ES2251839T3 - Sistema de transmision para un vehiculo a motor. - Google Patents
Sistema de transmision para un vehiculo a motor.Info
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Abstract
Unidad de transmisión auxiliar (AT) para el uso en un vehículo motorizado (V), el vehículo (V) teniendo una transmisión principal (T) con un eje principal (2) y un eje secundario (5), la unidad de transmisión auxiliar (AT) comprendiendo un engranaje epicíclico teniendo un primer, un segundo y un tercer elemento rotacional (41, 42, 43), y un volante (F), donde ambos el primero y el segundo elemento rotacionales (41, 42) pueden ser acoplados a uno de los ejes principal (2) o el eje secundario (5) de la transmisión principal (T), y donde ambos el primero y el segundo elementos rotacionales (41, 42) son provistos de una dentadura externa, caracterizada por el hecho de que el tercer elemento rotacional (43) es instalado en un eje central y es operativamente acoplado a dicho volante (F), de que la unidad de transmisión auxiliar (AT) comprende un mecanismo de acoplamiento principal para acoplar operativamente el primer elemento rotacional (41) a uno de los ejes principal (2) y eje secundario (5),cuyo mecanismo de acoplamiento principal está en contacto engranado con la dentadura externa del primer elemento rotacional (41), y de que la unidad de transmisión auxiliar (AT) comprende un mecanismo de acoplamiento secundario para acoplar operativamente el segundo elemento rotacional (42) a uno de los ejes principal (2) y eje secundario (5), cuyo mecanismo de acoplamiento secundario está en contacto engranado con la dentadura externa del segundo elemento rotacional (42).
Description
Sistema de transmisión para un vehículo a
motor.
La presente invención se refiere en general a un
sistema de transmisión para transmitir potencia de accionamiento de
una fuente de transmisión a una carga accionada. La invención se
refiere particularmente a un sistema de transmisión para el uso en
un vehículo automóvil, donde la fuente de potencia de accionamiento
es el motor del vehículo y donde la carga accionada puede ser
considerada como el vehículo mismo o sus ruedas. A continuación la
invención será explicada en cuanto a la aplicación particular de un
sistema de transmisión en un vehículo motor, aunque debe observarse
explícitamente que la invención no está restringida a tal
aplicación. Por ejemplo, es posible que la carga conducida sea un
motor de combustión, un motor eléctrico, un generador, una turbina
de gas, etc.
En los vehículos motorizados, es práctica común
transferir la potencia desde la fuente de potencia de accionamiento
tal como un motor de combustión a las ruedas a través de un sistema
de transmisión. Uno de los objetivos del sistema de transmisión es
permitir al eje de salida del motor y a las ruedas girar con
velocidades rotacionales mutuamente diferentes. La proporción entre
la velocidad de rotación de un elemento de entrada del sistema de
transmisión y la velocidad de rotación de un elemento de salida del
sistema de transmisión, indicado como factor de transmisión, puede
ser cambiada manualmente o automáticamente, dependiendo del tipo de
sistema de transmisión, y en particular el factor de transmisión
puede ser continuamente variable.
En la ingeniería automovilística, es un objetivo
actual reducir el consumo de potencia cuando el vehículo está en
uso. Una manera de realizar este objetivo es minimizando el tamaño
de la fuente de potencia de accionamiento. Esto reduce la cantidad
de peso que tiene que ser movido y proporciona un uso óptimo de la
fuente de potencia de accionamiento y, si la fuente de potencia de
accionamiento es un motor de combustión interno, éste normalmente
proporciona mejor eficiencia de conversión de potencia. No obstante,
una desventaja de las fuentes pequeñas de potencia de
accionamiento, especialmente los motores de combustión más
pequeños, consiste en que tal fuente de potencia de accionamiento
es capaz sólo de suministrar potencia de accionamiento adecuado a
un número relativamente alto de giros por minuto. Como consecuencia,
las fuentes de potencia de accionamiento relativamente pequeñas
tienen una mala respuesta de carga, por ejemplo un retraso en la
aceleración desfavorable, porque es necesario activar el motor de
una velocidad de motor momentánea a una velocidad de motor más alta
con el objetivo de poder proveer la cantidad requerida de potencia
de accionamiento.
