano 7 stesso e il corpo 4 elastomerico. Il fondo 70 separa quindi il vano 7 e il corpo 4 elastomerico.

Vantaggiosamente la membrana 50 flessibile separa la camera 5 di espansione da una zona esterna alla boccola 1 in cui è presente aria a pressione atmosferica.

L’elemento 2 è eccentrico rispetto al manicotto 3 in assenza di forze esterne agenti sulla boccola 1. L’eccentricità dell’elemento 2 rispetto al manicotto 3 esterno può essere compresa ad esempio tra il 5% e il 15% di un diametro esterno del manicotto 3. Quindi almeno quando la boccola 1 non è collegata a masse esterne l’elemento 2 è eccentrico rispetto al manicotto 3. Il fatto che il corpo 4 elastomerico non contribuisca a definire la prima camera 5 consente di posizionare l’elemento 2 eccentricamente. Infatti con riferimento alla figura 3 l’elemento 2 avrà spazio per spostarsi verso l’alto e potrà farlo senza comprimere la prima camera 5. Inoltre ciò consente di ottenere una boccola morbida in condizioni statiche. Una volta associata alle masse da smorzare l’elemento 2 e il manicotto 3 diventano coassiali.

Un asse longitudinale dell’elemento 2 e un asse longitudinale del manicotto 3 non sono coassiali. Essi rimangono comunque sostanzialmente paralleli.

Opportunamente internamente al manicotto 3 è presente una intercapedine 43 in cui è assente detto fluido (tipicamente è occupata da aria). Tale intercapedine 43 è almeno in parte definita dal corpo 4 elastomerico. Preferibilmente l’intercapedine 43 è circondata dal corpo 4 elastomerico.

Il corpo 4 elastomerico comprende una prima porzione 41 e una sporgenza 42 che si protende a sbalzo verso la prima porzione 41. La prima porzione 41 si sviluppa perimetralmente addossata al manicotto 3. L’intercapedine 43 indicata in precedenza si sviluppa tra la prima porzione 41 e la sporgenza 42. Preferibilmente l’intercapedine 43 circonda su tre lati detta sporgenza 42.

La prima camera 40 è diametralmente opposta alla prima porzione 41 rispetto a detto manicotto 3. La prima camera 40 è esterna alla sporgenza 42. All’interno della sporgenza 42 si trova almeno in parte l’elemento 3. In particolare la sporgenza 42 avvolge completamente un tratto assiale dell’elemento 3.

Come esemplificato in figura 4 la camera 5 di espansione si sviluppa radialmente tra un bordo 81 anulare interno e un bordo 82 anulare esterno. La boccola 1 comprende un lembo 80 metallico che si sviluppa radialmente e collega il bordo 81 anulare interno e il bordo 82 anulare esterno. Il lembo 80 comprende un foro 83 di introduzione del fluido incomprimibile nella camera 5 di espansione. Un otturatore (preferibilmente inamovibile) ostruisce il foro 83. Al fine di introdurre il fluido incomprimibile prima viene generata una depressione all’interno della camera 5 di espansione e della prima camera 40. A questo punto viene introdotto il fluido incomprimibile e poi occluso il tutto (ad esempio forzando l’otturatore all’interno del foro 83). Tale otturatore è preferibilmente un tappo metallico inserito per interferenza nel foro 83. Vantaggiosamente la boccola 1 comprende una membrana 51 flessibile addizionale che delimita la camera 5 di espansione. Come si nota in figura 1 la membrana 50 e la membrana 51 addizionale delimitano una medesima faccia della camera 5 di espansione. La membrana 50 e la membrana 51 addizionale nella soluzione esemplificativa illustrata si sviluppano come due archi. Esse sono separate dal lembo 80 descritto in precedenza ed opportunamente anche da un lembo 800 addizionale. La membrana 50 e/o la membrana 51 addizionale sono libere di muoversi in funzione della pressione presente nella camera 5 di espansione.

La boccola 1 comprende una struttura 9 anulare che alloggia almeno in parte il condotto 60. Tale struttura 9 anulare è almeno in parte (preferibilmente del tutto) circondata dal manicotto 3.

