BRPI0804465A2 - conjunto eixo diferencial com sistema antiescorregamento - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um conjunto eixo diferencial tracionado com sistema antiescorregamento das rodas, que pode ser composto por elemento de ação elástica 9 ou elementos de ação hidráulica entre as engrenagens planetárias 4, sendo estes últimos de ação proporcional à diferença de rotação entre os semi-eixos 3. Seguindo o mesmo conceito inventivo dos elementos de ação hidráulica da presente invenção, pode-se obter sistema antiescorregamento entre eixos de um mesmo veículo ou composição.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONJUNTO EIXODIFERENCIAL COM SISTEMA ANTIESCORREGAMENTO'

A presente invenção refere-se a um conjunto eixo diferencial tracionadocom sistema antiescorregamento das rodas.

Os sistemas tracionados diferenciais são empregados em aplicaçõesautomotivas para permitir com que, durante uma curva (Figura 1), as rodasinterna 1 e externa 2 do eixo tracionado possam descrever trajetórias diferentesmantendo-se equilibrada a transmissão do torque para os semi-eixos 3. Isto épossível utilizando engrenagens planetárias 4 e satélites 5, conforme asFiguras 2 e 3.

Entretanto, em condições adversas de terreno, o sistema diferencialpode prejudicar a dirigibilidade do veículo. Isto se deve ao fato de que, naconfiguração convencional chamada de tipo aberto, o equilíbrio de torque afetao torque efetivo do eixo para um nível definido pelo dobro da força de traçãodisponível na roda com menor coeficiente de atrito. Se o torque aplicado naentrada do eixo diferencial exceder este valor, a roda irá deslizar sobre oterreno, e o veículo não conseguirá prosseguir em sua jornada.

Para minimizar, ou até mesmo eliminar este efeito indesejável, existemalguns sistemas já disponíveis no mercado que podem ser adicionados aosistema diferencial ou no eixo tracionado.

Um deles é o bloqueio da ação diferencial, que é acionado pelo condutoratravés de um comando interno ou externo à carroceria, o qual força às rodasdireita e esquerda a girarem na mesma rotação. O desbloqueio pode serautomático ou realizado pelo condutor, dependendo do sistema. Os elementosde bloqueio podem ser mecânicos, hidráulicos, pneumáticos oueletromagnéticos. O acionamento deve ser feito quando não há transmissão detorque no eixo, para evitar danos aos componentes e também desconforto.

Outro sistema disponível é o chamado escorregamento limitado(bloqueio positivo), onde são adicionados elementos que geram um torqueresidual sobre os dois semi-eixos 3, que entra em ação sempre que houveruma diferença de rotação entre os mesmos. Estes elementos, via de regra, sãodiscos de fricção à banho de óleo e mola de atuação para pressionar os discose gerar o torque residual pela força normal nas faces de atrito e pelo raio médiodos discos. Trata-se de sistema muito utilizado atualmente, por ser de baixocusto e boa performance. Porém, não são recomendados para eixostracionados direcionais, porque afetam demasiadamente a manobrabilidade edirigibilidade do veículo, pois atuam indiscriminadamente também durante ascurvas. Outro ponto é que, mesmo em uma reta, sempre existe movimentorelativo entre as rodas devido às variações dimensionais dos pneus, seja defabricação, por desgaste assimétrico ou ainda calibração diferente da pressãointerna dos pneus, o que gera desgaste contínuo e dissipação inútil de energia,que embora sejam pequenos, se acumulam durante a vida útil do veículo,reduzindo a sua eficiência mecânica e também reduzindo a açãoantiescorregamento após algum tempo de uso.

Também existem os sistemas de ação variável, entre eles deacionamento hidráulico ou hidráulico-elétrico, que permitem melhor açãoantiescorregamento e aplicabilidade em eixos tracionados direcionais, poisatuam efetivamente somente quando a diferença de rotação entre os semi-eixos 3 ultrapassa um determinado valor, sempre acima das condiçõesverificadas em uma situação normal de curva. Contudo, o custo mais alto destetipo de configuração torna-se obstáculo à introdução em massa nos veículos,sobretudo aos modelos de entrada de mercado.