En la práctica, un sistema de transmisión
destinado a ayudar al motor en la aceleración está comercialmente
disponible por Honda; es el denominado Sistema de Asistencia al
Motor Integrado. Este conocido sistema de transmisión comprende un
motor eléctrico específico acoplado en serie con una transmisión
continuamente variable entre una unidad de accionamiento
constituida por un motor de combustión y una carga accionada
compuesta de las ruedas del vehículo, mientras además este conocido
sistema de transmisión comprende un acumulador eléctrico
específico. Cuando se requiere aceleración, el motor de combustión
relativamente pequeño daría de por sí una respuesta de aceleración
insuficiente, pero está asistido por el motor eléctrico que recibe
su potencia del acumulador eléctrico o batería. Esta batería es
alimentada por el motor durante las condiciones operativas que menos
lo requieren (y/o absorbiendo la potencia de ruptura). Así, cuando
se requiere aceleración, las ruedas son accionadas por dos fuentes:
una fuente siendo el motor de combustión, la otra fuente siendo el
motor eléctrico alimentado por el acumulador eléctrico. Gracias a
la presencia del motor eléctrico y del acumulador eléctrico, la
combustión interna puede ser elegida ser una con par motor máximo
relativamente bajo, por ejemplo normalmente un motor relativamente
pequeño. No obstante, las desventajas de esta construcción conocida
residen en el uso de energía eléctrica, la necesidad de convertir
energía cinética en energía eléctrica y viceversa, y el peso y
costes de la instalación eléctrica.
De EP-A-O 043 909
se conoce una unidad de transmisión auxiliar según el preámbulo de
la reivindicación 1.
Esta conocida unidad de transmisión auxiliar
comprende un engranaje epicíclico con tres elementos rotacionales,
donde un primer elemento rotacional está acoplado a una entrada del
sistema de transmisión, donde un segundo elemento rotacional está
acoplado a una salida del sistema de transmisión y al volante, y
donde un tercer elemento rotacional es un motor.
Esta conocida unidad de transmisión auxiliar es
una parte integrante de un sistema de transmisión global. Es un
objeto de la invención proporcionar una unidad de transmisión
auxiliar permitiendo el uso de fuentes de energía de accionamiento
(motores) relativamente ligeras y que ahorren energía manteniendo
al mismo tiempo la ventaja de utilizar la tecnología convencional,
por ejemplo mecánica, mientras además se mantienen los costes y el
peso del sistema de transmisión relativamente bajo. Con este fin la
unidad de transmisión auxiliar según la invención está
caracterizada como se describe en la reivindicación 1. En la unidad
de transmisión según la invención, bajo condiciones de
accionamiento normal el volante absorbe energía cinética, mientras
adicionalmente la energía cinética del volante será liberada hacia
una o ambas la entrada y la salida del sistema de transmisión
durante la aceleración, asistiendo de ese modo a la fuente de
energía de accionamiento. La construcción es favorable por el hecho
de que utiliza tecnología convencional con componentes fácilmente
asequibles en una configuración relativamente simple. Además, las
ventajas de la invención pueden ser conseguidas con un peso
relativamente bajo del volante que hay que usar. Además, la
construcción de la invención puede ser usada en combinación con
cualquiera de los tipos conocidos de
transmisión.
transmisión.
Se observa que es conocido per se el uso
de un volante en una línea de accionamiento. En configuraciones
donde tal volante es instalado directamente en un eje de entrada
del sistema de transmisión, tal configuración no puede ser
utilizada para asistir a un motor a aumentar su velocidad de
rotación, puesto que el volante es sólo capaz de liberar energía
cuando va parando. En configuraciones donde se utiliza tal volante
para almacenar energía cinética cuando el vehículo está bajando la
velocidad y para proveer fuerza de accionamiento al vehículo cuando
el vehículo está acelerando, es necesario equipar el volante con un
dispositivo de acoplamiento/desacoplamiento controlado, que es
provisto de elementos de accionamiento, que requieren energía de
accionamiento, etc, de manera que la construcción es más bien
complicada. Además, cuando un volante está destinado a proveer
fuerza de accionamiento a un vehículo, el volante debe ser
relativamente grande y pesado, y debe ser accionado a velocidades
rotacionales relativamente altas, no obstante, el volante se usa
como un amortiguador de energía cinética para el vehículo, por
ejemplo cuando el vehículo está ralentizando, la energía cinética
del vehículo se utiliza para acelerar el volante, mientras que
cuando es destinada a acelerar el vehículo, la energía rotacional
del volante es transferida al vehículo, provocando la ralentización
del volante.
Además, se observa que el uso del engranaje
epicíclico en general, y el uso en particular de estadios
planetarios, en sistemas de transmisión es conocido per se.
No obstante, el objetivo de tal uso difiere del objetivo de la
presente invención en el hecho de que normalmente el engranaje
epicíclico es aplicado como una proporción de transmisión fija para
mejorar la eficiencia de una transmisión continuamente variable
usada en combinación con el engranaje o para cambiar la cobertura
de proporción de una transmisión usada en combinación con el
engranaje. Por ejemplo, en la construcción descrita en W096/35063,
una fase planetaria es operativamente proporcionada entre un motor
y una carga, y una transmisión continuamente variable es dispuesta
entre el soporte del piñón de la fase planetaria y el engranaje
planetario o la corona dentada.
