Figura 4.24: Meccanismo del concept Spindle Screw, rappresentato nella configurazione di porta chiusa
Il terzo concept sfrutta invece un meccanismo vite-madrevite (Fig. 4.24). Il Door Check è vincolato alle madrevite tramite uno snodo sferico per limitare il momento trasmesso alla vite (momento comunque non eliminabile del tutto per via dell’inevitabile braccio che la forza del Door Check ha rispetto alla vite). Il meccanismo vite-madrevite permette di convertire il moto rotatorio della vite generato dal motore nel moto rettilineo della madrevite. Anche in questo caso il Door Check sfrutta una guida rettilinea, e per mezzo dello snodo sferico riesce a compensare la variazione di orientazione che si verifica nelle fasi di movimentazione. La posizione della vite è la stessa che occupava nel concept precedente la guida, in modo da riuscire a mantenere l’apertura che attualmente è presente sulla porta senza doverla modificare; in questo modo si ha anche la stessa corsa, pari a 120 mm.
4.3.1
Dimensionamento
La vite utilizzata è una vite a 4 princìpi, di diametro 8 mm e passo 12.7 mm (angolo d’elica 32.5°). La madrevite è lunga 19 mm, in questo modo il carico si ripartisce su numerosi filetti, che risultano così ampiamente verificati a taglio. Durante il funzionamento la vite sarà ricoperta di grasso, quindi ipotizzando un coefficiente di attrito di 0.12 sono possibili rendimenti superiori al 75%. Una criticità riguarda però la variazione di rendimento causata dall’incurvamento della vite dovuto ai carichi flettenti: la condizione più critica di progetto con madrevite circa al centro della vite prevede una momento trasferito sulla vite di 15 Nm. Se sperimentalmente risultasse che il rendimento è fortemente influenzato dalla flessione della vite, non ci sarebbero problemi di ingombri per irrobustirla.
Questo concept può essere dimensionato in modo da occupare un volume molto compatto per via dei grandi rapporti di riduzione realizzabili con il meccanismo vite-madrevite e con quello ruota a denti elicoidali-vite, dove la vite è quella dell’albero in uscita dal motore. Anche questo è un meccanismo caratterizzato da rendimenti piuttosto bassi; per aumentarli è necessario avere la vite almeno a due princìpi. Considerando anche qua un coefficiente di attrito f =0.12 e un angolo di pressione normale φn =20° per non avere un meccanismo
irreversibile si deve avere un angolo di elica λ tale che:
f < f =cos φntan λ ⇒ λ>7.3°
Quindi al variare di λ si ottengono i rendimenti:
η = cos φn− f tan λ cos φn+tan λf λ =10° →η =0.57 λ =15° →η =0.65 λ =20° →η =0.7
Quindi per avere rendimenti accettabile occorre avere un angolo d’elica di almeno 20°. Scegliendo come negli altri casi il motore HF658ULG-103 della Johnson Electric (τstall = 375 Nm e ω0 = 6500 rpm) ci si rende conto che oltre alla riduzione della vite-
madrevite è necessario avere soltanto un altro 1:15 dal meccanismo worm-helical gear, e optando per una vite a due princìpi, la ruota a denti elicoidali avrà 30 denti. Si rendono necessarie soltanto altre due ruote, di rapporto di trasmissione anche 1:1, perché non c’è abbastanza spazio per avere pure la ruota elicoidale montata sulla vite. Quindi è necessario inserire un albero a lei parallelo su cui calettare una delle ruote.
Per quanto riguarda il dimensionamento del freno, in questo caso ci sono solo due possibilità: freno tra motore e ruota elicoidale oppure freno tra ruota elicoidale e ruote a denti dritti. In Tabella 4.6 è riportato il confronto.
Partial retrog. rate 1 Partial retrog. efficiency 0.75 Brake static torque (Nmm) 1020
(a) M - H - B - S
Partial retrog. rate 15 Partial retrog. efficiency 0.5 Brake static torque (Nmm) 45
(b) M - B - H - S
Tabella 4.6: Coppia di scorrimento minima richiesta per il freno nelle due disposizioni
BBrake, H Helical gear, M Motor, S Spur gears
Anche in questo caso la scelta è univoca perché la soluzione (b) non è realizzabile, dato che non esistono freni elettromagnetici di quella taglia. La scelta ricade quindi sulla soluzione (a), che differisce dai casi precedenti perché necessita di un freno più piccolo (Vnom =24 V, τmax =2 Nm), altro effetto benefico della grande riduzione disponibile con
il meccanismo worm gear-helical gear. Sono allegate le specifiche da catalogo del freno AMB20, sempre del produttore Ogura (Fig. 4.25).
Il sistema completamente assemblato è visibile in Figura 4.26, e i consueti vincoli d’ingombro rispettati in Figura 4.27.
(a) Vista dall’alto (b) Vista laterale
Figura 4.27: Dettagli dei limiti di spazio massimi per il sistema evidenziati con strisce bianco-rosse: (a) interno della lamiera, (b) finestrino e guida
4.3.2
Punti di forza e criticità
Questo concept presenta degli evidenti vantaggi: è molto compatto, è composto da pochi componenti ed è anche molto leggero, dato che gli unici componenti dal peso elevato sono il motore e il freno, quest’ultimo comunque di peso inferiore rispetto a quello dei freni degli altri due modelli. Si tratta dell’unico sistema tra i tre che potenzialmente può rispettare (o almeno avvicinarvisi molto) la specifica di peso inferiore ai 600 g richiesta da un cliente. Per contro, un’incognita significativa è rappresentata dal rendimento complessivo, soprattutto dopo un certo tempo dalla messa in funzione. Infatti, dato che il meccanismo deve essere necessariamente reversibile per soddisfare i requisiti di sicurezza, si deve avere un certo margine nei confronti della irreversibilità per un possibile aumento degli attriti, e un conseguente calo di rendimento, dopo numerosi cicli di carico; questo margine può essere quantificato in un rendimento complessivo di almeno 0.6 per il moto diretto, per raggiungere il quale forse potrebbe essere sufficiente predisporre un ricircolo di sfere per la vite (η >0.9). Un’altra incognita è costituita da problemi di trasmissione e di rendimento dovuti al momento trasmesso dal Door Check alla vite, criticità che può essere attenuata scegliendo una vite più rigida, ovvero di diametro opportuno. Anche in questo caso brevetti su sistemi simili sono già pubblicati, pertanto è necessario capire quali aspetti di questi sistemi sono effettivamente protetti.