BR102017001486B1

BR102017001486B1 - Dispositivo de combinação de propulsor de arranque e gerador de potência para um veículo de trabalho tendo um propulsor, e, conjunto de sistemas de tração para um veículo de trabalho

Info

Publication number: BR102017001486B1
Application number: BR102017001486-0A
Authority: BR
Inventors: Christopher D. Turner; John N. Oenick; Tony J. Huegerich
Original assignee: Deere & Company
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2023-02-28
Also published as: BR102017001486A2; US20170248196A1; DE102017203026A1; US10487918B2

Abstract

PROPULSOR DE ARRANQUE COMBINADO COM DISPOSITIVO E GERADOR DE POTÊNCIA PARA UM VEÍCULO DE TRABALHO TENDO UM PROPULSOR, E, CONJUNTO DE SISTEMAS DE TRAÇÃO PARA UM VEÍCULO DE TRABALHO. Uma combinação propulsor de arranque e dispositivo gerador de potência para um veículo de trabalho tem uma máquina elétrica e um conjunto de engrenagens montado na máquina elétrica. O conjunto de engrenagens é configurado para receber entrada rotacional a partir da máquina elétrica e a partir do propulsor do veículo de trabalho. O conjunto de engrenagens acopla mecanicamente a máquina elétrica e o propulsor em primeira e segunda direções de fluxo de potência, em que na primeira direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma primeira relação de engrenagens e na segunda direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma segunda relação de engrenagens.

Description

CAMPO DA DESCRIÇÃO

[001] Esta descrição se refere a grupos propulsores de veículos de trabalho, incluindo equipamento de potência mecânica para arranque de propulsor e geração de potência a partir do mesmo.

FUNDAMENTOS DA DESCRIÇÃO

[002] Veículos de trabalho, tal como aqueles usados na agricultura, construção e indústria florestal, e outros veículos convencionais, podem ser energizados por um propulsor de combustão interna (por exemplo, um propulsor a diesel), embora esteja se tornando mais comum o emprego de fontes de potência misturadas (por exemplo, propulsores mecânicos e motores elétricos). Em qualquer caso, os propulsores permanecem as fontes de potência primárias de veículos de trabalho e requerem entrada mecânica a partir de um arrancador para iniciar a rotação do eixo de manivelas, e assim o movimento alternado dos pistões dentro dos cilindros. As demandas de torque para o arranque a frio de um propulsor são altas, particularmente para grandes propulsores a diesel comuns em máquinas de alta resistência.

[003] Para alimentar os subsistemas elétricos do veículo de trabalho, uma porção da potência do propulsor pode ser aproveitada usando um alternador para gerar potência de CA. A bateria ou baterias do veículo de trabalho são carregadas primeiro pela inversão da corrente que vem do alternador. Convencionalmente, uma correia ou conexão direta acopla um eixo de saída do propulsor ao alternador a fim de gerar a potência de CA. As demandas de torque para gerar corrente a partir do propulsor em funcionamento são significantemente mais baixas do que para o arranque do propulsor.

SUMÁRIO DA DESCRIÇÃO

[004] Esta descrição provê um propulsor de arranque e gerador de potência combinados, com uma transmissão integral, tal como podem ser usados em veículos de trabalho para o arranque a frio do propulsor e para gerar potência, servindo assim aos propósitos duplos de um propulsor de arranque e um alternador, com transmissão de potência mais robusta para, e do, propulsor, em ambos os casos.

[005] Em um aspecto, a descrição provê um dispositivo de combinação de propulsor de arranque e gerador de potência para um veículo de trabalho tendo um propulsor. O dispositivo inclui uma máquina elétrica e um conjunto de engrenagens montado na máquina elétrica. O dispositivo é configurado para receber entrada rotacional a partir da máquina elétrica e a partir do propulsor. O dispositivo é também configurado para acoplar mecanicamente a máquina elétrica e o propulsor na primeira e segunda direções de fluxo de potência, em que na primeira direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma primeira relação de engrenagens e na segunda direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma segunda relação de engrenagens.

[006] Em outro aspecto, a descrição provê uma combinação de propulsor de arranque do e dispositivo gerador de potência para um veículo de trabalho. O dispositivo inclui um alojamento que, pelo menos em parte, contém uma máquina elétrica e uma transmissão. A transmissão inclui um conjunto de engrenagens e um conjunto de embreagem acoplado mecanicamente ao conjunto de engrenagens. O conjunto de engrenagens é configurado para receber entrada rotacional a partir da máquina elétrica e a partir do propulsor e para acoplar mecanicamente a máquina elétrica e o propulsor em primeira e segunda direções de fluxo de potência, em que na primeira direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma primeira relação de engrenagens e na segunda direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma segunda relação de engrenagens. O conjunto de embreagem inclui duas embreagens unidirecionais. Uma primeira embreagem unidirecional é engatada quando o conjunto de engrenagens se move na primeira direção de fluxo de potência e é desengatada quando o conjunto de engrenagens se move na segunda direção de fluxo de potência. Uma segunda embreagem unidirecional é engatada quando o conjunto de engrenagens se move na segunda direção de fluxo de potência e é desengatada quando o conjunto de engrenagens se move na primeira direção de fluxo de potência.