Además, en la técnica es también conocido per
se el uso de engranajes epicíclicos para aumentar la eficiencia
de transmisión global mientras se reduce la cobertura de proporción
o, viceversa, para aumentar la cobertura de proporción con respeto
al detrimento de la eficiencia total de transmisión.
Estos y otros aspectos, características y
ventajas de la invención serán explicados con más detalle en la
siguiente descripción de un ejemplo preferido con referencia al
dibujo, donde los mismos signos de referencia designan partes
iguales o similares, y en el cual:
la figura 1A ilustra diagramáticamente los
componentes principales de una línea de accionamiento convencional
de un vehículo;
la figura 1B ilustra diagramáticamente los
componentes principales de una línea de accionamiento según la
invención;
la figura 2 es una vista en perspectiva que
ilustra diagramáticamente el diseño de una línea de accionamiento
según la invención;
la figura 3 es un diagrama que representa
conligeroaciones posibles según la invención
las figuras 4 a 6 ilustran esquemáticamente la
operación y los efectos alcanzados por la invención;
las figuras 7A-C son
presentaciones esquemáticas de otras configuraciones según la
invención;
la figura 8 ilustra esquemáticamente la
cinemática de una fase planetaria;
la figura 9 muestra un diagrama de bloques de un
sistema de control según la invención;
la figura 10 muestra dos gráficos que ilustran
el efecto de la invención.
La figura 1A diagramáticamente ilustra los
componentes principales de una línea de accionamiento convencional
de un vehículo V. Estos componentes principales comprenden una
fuente de energía de accionamiento E, normalmente un motor de
combustión, y una carga L para ser accionada, representada como una
rueda del vehículo V, la carga L siendo acoplada a la fuente de
energía de accionamiento por una transmisión principal MT. En lo
sucesivo, la fuente de energía de accionamiento E simplemente se
indicará como "motor", mientras la carga L simplemente se
indicará como "ruedas", visto el hecho de que la presente
invención se refiere especialmente a un sistema de transmisión para
un vehículo motor, aunque la presente invención no esté limitada a
tal uso.
La transmisión principal MT puede ser de
cualquier tipo, tal como por ejemplo una caja de engranajes
manualmente accionada o una transmisión controlada automáticamente.
En una forma de realización particularmente ventajosa, la
transmisión principal es una transmisión continuamente variable
(CVT) del tipo de correa de transmisión. En todos estos tipos de
transmisión principal, la transmisión principal tiene un elemento
rotacional principal 31 acoplado a un eje de salida del motor E, y
un elemento rotacional secundario 32 acoplado a las ruedas L. Bajo
condiciones de conducción normal, el motor E acciona el elemento
rotacional principal 31, mientras que el elemento rotacional
secundario 32 acciona las ruedas L, como está indicado por las
flechas en la figura 1A. Por esta razón, el elemento rotacional
principal 31 y el elemento rotacional secundario 32 también serán
indicados como elementos de entrada 31 y elemento de salida 32,
respectivamente. No obstante, hay que recordar que un vehículo
puede también ser ralentizado; luego, el motor E puede actuar como
una inercia que es accionada por las ruedas L y en consecuencia
ralentiza las ruedas L; en tales circunstancias, la energía cinética
fluye en la dirección opuesta, es decir desde las ruedas L hacia el
elemento rotacional secundario 32 hacia el elemento rotacional
principal 31 y hacia el motor E. En otras palabras, bajo tales
circunstancias el elemento rotacional secundario 32 de la
transmisión principal MT actúa como una entrada de energía mientras
que el elemento rotacional principal 31 de la transmisión principal
MT acciona como una salida de energía. Así, en general, el motor E
y las ruedas L (o vehículo V) pueden ser considerados como siendo
componentes de inercia que intercambian energía cinética a través
de la transmisión principal MT en cualquier dirección.