Finalmente, existem os sistemas que atuam sobre o sistema de freios doveículo, em especial o controle de tração, que conferem açãoantiescorregamento seletiva, porém, também esbarram na questão do custo,pois dependem de sistemas mecatrônicos para a sua operação.

O princípio inventivo aqui proposto se baseia na introdução deelementos na região entre as engrenagens planetárias, dentro da caixadiferencial 6. Embora o espaço seja reduzido, ele permite o uso de algumasconfigurações e conceitos construtivos, viabilizando assim a sua aplicaçãotanto em eixos tracionados novos bem como, am alguns casos, em veículos jáem uso no campo, substituindo-se somente alguns componentes.

A primeira construção possível (Proposta "A") é a introdução deelemento de ação elástica 9 entre as engrenagens planetárias 4, que exerçaforça constante sobre as engrenagens planetárias, forçando-as contra asparedes internas da caixa diferencial 6, gerando assim torque resistivoconstante (Figura 4). O elemento de ação elástica pode ser formado por molas,borracha ou polímero. Em construção alternativa, pode-se reduzir a espessurado corpo das engrenagens planetárias 4 ou da parede da caixa diferencial 6(ou de ambas) e introduzir no espaço gerado um disco de atrito 10 evitandoassim o contato aço-aço (Figura 5). Para ambos os casos o eixo 7 dasengrenagens satélites deve ser substituído por dois segmentos 8 comcomprimento reduzido, de modo a permitir a montagem dos elementosadicionais. Ainda usando o mesmo princípio, pode-se alocar conjunto de discosmúltiplos intercalados por placas de atrito solidárias ao giro das engrenagensplanetárias para aumentar o torque residual do sistema.

A segunda construção proposta (Proposta "B") é a introdução deelemento de ação hidráulica entre as engrenagens planetárias 4 (Figura 6), quedependendo da diferença de rotação entre os semi-eixos 3, exerce forçaproporcional sobre as engrenagens planetárias 4, forçando-as contra asparedes internas 7 da caixa diferencial 6, gerando assim torque resistivovariável. A força sobre as engrenagens planetárias 4 é feita por um pistão 11, oqual é pressionado contra uma das engrenagens planetárias pelo óleolubrificante que é bombeado por uma bomba hidráulica 13 e seus alojamentos14, que é acionada pela diferença de rotação entre os semi-eixos. O óleopercorre canais e é devidamente direcionado por válvulas de retenção commola 15, exemplificada na Figura 8 através de carcaça da válvula 16, mola 17 eesfera 18. Outro exemplo de válvula de retenção é demonstrado nas Figura 9a(montagem), 9b (vista explodida) e 9c (corte), representando o alojamento 14,palheta 19 e fixação 20. Entretanto, a presente invenção não se limita a estesdois exemplos, podendo ser empregados outras configurações de válvulas deretenção, conforme o Estado da Técnica. A bomba pode estar fisicamenteconectada ao giro dos semi-eixos às pontas destes ou às engrenagensplanetárias, por meio de estriados ou saliências e fendas. Alguns exemplos sãodemonstrados nas Figuras 10a, 10b e 10c. O esquema hidráulico destesistema pode ser visto na Figura 11. Na Figura 6 está demonstrada umabomba do tipo Gerotor, mas outras bombas podem ser aplicadas, tais comobomba de engrenagem ou de palhetas, desde que trabalhem em ambas asdireções de giro, invertendo a entrada e saída do fluido. Em construçãoalternativa, pode-se reduzir a espessura do corpo das engrenagens planetáriase introduzir no espaço gerado um disco de atrito, de forma análoga àapresentada na Figura 5, evitando assim o contato aço-aço. Semelhantementeà primeira construção apresentada, pode também recorrer ao uso de multi-discos para aumentar o torque residual do sistema. Nesta segunda construçãoo eixo 7 das engrenagens satélites deve ser substituído por dois segmentos 8com comprimento reduzido, de modo a permitir a montagem dos elementosadicionais.