[007] Em ainda outro aspecto, a descrição provê um conjunto de sistemas de tração, tal como um veículo de trabalho, e um veículo de trabalho tendo tal conjunto de sistemas de tração. O conjunto de sistemas de tração inclui um propulsor e um arrancador de combinação e dispositivo gerador. O dispositivo inclui uma máquina elétrica e um conjunto de engrenagens montado na máquina elétrica. O dispositivo é configurado para receber entrada rotacional a partir da máquina elétrica e a partir do propulsor. O dispositivo é também configurado para acoplar mecanicamente a máquina elétrica e o propulsor em primeira e segunda direções de fluxo de potência, em que na primeira direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma primeira relação de engrenagens e na segunda direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma segunda relação de engrenagens.

[008] Os detalhes de uma ou mais modalidades são descritos nos desenhos anexos e na descrição abaixo. Outras características e vantagens se tornarão aparentes a partir da descrição, dos desenhos e das reivindicações.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] A FIG. 1 é uma vista lateral de um veículo de trabalho de exemplo na forma de um trator agrícola no qual o dispositivo gerador de arranque descrito pode ser usado; a FIG. 2 é uma vista isométrica parcial simplificada de um propulsor do veículo de trabalho da FIG. 1 mostrando um local de montagem de exemplo para um dispositivo gerador de arranque de exemplo (também mostrado simplificado); a FIG. 3 é um diagrama esquemático de uma porção de um grupo motopropulsor do veículo de trabalho da FIG. 1 tendo um dispositivo gerador de arranque de exemplo de acordo com esta descrição; a FIG. 4 é um diagrama esquemático de uma porção de outro grupo motopropulsor de exemplo tendo outro dispositivo gerador do arrancador; e a FIG. 5 é uma vista secional lateral tomada ao longo da linha 5-5 da FIG. 2 mostrando uma representação simplificada de um conjunto de transmissão de potência do dispositivo gerador do arrancador, mostrado na FIG. 4.

[0010] Símbolos de referência semelhantes nos vários desenhos indicam elementos semelhantes.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0011] O seguinte descreve uma ou mais modalidades de exemplo do dispositivo gerador de arranque descrito, como mostrado nas figuras anexas dos desenhos descritos brevemente acima. Várias modificações nas modalidades de exemplo podem ser contempladas por alguém versado na técnica.

[0012] Quando usadas aqui, a menos que limitadas ou modificadas de outra maneira, listas com elementos que são separados por termos conjuntivos (por exemplo, "e") e que são também precedidos pela frase "um ou mais de" ou "pelo menos um de" indicam configurações ou arranjos que potencialmente incluem elementos individuais da lista, ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, "pelo menos um de A, B, e C" ou "um ou mais de A, B, e C" indica as possibilidades de somente A, somente B, somente C, ou qualquer combinação de dois ou mais de A, B e C (por exemplo, A e B; B e C; A e C; ou A, B e C).

[0013] Muitos sistemas elétricos de veículos convencionais têm uma fonte de potência química (isto é, uma bateria) que energiza vários componentes e subsistemas do veículo. Em certos veículos elétricos, a fonte de potência química pode ser um banco de baterias que energiza o veículo inteiro incluindo as rodas de acionamento para conferir movimento ao veículo. Em outros veículos híbridos a gasolina e eletricidade, a força motriz pode alternar entre a potência do propulsor e a potência do motor elétrico ou a potência do propulsor pode ser suplementada pela potência do motor elétrico. Em ainda outros veículos convencionais, o sistema elétrico é somente usado para iniciar o arranque do propulsor e para fazer funcionar os sistemas elétricos de não acionamento do veículo. No último caso, o veículo tipicamente tem um motor do arranque que é energizado pela bateria do veículo para girar o eixo de manivelas do propulsor para mover os pistões dentro dos cilindros. Alguns propulsores (por exemplo, propulsores a diesel) iniciam a combustão por compressão do combustível, enquanto outros propulsores contam com um gerador de centelhas (por exemplo, vela de ignição), que é energizado pela bateria. Uma vez que o propulsor está operando, o sistema elétrico de veículos convencionais pode coletar a potência do propulsor para energizar o sistema elétrico bem como para carregar a bateria. Tipicamente, esta coleta de potência é feita usando um alternador, isto é, um gerador de potência de corrente alternada (CA). O alternador converte a potência de CA para potência de corrente contínua (CC) usável pela bateria para carregamento por passar a potência de CA através de um inversor (por exemplo, retificador de díodo). Os alternadores convencionais aproveitam potência a partir do propulsor por acoplamento de um rotor do alternador a um eixo de saída do propulsor (ou um componente acoplado ao mesmo). Historicamente isto foi realizado pelo uso de uma correia dedicada, mas, nos veículos mais modernos, o alternador é um de vários dispositivos que são acoplados a (e assim energizados por) o propulsor por intermédio de uma única correia em “serpentina”. Em qualquer caso, a rotação do eixo de saída do propulsor gira a correia para acionar o rotor para girar em relação a um estator do alternador, gerando assim um campo magnético que induz uma corrente alternada no estator, que pode então ser retificada pelos díodos para fornecer potência de CC à bateria e aos componentes elétricos do veículo.

[0014] Em certas aplicações, tais como em certas máquinas de alta resistência e veículos de trabalho, pode ser desvantajoso se ter uma montagem convencional com componentes separados do arranque e do alternador. Tais componentes separados requerem alojamentos separados, o que pode requerer vedação ou blindagem separada a partir do ambiente de trabalho, e que ocupam espaços separados dentro do compartimento do propulsor, que pode ter um invólucro com espaço relativamente pequeno em relação aos inúmeros outros componentes requeridos a serem posicionados dentro do compartimento do propulsor. Outras complexidades do layout do compartimento de propulsor podem também aparecer. Ainda, nessas e outras aplicações, os alternadores convencionais podem introduzir um indesejável, ou, mais especificamente, inaceitável, nível de falta de confiabilidade por meio do uso de um acionamento de correia.