La struttura 9 anulare comprende almeno un primo e un secondo tratto 91, 92. Il primo tratto 91 è assialmente interposto tra la camera 5 di espansione e il corpo 4 elastomerico. La direzione assiale è da valutarsi rispetto alla direzione dell’asse longitudinale del manicotto 3 e dell’elemento 2. Il primo tratto 91 comprende una apertura 910 che permette la comunicazione fluida del condotto 60 con la camera 5 di espansione. Il secondo tratto 92 circonda anularmente il corpo 4 elastomerico. Il secondo tratto 92 comprende una apertura 920 che permette la comunicazione fluida del condotto 60 con la prima camera 40. Il passaggio del fluido dalla prima camera 40 al condotto 60 avviene radialmente. Il secondo tratto 92 è preferibilmente interposto tra la camera 5 di espansione e un gradino 93 ricavato in detto manicotto 3.

In una particolare soluzione costruttiva il fluido incomprimibile idoneo a spostarsi tra la prima e la seconda camera 40, 5 mediante il condotto 60 è un fluido magnetoreologico (a questo proposito nel seguito si faccia riferimento alla figura 6). Un fluido magnetoreologico è un materiale che manifesta una variazione del comportamento reologico a seguito dell’applicazione di un campo magnetico. L’applicazione di un campo magnetico e l’intensità dello stesso è dunque in grado di modificare, sostanzialmente in modo reversibile, la viscosità di un simile fluido (non viene invece modificata la densità).

Opportunamente i fluidi magnetoreologici comprendono particelle ferromagnetiche sospese in un veicolo fluido, molto spesso un solvente organico oppure acqua. Le nano-particelle ferromagnetiche sono rivestite di un tensioattivo per prevenire la loro agglomerazione. Un esempio non vincolante di fluido magnetoreologico è MR Fluid MRF-132DG Lord Corporation.

La boccola 1 può comprendere inoltre mezzi 12 di generazione di un campo magnetico di eccitazione del fluido magnetoreologico.

I mezzi 12 di generazione di un campo magnetico di eccitazione del fluido magnetoreologico comprendono:

- una prima bobina 121 (che vantaggiosamente è esterna a detto condotto 60) comprendente a sua volta una pluralità di spire;

- un primo inserto 123 ferromagnetico posizionato almeno parzialmente all’interno delle spire.

Il primo inserto 123 è a contatto con il fluido, in particolare esso lambisce il fluido lungo detto condotto 60. Vantaggiosamente il primo inserto 123 si trova in parte all’interno del condotto 60 e in parte all’esterno del condotto 60.

Preferibilmente i mezzi 12 di generazione di un campo magnetico di eccitazione del fluido magnetoreologico comprendono una seconda bobina 122 comprendente a sua volta una pluralità di spire e un secondo inserto 124 ferromagnetico posizionato almeno parzialmente all’interno delle spire e che lambisce il fluido lungo detto condotto 60. Vantaggiosamente lungo il condotto 60 sono presenti una pluralità di elementi generanti un campo magnetico in grado di modificare la viscosità del fluido magnetoreologico.

Vantaggiosamente il condotto 60 almeno in corrispondenza del primo e del secondo inserto 123, 124 sono in materiale diamagnetico o paramagnetico (ad esempio plastica o lega di alluminio).

Gli accorgimenti sopraindicati consentono di concentrare il campo magnetico rendendo l’azione più efficace sul fluido.

Agire sulla viscosità del fluido ha il vantaggio di incrementare il valore in modulo della rigidezza dinamica della boccola 1 senza modificarne la forma e senza variare la frequenza di risonanza caratteristica del supporto. Inoltre in questo modo si evita l’utilizzo di organi elettromeccanici con il vantaggio di incrementare la robustezza del prodotto finale. Le caratteristiche dinamiche della boccola 1 possono quindi essere variate all’occorrenza, mediante un controllo attivo. Il comportamento della boccola 1 potrà quindi essere adattato di volta in volta alle specifiche esigenze. Ad esempio si potrebbe prevedere una centralina di controllo che agisce sui mezzi 12 di generazione di un campo magnetico di eccitazione del fluido magnetoreologico. Nel caso di una applicazione su un veicolo stradale, tale centralina potrebbe essere la centralina elettronica del veicolo.

L’invenzione così concepita permette di conseguire molteplici vantaggi. Realizzando la prima camera 40 non in contatto con il corpo 4 elastomerico si riesce ad ottenere un sistema molto morbido allungando la vita del prodotto a fatica (se il sistema fosse molto morbido e nel corpo 4 venissero alloggiate due camere collegate dall’Inertia Track una delle due lavorerebbe in trazione e cioè è mal sopportato dai materiali elastomerici compromettendone la durata).