A terceira construção proposta (Proposta "C") é a introdução deelemento de ação hidráulica entre as engrenagens planetárias 4, quedependendo da diferença de rotação entre os semi-eixos 3, gera torqueresistivo proporcional nos semi-eixos 3 ou nas engrenagens planetárias 4,dependendo da geometria adotada para engastamento do sistema (algunsexemplos nas Figuras 10a, 10b e 10c). O torque resistivo é gerado pelarestrição da passagem do fluido pressurizado pela bomba 13 por umapassagem restrita 21, conforme a Equação de Bernoulli, onde a resistência àpassagem do fluido por uma restrição, e conseqüentemente a força debombeamento, é diretamente proporcional ao quadrado da velocidadeinstantânea do fluido. A bomba pode utilizar sistema aberto (Figuras 12a e12b), sendo o fluido neste caso o próprio óleo lubrificante da caixa diferencial,ou sistema fechado (Figura 13), sendo o fluido específico para esta finalidade.

Para exemplificar, nas Figuras 14a e 14b temos uma construção que utilizabomba de engrenagens concêntricas (Gerotor) com sistema aberto (esquemada Figura 12b), no qual o fluido retorna para o reservatório do eixo tracionadoapós passar pelas restrições 21, e nas Figuras 15a (montagem), 15b (vistaexplodida), 15c (corte) e 16 (detalhe) a construção com bomba de engrenagensconcêntricas Gerotor com sistema fechado, no qual o fluido retorna para acâmara de baixa pressão 22 após passar pela restrição 23, determinada pelafolga existente entre as paredes do rotor e do anel denteado (Figura 16).Alternativamente, pode-se adicionar um canal no rotor ou no anel denteado dabomba 13, para se obter a restrição desejada, conforme demonstrado naFigura 17. Nestes casos, a eficiência de bombeamento da bomba não é o fatormais importante, e sim o projeto adequado da restrição para se atingir o efeitodesejado de torque resistivo. O sistema trabalha nos dois sentidos de giro,conforme demonstrado nos esquemas das Figuras 11, 12 e 13, o que pode serobtido com outros tipos de bombas (por exemplo, bomba de engrenagens,bomba de palhetas etc), de acordo com o Estado da Técnica.

A quarta construção proposta (Proposta "D") é a introdução de elementoamortecedor de ação hidráulica entre as engrenagens planetárias 4, quedependendo da diferença de rotação entre os semi-eixos 3, gera torqueresistivo proporcional pulsante nos semi-eixos 3 ou nas engrenagensplanetárias 4, dependendo da geometria adotada para engastamento dosistema (alguns exemplos nas Figuras 10a, 10b e 10c). O torque resistivopulsante é gerado pela restrição da passagem do fluido entre as paredes doselementos internos do amortecedor, formado basicamente pela carcaçaexterna 24, pelo cilindro de acionamento 25, pelo anel rotativo 26, pelavedação 27 e pela tampa 28, conforme detalhado na Figura 18. A construçãoproposta se trata de circuito fechado (esquema na Figura 19), sendo o fluidodedicado para este fim. Quando há diferença de rotação entre os semi-eixos 3,o fluido é forçado a passar pela restrição entre as câmaras de alta e de baixapressão. O sistema trabalha nos dois sentidos de giro. Quando o cilindro deacionamento 25 se aproxima de suas posições máximas no anel rotativo 26, ovolume de fluido bombeado para a câmara de baixa pressão tende a zero, oque também acontece com o torque resistivo gerado. Quando a diferença derotação aumenta entre os semi-eixos 3, a vazão do fluido pela restriçãotambém aumenta, e proporcionalmente o torque resistivo. Desta maneira, ocomportamento do torque resistivo em função da diferença de rotação entre ossemi-eixos 3 é pulsante crescente, conforme demonstrado na Figura 20 (linhacontínua). Como o sistema de transmissão do torque do semi-eixo até ocontato dos pneus no pavimento é composto por elementos mecânicoselásticos e viscosos (diagrama torsional na Figura 21), a pulsação do torque éamortecida, traduzindo-se em torque crescente com a diferença de rotaçãoentre os semi-eixos (linha pontilhada da Figura 20). Semelhantemente àterceira proposta, é possível introduzir um canal na parede do anel rotativo 26ou no cilindro de acionamento 25 para definir a área da restrição, conformedemonstrado na figura 22.