[0015] O seguinte descreve uma ou mais implementações de exemplo de um sistema elétrico de veículo aperfeiçoado que aborda uma ou mais dessas (ou outras) matérias com os sistemas convencionais. Em um aspecto, o sistema elétrico de veículo descrito inclui uma combinação de dispositivos, ou dispositivo integrado, que realiza a função de arranque de propulsor de um motor de arranque convencional bem como a função de geração de potência de um gerador ou um alternador convencional. O dispositivo é referido aqui como um dispositivo “gerador de arranque integrado” (ISG). Esta terminologia é usada aqui para, pelo menos em algumas implementações do sistema, ser agnóstica ao tipo de potência (isto é, corrente CA ou CC) gerada pelo dispositivo. Em algumas implementações, o dispositivo de ISG pode funcionar para gerar eletricidade de uma maneira que as pessoas especializadas na técnica podem considerar um dispositivo “gerador” que produz corrente CC diretamente. Todavia, quando usado aqui, o termo “gerador” deve significar a produção de potência de polaridade estática ou alternada (isto é, CA ou CC). Assim, em um caso especial do dispositivo de ISG, a funcionalidade de geração de potência é semelhante àquela de um alternador convencional, em outras palavras, ele gera potência de CA que é subsequentemente retificada para potência de CC, ou internamente ou externamente para o dispositivo de ISG.

[0016] Em certas modalidades, o dispositivo de ISG pode ter um acoplamento de potência mecânica direto ao propulsor, que evita o uso de correias. Por exemplo, o dispositivo de ISG pode incluir dentro de seu alojamento um conjunto de engrenagens que se acopla diretamente com uma engrenagem de saída girada por um eixo de saída do propulsor. O conjunto de engrenagens pode assumir qualquer de várias formas incluindo arranjos com engrenagens retas emaranhadas ou outras, bem como arranjos com um ou mais conjuntos de engrenagens planetárias. Grandes relações de redução de engrenagens podem ser alcançadas pelo conjunto de transmissão de modo que uma única máquina elétrica (isto é, motor/gerador) possa ser usada e operada a velocidades apropriadas tanto para o arranque do propulsor quanto para funções de geração de potência. Conjuntos planetários harmônicos, por exemplo, podem ser usados para alcançar uma profunda redução de engrenagens. O acoplamento de potência direto pode aumentar a confiabilidade do sistema e também melhorar o desempenho de arranque a frio e a geração de potência do sistema.

[0017] Ainda, em certas modalidades, o dispositivo de ISG pode ter um conjunto de transmissão de potência que muda automaticamente as relações de engrenagens (isto é, muda entre trajetos de fluxo de potência tendo diferentes relações de engrenagens) de acordo com somente a direção na qual torque é aplicado a, ou a partir do, conjunto de engrenagens. A título de exemplo, o conjunto de transmissão pode incluir um ou mais (por exemplo, dois) componentes de engate passivo que engatam automaticamente quando acionados em uma direção particular. Embreagens unidirecionais apropriadas (por exemplo, embreagens de rolete ou de calço) podem ser usadas de modo que uma embreagem efetue a transmissão de potência através de um trajeto de fluxo de potência para a direção de arranque do propulsor e outra embreagem efetue a transmissão de potência através de outro trajeto de fluxo de potência na direção de geração de potência. Assim, nenhum eletrônico ou outros controles são requeridos para que o gerador de arranque comute entre a operação como um arrancador ou gerador (ou alternador). Todavia, configurações de embreagem bidirecionais ou outras ativas (ou outras) podem ser empregadas para executar as funções de arranque e de geração com o hardware de controle apropriado.

[0018] Com referência aos desenhos, um sistema elétrico para veículo de trabalho, de exemplo, será descrito em detalhe. Como se tornará aparente da discussão feita aqui, o sistema descrito pode ser usado vantajosamente em uma variedade de configurações e com uma variedade de maquinaria. Por exemplo, com referência agora à FIG. 1, o sistema pode ser incluído em um veículo de trabalho 10, que é representado como um trator agrícola. Será entendido, todavia, que outras configurações podem ser possíveis, incluindo configurações com o veículo de trabalho 10 como um tipo diferente de trator, ou como um veículo de trabalho usado para outros aspectos da indústria agrícola ou para as indústrias da construção e florestal (por exemplo, uma colheitadeira, uma máquina de captação de toros, uma motoniveladora, e outros). Será adicionalmente entendido que o conjunto de escada descrito pode também ser usado em veículos de não trabalho e aplicações de não trabalho (por exemplo, instalações em locais fixos).

[0019] Como é conhecido, o veículo de trabalho 10 tem uma estrutura ou chassi principal 12 suportado fora do chão por rodas engatando no chão 14, pelo menos as rodas dianteiras das quais são dirigíveis. O chassi 12 suporta um grupo motopropulsor (por exemplo, propulsor de combustão interna 16), uma transmissão (não mostrada), e uma cabina de operador 18 erigida desde o centro para a parte traseira da máquina, na qual estão a interface de operador e os controles (por exemplo, várias alavancas de comando, alavancas de interruptores, botões, telas sensíveis ao toque, teclados, alto-falantes e microfones associados com um sistema de reconhecimento de voz).