La figura 1B ilustra el principio básico de la
presente invención. A la transmisión principal MT, se añade una
transmisión auxiliar AT, acoplada en paralelo a la transmisión
principal MT. La transmisión auxiliar comprende un engranaje
epicíclico G y un volante F. El engranaje epicíclico G comprende un
elemento rotacional principal 41 acoplado al elemento rotacional
principal 31 de la transmisión principal MT, un elemento rotacional
secundario 42 acoplado al elemento rotacional secundario 32 de la
transmisión principal MT, y un tercer elemento rotacional 43
acoplado a través de un volante F. La figura 2 es una vista en
perspectiva esquemática de la posible configuración de una forma de
realización de un sistema de transmisión 1 según la invención. En
esta forma de realización, la transmisión principal MT está
diseñada como una transmisión continuamente variable (CVT) del tipo
de correa de transmisión comprendiendo una primera polea 4' y una
segunda polea 4'', acopladas entre sí por una correa de transmisión
de metal 3. Puesto que una CVT es conocida per se, y la
construcción de la CVT no forma parte de la presente invención, la
CVT no es discutida aquí más detalladamente. Basta con decir que
las poleas 4' y 4'' comprenden cada una un grupo de roldanas
cónicas entre las que la correa 3 es agarrada. Las dos roldanas
cónicas de cada polea son movibles la una respecto a la otra, donde
el movimiento de las roldanas de una polea está asociado con el
movimiento de las roldanas de la otra polea en la dirección
opuesta. Estos medios de accionamiento del movimiento son
controlados por medios de control, en función de, entre otras
cosas, la posición del pedal de accionamiento del vehículo motor.
La proporción de transmisión de la CVT puede ser variada
continuamente moviendo las roldanas la una hacia la otra o lejos de
la otra bajo la influencia de medios de accionamiento de movimiento
adecuados. La primera polea 4' de la CVT, que actúa como el elemento
rotacional principal 31 de la transmisión principal MT, es montada
en el eje de salida 2 del motor E. La segunda polea 4'', que actúa
como el elemento rotacional secundario de la transmisión principal
MT, es montada en un eje de salida 5 de la transmisión principal
MT, que está operativamente conectado a la carga L, en el ejemplo
ilustrado a través de un reductor de velocidad final opcional 6 y
de un eje de carga 7.
La transmisión auxiliar AT comprende un engranaje
epicíclico G, en este caso diseñado en forma de una fase planetaria
conocida per se, comprendiendo una corona o corona dentada
8, una pluralidad de piñones planetarios 9, y un engranaje
planetario 10. Los piñones planetarios 9 están montados en un
soporte de piñón común 11. El eje de salida 2 del motor E se
extiende más allá de la primera polea 4' y es operativamente
conectado a uno de los elementos rotacionales del engranaje
epicíclico G, que en el ejemplo diseñado es la corona o corona
dentada 8, que actúa como elemento rotacional principal 41 del
engranaje epicíclico G. El eje de salida 5 es operativamente
acoplado (en la situación diseñada a través de un mecanismo de
acoplamiento 12) al soporte del piñón 11, que actúa como el
elemento rotacional secundario 42 del engranaje epicíclico G. Para
conseguir una conexión correctamente funcional entre el soporte de
piñón 11 y el mecanismo de acoplamiento 12 del eje de salida 5, el
soporte de piñón 11 y el mecanismo 12 deberían estar acoplados por
una cadena o similar. Como alternativa, el mecanismo de
acoplamiento 12 podría ser acoplado al soporte del mecanismo de
piñón 11 por una rueda de engranaje intermedia. Por simplicidad, ni
tal cadena ni tal rueda de engranaje intermedia están ilustradas en
la figura 2.
Se observa que, en vez de usar dicho reductor de
velocidad 6, las ruedas L pueden ser conectadas directamente al eje
de salida 5.
Con respecto a la invención, el tercer elemento
rotacional 43 del engranaje epicíclico G está unido a una función
del volante. La función del volante puede ser proporcionada por un
volante separado F, operativamente conectado a dicho tercer
elemento rotacional 43, por ejemplo por medio de un engranaje
dentado, pero tal volante F puede también ser conectado
mecánicamente con dicho tercer elemento rotacional 43. En el ejemplo
preferido como se ha descrito, el tercer elemento rotacional 43 del
engranaje epicíclico G es el engranaje planetario 10. En tal caso,
el engranaje planetario 10 puede por sí mismo funcionar como
volante F, o un volante separado F puede ser empernado con respecto
al engranaje planetario 10.
Según un aspecto importante de la invención, el
volante F puede reemplazar cualquier volante del motor E tal como
el volante normalmente presente en un motor de combustión o motor
eléctrico, o el volante F puede por lo tanto determinar requisitos
de peso inferior. Se observa que la configuración funcional como se
ha descrito (donde el volante F es operativamente acoplado a la
rueda planetaria10, la corona dentada 8 es operativamente acoplada
al motor E y el soporte del piñón 11 es operativamente conectado a
la carga L), es la configuración preferida. En principio, no
obstante, son también posibles configuraciones alternativas, donde
cualquiera de los primeros elementos rotacionales 8,10 y 11 del
engranaje epicíclico es operativamente acoplado al motor E, donde
cualquiera de los segundos elementos rotacionales 8,10 y 11 del
engranaje epicíclico G es operativamente acoplado a la carga L, y
donde un tercer elemento rotacional 8,10 y 11 del engranaje
epicíclico G es operativamente acoplado al volante F.