Nas propostas que adotam sistema hidráulico aberto para o fluxo deóleo, os canais de captação 29 do óleo lubrificante giram ao redor do eixo dacaixa diferencial 6. Assim, para que captem continuamente o óleo lubrificante, onível deste dentro do eixo nas diversas condições deve ficar acima do pontomáximo atingido pelos canais de captação. Caso contrário, os canais captarãociclicamente parte da atmosfera interna do eixo, o que reduzirá a eficiência dosistema antiescorregamento, mas não a eliminando, vindo ainda a ser umaconfiguração viável.

O conceito inventivo da terceira proposta construtiva (Proposta "C") podeser aplicado não somente entre os semi-eixos ou entre as engrenagensplanetárias, mas também em veículos com tração em mais de um eixo (porexemplo, 4x4), sendo alocado entre um dos semi-eixos 3 e a caixa diferencial6, ou ainda em qualquer outro ponto entre os eixos (por exemplo, no pinhão),possibilitando a transferência de torque de um eixo para o outro dependendoda diferença de rotação entre os mesmos.

Analogamente, o conceito inventivo da quarta proposta (Proposta "D")pode ser também utilizado em veículos com tração em mais de um eixo,alocado em qualquer ponto entre os eixos, possibilitando a transferência detorque de um eixo para o outro dependendo da diferença de rotação entre osmesmos.

Claims (5)

1. Eixo tracionado com diferencial, caracterizado por conter:engrenagens planetárias 4 e satélites 5; eeixo segmentado 8 das satélites; eelemento de ação elástica 9 posicionado entre as engrenagensplanetárias 4; esuperfície de atrito entre as engrenagens planetárias 4 e a caixadiferencial 6; oudisco de atrito 10 entre as engrenagens planetárias 4 e a caixadiferencial 6; oudiscos múltiplos de atrito 10 entre as engrenagens planetárias 4 e acaixa diferencial 6.

2. Eixo tracionado com diferencial, caracterizado por conter:engrenagens planetárias 4 e satélites 5; eeixo segmentado 8 das satélites; eelemento de ação hidráulica posicionado entre as engrenagensplanetárias 4, composto por bomba bidirecional 13, canais de admissão 29 defluido, válvulas de retenção 15 e pistão 11; esuperfície de atrito entre as engrenagens planetárias 4 e a caixadiferencial 6; oudisco de atrito 10 entre as engrenagens planetárias 4 e a caixadiferencial 6; oudiscos múltiplos de atrito 10 entre as engrenagens planetárias 4 e acaixa diferencial 6.

3. Eixo tracionado com diferencial, caracterizado por conter:engrenagens planetárias 4 e satélites 5; eeixo segmentado 8 das satélites; eelemento de ação hidráulica de circuito aberto, posicionado entre asengrenagens planetárias 4, composto por bomba bidirecional 13, canais deadmissão 29 de fluido, válvulas de retenção 15 e canal(is) 21 de restrição àpassagem do fluido; ouelemento de ação hidráulica de circuito fechado, posicionado entre asengrenagens planetárias 4, composto por fluido, bomba bidirecional 13 epassagem de retorno 23 do fluido à câmara de baixa pressão 22 da bombabidirecional;

4. Eixo tracionado com diferencial, caracterizado por conter:engrenagens planetárias 4 e satélites 5; eeixo segmentado 8 das satélites; eelemento amortecedor de ação hidráulica de circuito fechado,posicionado entre as engrenagens planetárias 4, composto por fluido, carcaçaexterna 24, cilindro de acionamento 25, anel rotativo 26, vedação 27 e tampa 28.

5. Elemento de ação hidráulica, posicionado entre eixos tracionados deum mesmo veículo ou composição, caracterizado por conter:bomba bidirecional 13 de circuito aberto, canais de admissão 29 defluido, válvulas de retenção 15 e canal 21 de restrição à passagem do fluido; oubomba bidirecional 13 de circuito fechado, fluido e passagem de retorno 23 do fluido à câmara de baixa pressão 22 da bomba bidirecional; ouelemento amortecedor de ação hidráulica de circuito fechado,posicionado entre as engrenagens planetárias 4, composto por carcaça externa 24, fluido, cilindro de acionamento 25, anel rotativo 26, vedação 27 e tampa 28.