[0020] O propulsor 16 é acomodado dentro de um compartimento do propulsor do veículo de trabalho 10 e um dispositivo de gerador de arranque integrados (ISG) 30 se apoia diretamente e compactamente no propulsor 16, por exemplo, como mostrado esquematicamente na FIG. 2, de modo a não se projetar significantemente a partir do propulsor (e assim ampliar o invólucro de espaço do compartimento do propulsor) ou interferir com várias linhas de tubulação e pontos de acesso (por exemplo, tubos de óleo e abertura de enchimento e similar). De forma notável, o dispositivo de ISG 30 pode ser montado em um lado do propulsor diferente daquele no qual a correia em serpentina (ou outra) é posicionada. A colocação do dispositivo de ISG 30 fora de um trajeto da correia reduz a complexidade do layout do propulsor e permite o acondicionamento mais compacto. O dispositivo de ISG 30 pode geralmente ser montado no, ou perto do, propulsor 16 em um local apropriado para o acoplamento a um eixo de saída do propulsor (por exemplo, um eixo de acionamento auxiliar 20 (ver a FIG. 5)).

[0021] Com referência agora à FIG. 3, um sistema elétrico do veículo, de exemplo, no qual um dispositivo de ISG 30 pode ser incorporado, é ilustrado esquematicamente em blocos funcionais. Geralmente, o propulsor 16 se acopla mecanicamente ao dispositivo de ISG 30, que é eletricamente acoplado a um dispositivo de armazenamento de energia, tal como uma bateria 40. Embora mostrado como uma única bateria será entendido que o veículo de trabalho 10 pode incluir um número de baterias operativamente acopladas uma à outra para aumentar a voltagem. Embora não mostrado, o sistema pode também incluir um regulador de voltagem apropriado, ou incorporado no dispositivo de ISG 30 ou como um componente separado. O dispositivo de ISG 30 é configurado para converter potência a partir da bateria 40 em potência mecânica para o propulsor 16 durante o arranque do propulsor, e para converter potência mecânica a partir do propulsor 16 em potência para a bateria 40 durante a geração de potência. Como notado, o dispositivo de ISG 30 pode ser configurado para automaticamente comutar entre o arranque do propulsor e modos de geração de potência de acordo com a direção do fluxo de potência (isto é, ou em direção a ou para longe a partir do propulsor 16).

[0022] Geralmente, o dispositivo de ISG 30 interfaceia com a bateria 40 por intermédio de ligações diretas por fios ou um barramento de potência do veículo 42 através de um dispositivo inversor/retificador (I/R) 32 (por exemplo, um arranjo de díodos adequado). Como é entendido na técnica, o dispositivo I/R 32 inverte potência de CC da bateria 40 em potência de CA durante a direção do arranque de propulsor e retifica a potência de CA para potência de CC na direção de geração de potência. O dispositivo I/R 32 pode ser um componente separado, ao invés de ser incorporado no dispositivo de ISG 30, como mostrado. O dispositivo de ISG 30 interfaceia com o propulsor 16 por intermédio do eixo de acionamento auxiliar 20 através de um conjunto de transmissão 34, que pode ser incorporado diretamente ao dispositivo de ISG 30, como mostrado. O conjunto de transmissão 34 pode incluir conjuntos de engrenagens em várias configurações para prover o fluxo de potência necessário e a redução de engrenagens, como será descrito. O conjunto de transmissão 34 interfaceia com um dispositivo de conversão de potência, tal como uma máquina elétrica 36 que opera como um motor durante o arranque do propulsor e como um gerador durante a geração de potência. Múltiplas relações de engrenagens são providas por um conjunto de transmissão 34 para permitir que a máquina elétrica 36 opere dentro das faixas de velocidade e torque ideais em ambas as direções de fluxo de potência.

[0023] Como notado, a formação por engrenagem e outros componentes do conjunto de transmissão 34 podem variar. As figuras 4A e 4B ilustram esquematicamente dois conjuntos de transmissão de exemplo 34a e 34b, respectivamente. O conjunto de transmissão 34a da FIG. 4A geralmente inclui conjuntos de engrenagens denteadas convencionais, e o conjunto de transmissão 34b da FIG. 4B inclui um conjunto de engrenagens planetárias. Em ambos os casos, os conjuntos de engrenagens são acoplados a componentes de aplicação de torque (por exemplo, embreagens) que engatam para transferir torque entre os conjuntos de engrenagens e os eixos de entrada/saída do propulsor 16 e a máquina elétrica 36. Nos exemplos ilustrados, os conjuntos de transmissão 34a, 34b incluem, cada, duas embreagens C1 e C2. Além disso, nos exemplos ilustrados, as embreagens C1 e C2 são, cada, componentes passivos que não requerem o controle ativo a fim de energizarem. As embreagens C1 e C2 são configuradas como embreagens unidirecionais de modo que elas engatem automaticamente na direção na qual a potência flui. Colocado de outra maneira, ao invés de um hardware de controle externo, o dispositivo de ISG 30 controla as embreagens C1 e C2 internamente pela operação da máquina elétrica 36, a saber, a operação em uma direção de rotação engata C1 (e desengata C2) e vice-versa com a operação da máquina elétrica 36 na direção rotacional oposta. Qualquer de várias configurações de embreagem conhecidas pode ser usada, incluindo, por exemplo, embreagens de roletes, embreagens de calço, embreagens do tipo de cunha e díodos mecânicos. Outras configurações de embreagem podem também ser usadas. Além disso, embora o sistema se beneficie do uso de embreagens unidirecionais passivas, nas quais o hardware e o software de controle ativo externo podem ser eliminados, os princípios desta descrição podem se aplicar aos componentes de aplicação de torque ativamente controlados (por exemplo, embreagens bidirecionais e outras), e tais embreagens e hardware e software de controle podem ser incorporados ao sistema, e especificamente ao dispositivo de ISG 30.