Además, en la configuración operacional preferida
del sistema de transmisión de la invención como se ilustra en las
Figuras 1B y 2, la transmisión principal MT es operativamente
acoplada entre el motor E y la carga L. La combinación del
engranaje epicíclico G y el volante F está configurada como una
transmisión auxiliar a la transmisión principal, en este caso en
forma de una CVT. No obstante, la transmisión principal puede ser de
cualquier tipo, incluyendo la transmisión automática. Además, la
combinación del engranaje epicíclico G y el volante F puede ser
configurada como componente de transmisión de energía principal,
mientras que en lugar de la transmisión principal MT, una
transmisión arbitraria T puede ser usada como componente secundario
para la combinación del engranaje epicíclico G y el volante F. Tal
componente T de transmisión secundaria puede ser operativamente
conectado entre los elementos rotacionales primero y segundo del
engranaje epicíclico como se ilustra en el ejemplo, pero este
componente T de transmisión secundaria puede también ser
operativamente acoplado entre el primer elemento rotacional del
engranaje epicíclico G (acoplado al motor E) y el tercer elemento
rotacional del engranaje epicíclico G (acoplado al volante F), o
puede ser operativamente conectado entre el segundo elemento
rotacional del engranaje epicíclico G (acoplado a la carga L) y el
tercer elemento rotacional del engranaje epicíclico (acoplado al
volante F). Estas alternativas están ilustradas diagramáticamente
en la figura 3. En esta abstracción esquemática, un sistema de
accionamiento comprende al menos tres componentes de inercia, por
ejemplo la fuente de energía de accionamiento E, la carga L, y el
volante F, al igual que dos componentes de transmisión, por ejemplo
el engranaje epicíclico G y la transmisión T. Como se ha mencionado,
la transmisión T puede ser una transmisión principal y la
combinación del engranaje epicíclico G y el volante F puede ser una
transmisión auxiliar para la transmisión principal MT, o el
engranaje epicíclico G puede ser un componente de transmisión
principal y la transmisión T puede ser un componente de transmisión
auxiliar para el engranaje epicíclico G.
Con referencia a las figuras 1B y 2, se observa
que la transmisión principal MT y la transmisión auxiliar AT están
operativamente acopladas en paralelo respecto a una transferencia
de potencia del motor E a las ruedas L. En consecuencia, en
cualquier configuración concebible, las posiciones espaciales de la
transmisión principal MT y la transmisión auxiliar AT pueden ser
intercambiadas.
Por una razón parecida, en cualquier
configuración concebible de los componentes de inercia F, E y L y
los dos componentes de transmisión T y G, las posiciones espaciales
de los tres componentes de inercia F, E y L pueden ser
intercambiadas, como se ilustra esquemáticamente en las Figuras
7A-C. La configuración de la figura 7A corresponde
a la configuración de la figura 1B y de la figura 2. La
configuración alternativa de la figura 7B se obtiene intercambiando
las posiciones de la carga L y del volante F. La configuración
alternativa de la figura 7C se obtiene, empezando por la
configuración de la figura 7A, intercambiando las posiciones del
motor E y del volante F. Se apreciará que se pueden obtener
alternativas adicionales simplemente intercambiando las posiciones
del engranaje epicíclico G y de la transmisión T, y/o simplemente
intercambiando las posiciones del motor E, del volante F y de la
carga L respecto al engranaje epicíclico G y la transmisión T. No
obstante, las configuraciones más prácticas parecen
ser:
ser:
- 1)
- la configuración como se representa esquemáticamente en la figura 2, y
- 2)
- una configuración alternativa donde la transmisión, como se puede deducir de la figura 3, está acoplada entre el motor E y el volante F y donde la carga L es accionada solamente por un elemento de reacción del engranaje epicíclico G.
Como alternativa adicional, se puede utilizar un
engranaje epicíclico con un mayor número de elementos rotacionales.
En tales formas de realización alternativas, tales elementos
rotacionales deberían estar mutuamente acoplados de manera que se
obtenga como resultado tres funciones de entrada/salida de
accionamiento independiente. Según la invención, el engranaje
epicíclico puede estar formado por cualquier tipo de engranaje,
incluyendo el tren de engranajes Ravigneaux y los engranajes
diferenciales.
En todas estas formas de realización de un
sistema de transmisión según la presente invención, la disposición
paralela propuesta del engranaje epicíclico G con la unidad de
transmisión MT/T utiliza tanto las capacidades de separar la
energía como las capacidades de transmisión de la energía de un
engranaje epicíclico. Su aplicación según la invención permite al
volante descargar su energía cinética sobre la carga o sobre el
motor, o sobre ambos, dependiendo de las circunstancias. Además,
según la invención, cualquiera de los componentes de inercia E, F,
L puede ser reemplazado por componentes de inercia alternativa tal
como un motor eléctrico.