La boccola secondo la presente invenzione permette quindi di ottenere dei rapporti di irrigidimento dinamico nettamente superiori a quelli ottenibili con una boccola idraulica standard a parità di ciclo vita.

Inoltre una soluzione di tale genere (posizionando la prima camera 40 non a contatto con il corpo 4 elastomerico) permette di avere maggior spazio a disposizione all’interno del manicotto 3 per alloggiare il decoupler, migliorando il comportamento dinamico della boccola idraulica ad alta frequenza. La soluzione proposta consente inoltre di contenere notevolmente le dimensioni dell’intero supporto rendendo il prodotto adatto anche per l’applicazione di sistemi di sospensione del telaio.

Ulteriore vantaggio è legato al fatto che è più facile contenere il fluido dal momento che il salto di pressione tra la prima camera 40 e la camera 5 di espansione è più basso rispetto ad una situazione in cui entrambe le camere sono ricavate nel corpo 4 elastomerico (in tal caso una camera spingerebbe e l’altra aspirerebbe generando un salto di pressione maggiore che renderebbe più difficoltoso evitare indesiderate fuoriuscite del fluido incomprimibile).

L’invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo che la caratterizza. Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. In pratica, tutti i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Boccola di smorzamento di un carico trasmettibile tra due masse esterne alla boccola, detta boccola (1) comprendendo: -un elemento (2) vincolabile ad una di dette due masse; -un manicotto (3) che circonda detto elemento (2) ed è vincolabile ad un’altra di dette due masse; -un corpo (4) elastomerico interposto radialmente tra detto elemento (2) e detto manicotto (3), detto corpo (4) elastomerico definendo o contribuendo a definire una prima camera (40); -una camera (5) di espansione e mezzi (6) di collegamento fluidodinamico della prima camera (40) e della camera (5) di espansione; -un fluido incomprimibile che si sposta tra la prima camera (40) e la camera (5) di espansione mediante i mezzi (6) di collegamento fluidodinamico; lo spostamento radiale del manicotto (3) rispetto a detto elemento (2) alternativamente pompando il fluido dalla prima camera (40) verso la camera (5) di espansione e richiamando per depressione il fluido dalla camera (5) di espansione verso la prima camera (40); caratterizzata dal fatto che la camera (5) di espansione è almeno parzialmente delimitata da una membrana (50) flessibile di espansione, è esterna a detto corpo (4) elastomerico e non è, neppure in parte, delimitata da detto corpo (4) elastomerico.
2. 2. Boccola secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la membrana (50) si espande e si contrae trasversalmente ad una direzione radiale di trasmissione del carico tra detto elemento (2) e detto manicotto (3).
3. 3. Boccola secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la camera (5) di espansione si sviluppa anularmente.
4. 4. Boccola secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la camera (5) di espansione circonda un vano (7); un fondo (70) di tale vano (7) separando il vano (7) stesso da detto corpo (4) elastomerico.
5. 5. Boccola secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la membrana (50) flessibile separa la camera (5) di espansione da una zona esterna alla boccola (1) in cui è presente aria a pressione atmosferica.
6. 6. Boccola secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’elemento (2) è eccentrico rispetto al manicotto (3) in assenza di forze esterne agenti sulla boccola (1).
7. 7. Boccola secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che internamente al manicotto (3) è presente una intercapedine (43) in cui è assente detto fluido, detta intercapedine (43) essendo almeno in parte definita dal corpo (4) elastomerico.
8. 8. Boccola secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il corpo (4) elastomerico comprende: -una prima porzione (41) che si sviluppa perimetralmente addossata al manicotto (3); -una sporgenza (42) che si protende a sbalzo verso detta prima porzione (41); l’intercapedine (43) sviluppandosi tra la prima porzione (41) e la sporgenza (42).
9. 9. Boccola secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la camera (5) di espansione si sviluppa radialmente tra un bordo (81) anulare interno e un bordo (82) anulare esterno; detta boccola (1) comprendendo un lembo (80) metallico che si sviluppa radialmente e collega il bordo (81) anulare interno e il bordo (82) anulare esterno; tale lembo (80) comprendendo un foro (83) di introduzione del fluido incomprimibile nella camera (5) di espansione; un otturatore inamovibile ostruendo il lembo (80).
10. 10. Boccola secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la boccola (4) elastomerica è anulare.