[0024] Com referência primeiramente à FIG. 4A, o conjunto de transmissão 34a, de exemplo, inclui as engrenagens A-F e embreagens de sobremarcha (unidirecionais) C1 e C2. A engrenagem A é acoplada ao eixo de acionamento de propulsor auxiliar 20, e as engrenagens C e E são acopladas a um eixo 38 da máquina elétrica 36. As engrenagens B, D e F podem ser montadas em um eixo intermediário 50 de forma que a engrenagem B engate a engrenagem A e as engrenagens D e F engatem as respectivas engrenagens C e E, dependendo do estado do engate das embreagens C1 e C2, respectivamente. O conjunto de engrenagens e as embreagens C1 e C2 provêm assim uma conexão mecânica direta entre o propulsor 16 e a máquina elétrica 36 em ambas as direções do fluxo de potência.

[0025] O fluxo de potência para o arranque do propulsor é como segue. Com o propulsor 16 inativo ou parado, a ativação da ignição por um operador na cabina 18 do veículo de trabalho 10 energiza a máquina elétrica 36, a qual opera como um motor, para girar o eixo 38 e acionar a engrenagem C. Nesta direção do fluxo de potência, a embreagem C1 é engatada para acoplar a engrenagem D à engrenagem C. A rotação de a engrenagem D gira o eixo intermediário 50 e a engrenagem B, a qual engata e gira a engrenagem A, que é acoplada ao propulsor 16 pelo eixo de acionamento auxiliar 20. A rotação da engrenagem D e do eixo intermediário 50 gira a engrenagem F, a qual aciona a engrenagem E. Todavia, ela opera mais lentamente do que o eixo de máquina elétrica 38, que mantém a embreagem C2 desengatada.

[0026] A transição do fluxo de potência desde o arranque do propulsor para energizar a geração para o conjunto de transmissão 34a, de exemplo, é como segue. Quando o propulsor 16 começa a ignição e acelera acima da velocidade de arranque, a embreagem C1 desengata. Neste ponto, ambas das embreagens C1 e C2 são desengatadas. Depois do propulsor 16 estabilizar em uma velocidade de marcha lenta ou acima, a máquina elétrica 36 é permitida que diminua a velocidade. A relação de engrenagens entre a engrenagem F e a engrenagem E é 1:1 de modo que, uma vez quando a máquina elétrica 36 desacelerar para abaixo da velocidade do eixo intermediário 50, a embreagem C2 engata para acionar a máquina elétrica 36 para operar como um gerador. Especificamente, o propulsor 16 gira o eixo de acionamento auxiliar 20 para girar a engrenagem A, a qual aciona a engrenagem B, que gira o eixo intermediário 50 para girar a engrenagem F. Com a embreagem C2 engatada, a engrenagem F aciona a engrenagem E para girar o eixo 38 da máquina elétrica 36. Quando a engrenagem E e o eixo 38 giram, a engrenagem C gira. Todavia, ela opera mais lentamente do que o eixo intermediário 50, mantendo a embreagem C1 desengatada.

[0027] Em um exemplo não limitativo, as características de carga de arranque de certas modalidades do propulsor 16 (por exemplo, um propulsor diesel) podem ter uma velocidade de operação típica na faixa de aproximadamente 2.000-3.000 RPM com velocidade da manivela (arranque) de aproximadamente 100-150 RPM e um torque de arranque de pico de aproximadamente 3.000 Nm. O conjunto de engrenagens do conjunto de transmissão de exemplo 34a pode ser configurado para prover uma razão de torque de arranque da engrenagem C para com a engrenagem D de aproximadamente 13:1, a engrenagem B para com a engrenagem A de aproximadamente 4:1, e interfaceiam com a máquina elétrica 36 em uma velocidade de operação normal (por exemplo, aproximadamente 3.000 RPM) em ambas as direções do fluxo de potência.

[0028] Com referência à FIG. 4B, o conjunto de transmissão de exemplo 34b inclui um conjunto planetário harmônico H, com a engrenagem solar S, as engrenagens planetárias P, o suporte de planetas C, e as engrenagens anulares R1 e R2, bem como embreagens de sobremarcha (unidirecionais) C1 e C2. As embreagens C1 e C2 são acopladas ao eixo de acionamento de propulsor auxiliar 20, e a engrenagem solar S é acoplada ao eixo 38 da máquina elétrica 36. As engrenagens planetárias P são rotativamente montadas no suporte C por intermédio de eixos de pinhão (não mostrados) de modo que as engrenagens planetárias P revolvam com a rotação do suporte C e girem em torno dos eixos de pinhão quando acionadas pela engrenagem solar S e/ou engatem com as engrenagens anulares R1 e R2. O conjunto planetário H opera em uma configuração dentro do sol, fora de anel (por intermédio da engrenagem anular R2) durante o arranque e em uma configuração dentro do suporte, fora do sol, durante a geração de potência, com as embreagens C1 e C2 automaticamente alternando o engate e o desengate nas duas direções do fluxo de potência. Assim, tal como com o conjunto de engrenagens do conjunto de transmissão 34a, de exemplo, o conjunto planetário H e as embreagens C1 e C2 do conjunto de transmissão de exemplo 34b provêm uma conexão mecânica direta entre o propulsor 16 e a máquina elétrica 36 em ambas as direções do fluxo de potência.