A continuación se explicarán los efectos de un
sistema de transmisión según la invención en relación a las figuras
4 a 6. La Figura 4 es una simplificación de un denominado mapa del
motor, mostrando las curvas características de dos diferentes tipos
de fuentes de energía de accionamiento tal como los motores de
combustión E1 y E2. E1 eje X horizontal del gráfico representa la
velocidad rotacional de una unidad de accionamiento, y el eje Y
vertical representa el par motor liberado Te. El área E1 representa
las características del par motor de motores más o menos
convencionales E1, capaces de liberar relativamente unos altos
impulsos rotativos pero limitada a una gama relativamente pequeña
de r.p.m. El área sombreada E2 representa las características del
par motor de un motor de marcha rápida denominado E2, que es capaz
de liberar su par motor máximo sobre una gama más grande de r. p.
m., pero el par motor máximo de este motor de marcha rápida E2 es
inferior al par motor máximo del motor convencional E1.
Las líneas 15 y 16 son líneas de potencia
constante P_{e} (=T_{e}.\omega_{e}). Los motores E1 y E2 de
este ejemplo ilustrativo son elegidos de manera que sean capaces de
liberar la misma potencia máxima como la indicada por la línea 16.
De la figura 4 se puede ver claramente que el motor E2 libera su
potencia máxima a una velocidad rotacional mucho más alta que la
velocidad de rotación a la que el motor E1 libera su potencia
máxima.
Bajo condiciones de conducción normal, los
motores E1 y E2 operan cerca de un punto de trabajo indicado por un
círculo sólido negro. Para el motor convencional E1, este punto de
trabajo está muy por debajo de su capacidad de par motor máximo,
que es favorable cuando se quiere una aceleración rápida, pero que
es desventajosa por el hecho de que el motor E1 funciona la mayor
parte del tiempo con baja eficiencia. Por el contrario, el motor E2
es capaz de liberar incluso las potencias deseadas relativamente
bajas cerca de su par motor máximo, en consecuencia con alta
eficiencia. Cuando se requiere aceleración, el motor E1 puede
aumentar su potencia liberada casi instantáneamente, como está
ilustrado por la flecha vertical 17. Visto que el hecho de que el
motor E2 trabaja ya cerca de su par motor máximo, es necesario que
el motor E2 acelere, como está indicado por la flecha horizontal
18, para poder liberar la misma alta potencia de salida, indicada
por la línea 15. La aceleración del motor es realizada por la
"caja de cambios"; en el ejemplo ilustrativo donde la
transmisión principal es una CVT, la aceleración del motor es
realizada por dichos medios de control de dichos medios de
accionamiento de la CVT, que controla la proporción de transmisión
de la CVT a un valor inferior. E1 motor E2 necesita algún tiempo
para aumentar sus revoluciones, particularmente cuando parte de una
velocidad de rotación baja del motor, así la respuesta de
aceleración del motor E2 es pobre. E1 retraso en alcanzar la
velocidad de rotación más alta requerida por el motor es causada por
la inercia en el motor E2 y la inercia acoplada a éste. Tal retraso
es indeseable, particularmente en el caso de la aplicación de un
sistema de transmisión en un vehículo motor; el retraso no sólo
molesta al conductor, sino que puede incluso ser peligroso en
situaciones de tráfico accidental.
En el sistema de transmisión según la presente
invención, el retraso de tiempo mencionado arriba no existe o al
menos es ampliamente reducido, porque el sistema de transmisión
permite que la energía cinética del volante sea transferida al
motor. Aquí, la velocidad de rotación del volante disminuye
mientras se aumenta simultáneamente la velocidad de rotación del
motor. Esta transferencia de energía puede ser relativamente
rápida, de modo que el motor E pueda ser llevado de forma
relativamente rápida a una velocidad de rotación relativamente
alta, permitiendo al motor liberar una potencia relativamente
alta.
En otras palabras, el sistema de transmisión de
la presente invención permite usar un motor relativamente ligero
E2, que bajo circunstancias normales, por ejemplo condiciones de
conducción normal, funciona con eficiencia relativamente alta
evitando así las desventajas de un motor de tipo convencional E1,
mientras que las desventajas principales tales como una respuesta
de aceleración pobre de un motor de alta velocidad E2 son superadas
porque el volante F, a través de la transmisión auxiliar AT, asiste
al motor E2 a alcanzar una velocidad de rotación más alta donde el
motor puede liberar más potencia. La combinación de un motor tal de
alta velocidad relativamente ligero E2 y el sistema de transmisión
de la presente invención ofrece características de conducción
favorables en combinación con un rendimiento eficaz.
La Figura 5 ilustra la respuesta de aceleración
de un vehículo equipado con un motor de combustión E2 de alta
revolución. El eje horizontal de la figura 5 representa el tiempo,
mientras que el eje vertical de este gráfico representa la
aceleración. La línea trazada Al ilustra el rendimiento del motor E2
en una situación convencional, por ejemplo donde el motor E2 es
acoplado solamente a las ruedas a través de la transmisión
principal MT (ver figura IA). De este gráfico Al, se puede observar
que la aceleración es relativamente lenta. La línea continua A2
muestra el rendimiento del mismo motor, pero ahora provista de un
sistema de transmisión según la invención (ver figura 1 B): será
evidente, que la aceleración aumenta mucho más rápidamente
ahora.
La Figura 6 contiene cuatro gráficos que
ilustran, en función del tiempo, la velocidad de rotación del motor
E (parte superior izquierda), la velocidad de rotación del volante
F (parte inferior izquierda), y la velocidad del vehículo V (parte
superior derecha). En el gráfico de la parte superior derecha de la
figura 6, se muestra la proporción de transmisión correspondiente j
de la transmisión principal MT (CVT).
A continuación se explicará el funcionamiento del
mecanismo de transmisión según la invención con más detalle con
referencia a las figuras 8-9.
La Figura 8 ilustra esquemáticamente la
cinemática de una fase planetaria comprendiendo un engranaje
planetario, una pluralidad de piñones planetarios soportados por un
soporte de piñón común y una corona dentada. Las respectivas
velocidades circunferenciales de estos componentes están indicadas
por las flechas V (engranaje planetario), V (soporte), y V (corona),
respectivamente, las longitudes de dichas flechas correspondiendo a
la cantidad de velocidad. En una representación tal, las
extremidades de tales flechas están situadas en una recta común (a,
b). Esto determina que si se conocen dos velocidades del engranaje,
la tercera velocidad es determinada cinemáticamente.
Cuando se usa en un vehículo motor, la velocidad
de rotación de uno de los componentes de la fase planetaria es
determinada por la velocidad del vehículo. La velocidad de rotación
de un segundo componente es determinada por la proporción CVT, que
es controlada por medios de control en base, entre otras cosas, a
la posición del pedal de accionamiento, como se ha mencionado
anteriormente. Así, la velocidad de rotación del tercer componente
acoplado al volante es controlada indirectamente controlando la
proporción CVT.
En el ejemplo preferido, como está ilustrado, el
motor del vehículo es acoplado a la corona dentada, las ruedas del
vehículo son acopladas al soporte de piñón, y el volante es
acoplado al engranaje planetario. Hay que suponer que, en un
momento determinado, el vehículo está marchando a velocidad
constante con una marcha relativamente larga, es decir, con la
velocidad de rotación del motor relativamente bajo. Esta situación
está indicada por una línea (a). De la figura 8, se puede observar
que la velocidad de rotación del volante es relativamente alta en
tal situación, es decir una gran cantidad de energía está
almacenada en el volante. Hay que suponer que el conductor ahora
requiere una aceleración rápida, indicada por el conductor que
rápidamente pisa el pedal de accionamiento. Entonces, los medios de
control para los cambios de la CVT cambian la CVT hacia una
proporción de transmisión inferior. Esto esencialmente corresponde
a la operación normal de la CVT. Como resultado de este cambio a una
"marcha más corta", aumenta la velocidad de rotación del
motor, como se ha mencionado anteriormente; esta situación está
indicada por la línea (b) en la figura 8. Como consecuencia la
velocidad de rotación es disminuida, hecho que indica que al menos
parte de la energía almacenada en el volante es liberada a la línea
de accionamiento, particularmente al motor. La inercia del vehículo
sirve como un pivote para este intercambio de potencia porque esta
inercia es mucho más grande que las inercias del motor y el
volante.
Si el ensamblaje de transmisión auxiliar es
adecuadamente dimensionado en cuanto a las proporciones de
engranaje y la inercia del volante, y la CVT es controlada
adecuadamente, la liberación de energía del volante puede ser
manipulada de manera que, cuando el conductor presione el pedal de
accionamiento, el par motor liberado a las ruedas aumente
continuamente, o al menos no muestre ningún descenso, hecho que
significa que el conductor experimenta una aceleración
inmediatamente cuando presiona el pedal de accionamiento, por
ejemplo sin ninguna de las demoras que él experimentaría con un
motor ligero sin la asistencia de la transmisión auxiliar según la
invención.