[0029] O fluxo de potência para o arranque do propulsor é como segue. Com o propulsor 16 inativo ou parado, a ativação da ignição por um operador na cabina 18 do veículo de trabalho 10 energiza a máquina elétrica 36, a qual opera como um propulsor, para girar o eixo 38 e acionar a engrenagem solar S. A rotação da engrenagem solar S aciona rotação das engrenagens planetárias P e do suporte C. A engrenagem anular R1 é fixa ao chão, e a rotação das engrenagens planetárias P e do suporte C gira a engrenagem anular R2. Nesta direção de fluxo de potência, a embreagem C1 é engatada para acoplar a engrenagem anular R2 ao propulsor 16 pelo eixo de acionamento auxiliar 20. Como mencionado, a rotação da engrenagem solar S e das engrenagens planetárias P gira o suporte C. Todavia, o suporte C opera mais lentamente do que o eixo de máquina elétrica 38, o que mantém a embreagem C2 desengatada.

[0030] A transição do fluxo de potência desde o arranque do propulsor para energizar a geração para o conjunto de transmissão de exemplo 34b é como segue. Quando o propulsor 16 começa a ignição e acelera acima da velocidade de arranque, a embreagem C1 desengata. Neste ponto, ambas as embreagens C1 e C2 são desengatadas. Depois de o propulsor 16 estabilizar em uma velocidade de marcha lenta ou acima, a máquina elétrica 36 é permitida que diminua a velocidade. O conjunto planetário H é configurado de modo que, uma vez quando a máquina elétrica 36 desacelerar suficientemente, a embreagem C2 engata para acionar a máquina elétrica 36 para operar como um gerador. Especificamente, o propulsor 16 gira o eixo de acionamento auxiliar 20 para girar o suporte C, o qual aciona as engrenagens planetárias P para revolver e girar, engatando tanto a engrenagem anular R1 quanto a engrenagem solar S, a qual aciona o eixo 38 da máquina elétrica 36. Quando as engrenagens planetárias P revolvem e giram, a engrenagem anular R2 gira. Todavia, ela opera mais lentamente do que o suporte C, mantendo embreagem C1 desengatada.

[0031] Como notado, o conjunto de transmissão 34b é acionado por um conjunto planetário harmônico H em virtude do arranjo de engrenagens anulares duplas, com cada engrenagem anular tendo um diferente número de dentes. A referência a um conjunto planetário “harmônico” será entendido por aqueles de conhecimento na técnica como provendo várias vantagens dos conjuntos planetários convencionais (não harmônicos), incluindo altas relações de engrenagens reconfiguráveis, altas capacidades de torque e acondicionamento axialmente compacto, dentre outros. O conjunto planetário harmônico de exemplo H provê assim uma profunda relação de redução de muitas vezes (por exemplo, 13 vezes) mais alta do que aquela do conjunto de transmissão 34a, de exemplo, e dentro de um invólucro de espaço similar, até mesmo menor.

[0032] No exemplo, as características de carga de arranque do propulsor 16 mencionado acima (isto é, faixa de velocidade de operação de aproximadamente 2.000-3.000 RPM, velocidade da manivela de aproximadamente 100-150 RPM, e torque de arranque de pico de aproximadamente 3.000 Nm), o conjunto planetário H de conjunto de transmissão de exemplo 34b pode ser configurado para prover uma razão de torque de arranque do suporte C para com a engrenagem solar S de aproximadamente 3,5-4:1 e a razão de torque de geração de potência da engrenagem solar S para com a engrenagem anular R2 de aproximadamente 75-95:1. Essas relações de engrenagens podem ser efetuadas, como um exemplo, por a engrenagem solar S ter 30 dentes, as engrenagens planetárias terem 25 dentes, a engrenagem anular R1 ter 80 dentes e a engrenagem anular R2 ter 83 ou 84 dentes. A máquina elétrica 36 pode assim ter velocidades de operação normais (por exemplo, aproximadamente 10.000 RPM) em ambas as direções de fluxo de potência com saída de torque relativamente alta para o arranque do propulsor e baixa saída de torque durante a geração de potência.

[0033] Com referência também à FIG. 5, o dispositivo de ISG 30 com o conjunto de transmissão de exemplo 34b é mostrado de forma simplificada em uma configuração de integração física ou de layout, de exemplo, dentro de um alojamento comum, ou revestimento de motor 60 e seções de caixa de engrenagens 62 da mesma, de modo que o dispositivo de ISG 30 seja um único pacote de componentes completo com o conjunto de engrenagens, a máquina elétrica 36 e o dispositivo I/R 32. Como detalhado acima, o conjunto de transmissão 34b tem um conjunto planetário harmônico H incluindo uma engrenagem solar S engrenando com três engrenagens planetárias P que revolvem em torno da engrenagem solar S dentro do suporte de planetas C e engatam duas engrenagens anulares R1 e R2. A embreagem de sobremarcha (unidirecional) C1 é montada dentro de uma abertura na engrenagem anular R2, e a embreagem de sobremarcha C2 é montada dentro de uma abertura de o suporte C. Ambas as embreagens C1 e C2 são dispostas em torno de, e configuradas para engatar, uma parte de eixo 70. A parte de eixo 70 pode ser coaxial com o eixo de máquina elétrica 38, no qual a engrenagem solar S é montada, e axialmente deslocada a partir do eixo de acionamento de propulsor auxiliar 20. O eixo de acionamento auxiliar 20, ou outro eixo de acionamento 72 com a engrenagem de acionamento 74, pode ser acoplado a uma engrenagem 76 da parte de eixo 70. Como descrito acima, o conjunto planetário H opera em uma configuração dentro do sol, fora de anel (por intermédio da engrenagem anular R2) durante o arranque e em uma configuração dentro do suporte, fora do sol, durante a geração de potência, com as embreagens C1 e C2 automaticamente alternando o engate e o desengate nas duas direções do fluxo de potência. Assim, em um pacote unitário de componentes compacto, o dispositivo de ISG 30, incluindo o conjunto de transmissão de exemplo 34b, provê uma interface mecânica direta com o propulsor 16 em ambas as direções do fluxo de potência.

[0034] Assim, várias modalidades do sistema elétrico de veículo foram descritas, que incluem um dispositivo integrado de gerador-arrancador. Vários conjuntos de transmissão podem ser incluídos no dispositivo e acondicionados como um único componente com a máquina elétrica e inversor/retificador associados, reduzindo assim o espaço ocupado pelo sistema. O conjunto de transmissão pode prover múltiplas velocidades ou relações de engrenagens e transição entre velocidades/relações de engrenagens automaticamente por alterações na direção operacional da máquina elétrica. Um ou mais arranjos de embreagem passiva, tais como embreagens de sobremarcha ou embreagens unidirecionais de várias configurações, podem ser usados para aplicar seletivamente torque ao conjunto de engrenagens do conjunto de transmissão em ambas as direções do fluxo de potência. O engate mecânico direto com o eixo do propulsor reduz a complexidade e melhora a confiabilidade do sistema em comparação com os sistemas acionados por correia. O uso de um conjunto planetário harmônico no conjunto de transmissão provê alta redução de engrenagens e capacidades de torque em um invólucro de espaço compacto.

[0035] A terminologia usada aqui é para a finalidade somente de descrever modalidades particulares e não é destinada a ser limitativa da descrição. Quando usada aqui, as formas singulares "um", "uma" e "o", "a" são destinadas a incluir também as formas plurais, a menos que o contexto indique claramente o contrário. Será também entendido que os termos "compreende" e/ou "compreendendo", quando usados neste relatório, especificam a presença de características, integradores, etapas, operações, elementos e/ou componentes mencionados, mas não excluem a presença ou adição de uma ou mais outras características, integradores, etapas, operações, elementos, componentes, e/ou grupos dos mesmos.

[0036] A descrição da presente descrição foi apresentada para finalidades de ilustração e descrição, mas é não destinada a ser exaustiva ou limitada à descrição na forma descrita. Muitas modificações e variações serão aparentes àqueles de conhecimento comum na técnica sem fugir do escopo e espírito da descrição. As modalidades explicitamente referenciadas aqui foram escolhidas e descritas para mais bem explicar os princípios da descrição e sua aplicação prática, e para permitir que outros de conhecimento comum na técnica compreendam a descrição e reconheçam muitas alternativas, modificações, e variações no(s) exemplo(s) descrito(s). Consequentemente, várias modalidades e implementações diferentes daquelas explicitamente descritas estão dentro do escopo das reivindicações que seguem.

Claims

1. Dispositivo de combinação de propulsor de arranque e gerador de potência para um veículo de trabalho (10) tendo um propulsor (16), o dispositivo caracterizado pelo fato de que compreende: uma máquina elétrica (36); e um conjunto de engrenagens montado na máquina elétrica (36) e configurado para receber entrada rotacional a partir da máquina elétrica (36) e a partir do propulsor (16) e para acoplar mecanicamente a máquina elétrica (36) e o propulsor (16) em primeira e segunda direções de fluxo de potência, em que na primeira direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma primeira relação de engrenagens e na segunda direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma segunda relação de engrenagens, em que o conjunto de engrenagens inclui um conjunto de engrenagens planetárias possuindo uma engrenagem solar e um suporte para uma ou mais engrenagens planetárias e inclui uma engrenagem de acionamento (74) acoplada para rotacionar conjuntamente com o suporte; uma primeira embreagem unidirecional que é engatada quando o conjunto de engrenagens se move na primeira direção de fluxo de potência e é desengatada quando o conjunto de engrenagens se move na segunda direção de fluxo de potência; e uma segunda embreagem unidirecional que é engatada quando o conjunto de engrenagens se move na segunda direção de fluxo de potência e é desengatada quando o conjunto de engrenagens se move na primeira direção de fluxo de potência; em que a primeira embreagem está disposta entre o suporte e a engrenagem de acionamento (74) e a segunda embreagem está disposta entre a engrenagem solar e a engrenagem de acionamento (74).

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira direção de fluxo de potência é a partir da máquina elétrica (36) para o propulsor (16) e a segunda direção de fluxo de potência é a partir do propulsor (16) para a máquina elétrica (36); e em que a primeira relação de engrenagens é maior do que a segunda relação de engrenagens.

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a primeira relação de engrenagens é pelo menos 10 vezes a segunda relação de engrenagens.

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a primeira relação de engrenagens é 40-100:1 e a segunda relação de engrenagens é 2-10:1.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda embreagens são embreagens acionadas mecanicamente.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as embreagens acionadas mecanicamente unidirecionais são um ou mais de uma embreagem de calços, uma embreagem de roletes, uma embreagem de cunha e um diodo mecânico.

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de engrenagens planetárias é um único conjunto de engrenagens planetárias incluindo uma única engrenagem solar, um único suporte e uma única engrenagem anular.

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que potência rotacional a partir da máquina elétrica (36) se move na primeira direção de fluxo de potência a partir da engrenagem solar para o suporte para o propulsor (16); e em que potência rotacional a partir do propulsor (16) se move na segunda direção de fluxo de potência a partir do suporte para a engrenagem solar para a máquina elétrica (36).

9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de engrenagens inclui adicionalmente pelo menos uma engrenagem intermediária e uma engrenagem de saída acoplada a um eixo de saída; e em que a engrenagem de acionamento (74) é acoplada com a engrenagem de saída através da engrenagem intermediária.

10. Dispositivo de combinação de propulsor de arranque e gerador de potência para um veículo de trabalho (10) tendo um propulsor (16), o dispositivo caracterizado pelo fato de que compreende: um alojamento; uma máquina elétrica (36) pelo menos em parte contida no alojamento; e uma transmissão (34) pelo menos em parte contida no referido alojamento, a transmissão (34) incluindo: um conjunto de engrenagens configurado para receber entrada rotacional a partir da máquina elétrica (36) e a partir do propulsor (16) e acoplar mecanicamente a máquina elétrica (36) e o propulsor (16) em primeira e segunda direções de fluxo de potência, em que na primeira direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma primeira relação de engrenagens e na segunda direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma segunda relação de engrenagens, em que o conjunto de engrenagens inclui um conjunto de engrenagens planetárias possuindo uma engrenagem solar e um suporte para uma ou mais engrenagens planetárias; e um conjunto de embreagem acoplado mecanicamente ao dito conjunto de engrenagens, o conjunto de embreagem incluindo: uma primeira embreagem unidirecional que é engatada quando o conjunto de engrenagens se move na primeira direção de fluxo de potência e é desengatada quando o conjunto de engrenagens se move na segunda direção de fluxo de potência; e uma segunda embreagem unidirecional que é engatada quando o conjunto de engrenagens se move na segunda direção de fluxo de potência e é desengatada quando o conjunto de engrenagens se move na primeira direção de fluxo de potência; em que o conjunto de engrenagens inclui adicionalmente uma engrenagem de acionamento (74) acoplada para rotacionar conjuntamente com o suporte; e em que a primeira embreagem unidirecional está disposta entre o suporte e a engrenagem de acionamento (74) e a segunda embreagem unidirecional está disposta entre a engrenagem solar e a engrenagem de acionamento (74).

11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que potência rotacional a partir da máquina elétrica (36) se move na primeira direção de fluxo de potência a partir da engrenagem solar para o suporte para o propulsor (16); e em que potência rotacional a partir do propulsor (16) se move na segunda direção de fluxo de potência a partir do suporte para a engrenagem solar para a máquina elétrica (36).

12. Dispositivo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o conjunto de engrenagens inclui adicionalmente um conjunto de engrenagens axiais com uma engrenagem de acionamento (74), pelo menos uma engrenagem intermediária e uma engrenagem de saída acoplada com um eixo de saída; e em que a engrenagem de acionamento (74) está acoplada para rotacionar conjuntamente com o suporte e está acoplada à engrenagem de saída através da engrenagem intermediária.

13. Conjunto de sistemas de tração para um veículo de trabalho (10), caracterizado pelo fato de que compreende: um propulsor (16); e um dispositivo de combinação de arranque e gerador, o dispositivo incluindo: uma máquina elétrica (36); e um conjunto de engrenagens montado na máquina elétrica (36) e configurado para receber entrada rotacional a partir da máquina elétrica (36) e a partir do propulsor (16) e para acoplar mecanicamente a máquina elétrica (36) e o propulsor (16) em primeira e segunda direções de fluxo de potência, em que na primeira direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma primeira relação de engrenagens e na segunda direção de fluxo de potência o conjunto de engrenagens efetua uma segunda relação de engrenagens, em que o conjunto de engrenagens inclui um conjunto de engrenagens planetárias possuindo uma engrenagem solar e um suporte para uma ou mais engrenagens planetárias; uma primeira embreagem unidirecional que é engatada quando o conjunto de engrenagens se move na primeira direção de fluxo de potência e é desengatada quando o conjunto de engrenagens se move na segunda direção de fluxo de potência; e uma segunda embreagem unidirecional que é engatada quando o conjunto de engrenagens se move na segunda direção de fluxo de potência e é desengatada quando o conjunto de engrenagens se move na primeira direção de fluxo de potência; em que o conjunto de engrenagens inclui adicionalmente uma engrenagem de acionamento (74) acoplada para rotacionar conjuntamente com o suporte; e em que a primeira embreagem unidirecional está disposta entre o suporte e a engrenagem de acionamento (74) e a segunda embreagem unidirecional está disposta entre a engrenagem solar e a engrenagem de acionamento (74).

14. Conjunto de sistemas de tração de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que potência rotacional a partir da máquina elétrica (36) se move na primeira direção de fluxo de potência a partir da engrenagem solar para o suporte para o propulsor (16); e em que potência rotacional a partir do propulsor (16) se move na segunda direção de fluxo de potência a partir do suporte para a engrenagem solar para a máquina elétrica (36).