De lo mencionado arriba resultará evidente que la
transferencia de energía hacia o del volante puede ser controlada
por los medios de control de la CVT enmendando la proporción de
transmisión de la CVT. Cuando la CVT (o cualquier otra transmisión
T acoplada al engranaje epicíclico G) es cambiada reduciendo, por
ejemplo en respuesta a una presión del pedal de accionamiento por
parte del conductor, se libera energía del volante hacia al menos
el motor.
A continuación se describe una estrategia de
control sofisticado para conseguir un consumo de combustible mínimo
con un accionamiento no comprometido.
En un vehículo basado en CVT (y también basado en
AT), el conductor controla menos la velocidad del motor. Un control
de transmisión extensivamente sintonizado tiene que cumplir con las
expectativas del conductor medio en este aspecto de control de la
transmisión. La única aportación que queda para determinar el
control de velocidad del motor es la posición del pedal de
accionamiento. Convencionalmente, el pedal de accionamiento está
directamente conectado con el regulador de entrada de aire del
motor, conllevando que el conductor pueda controlar el par motor de
salida del motor directamente. Se prefiere, no obstante,
interpretar la posición del pedal de accionamiento en términos de
control del vehículo (longitudinal) en lugar de control del motor;
en otras palabras: interpretar la posición del pedal de
accionamiento en términos de una potencia deseada P_{d} que tiene
que ser liberada a las ruedas. Este enfoque permite que el
conductor controle transparentemente la velocidad del vehículo, que
es importante para una interacción segura entre conductor y
vehículo. En consecuencia, en un dispositivo de control preferido
según la presente invención, la posición del pedal de accionamiento
se usa como parámetro de entrada para el dispositivo de control, y
el dispositivo de control controla la proporción CVT al igual que el
regulador del motor en base a este parámetro de entrada
(accionamiento por cable).
La Figura 9 muestra un diagrama esquemático de
esta jerarquía de control.
El dispositivo de control puede calcular la
energía deseada P_{d} de la posición del pedal de accionamiento
(ángulo de depresión \alpha) basada en, entre otras cosas, la
posición momentánea al igual que el nivel de cambio del pedal de
accionamiento, y la velocidad del vehículo. Más específicamente, el
dispositivo de control puede calcular el poder deseado P_{d} de la
posición del pedal de accionamiento (ángulo de depresión \alpha)
mediante un filtro sobreamortiguado de segundo orden. Los
coeficientes de este filtro dependen de la posición momentánea al
igual que el nivel de cambio del pedal de accionamiento, y la
velocidad del vehículo. Las dependencias de los coeficientes del
filtro de estas variables pueden ser encontradas investigando el
ancho de banda de la línea de accionamiento (asistida por volante) y
por las heurísticas sobre las expectativas del conductor de
respuesta del vehículo. La calidad de estos coeficientes deben ser
validados en experimentos de la vida real.
A partir de la señal de referencia disponible
P_{d}, el dispositivo de control calcula los puntos de ajuste
T_{e,d} para el par motor y la velocidad del motor
\omega_{e,d}. El punto de ajuste T_{e,d} se encuentra
obteniendo el par motor correspondiente en la denominada "línea
E" para la potencia deseada de la rueda P_{d}. (La línea E para
un motor o un tipo de motor es la reunión de puntos operativos donde
la potencia de salida del motor puede ser liberada con un consumo
de combustible específico mínimo). La línea E es dibujada en el
denominado "mapa del motor", donde, en un gráfico similar al
de la figura 4, las líneas del Consumo de Combustible Específico a
la Frenada constante (del inglés "Brake Specific Fuel
Consumption", BSFC, en g/Kw/h) son dibujadas en función de la
velocidad del motor angular \omega_{e} y del par motor de salida
inducido T_{e}.) El punto de ajuste \omega_{e,d} es calculado
equiparando la potencia deseada de la rueda P_{d} a la potencia
en la línea de accionamiento, es decir
(7)\left(T_{e,d} - J_{1}
\frac{d \omega _{e,d}}{dt}\right) \omega _{e,d} - J_{2}^{*}\frac{d
\omega _{v}}{dt} \omega _{v} =
P_{d}
(8)J_{2}{}^{*}
= J_{2} -
J_{v}
Son los puntos de ajuste para el control local
del motor y los sistemas de control CVT los que realizan un ángulo
\phi_{e} del regulador del aire de entrada del motor y una
proporción de CVT i_{cvt}, respectivamente. La línea de
accionamiento transmite la potencia P que emana al vehículo dando
como resultado una velocidad del vehículo v_{v},. La velocidad
actual del vehículo es medida y retroalimentada al dispositivo de
control de la línea de accionamiento para calcular la velocidad
óptima del motor según la ecuación (7).
Cuando el sistema de transmisión según la
invención está combinado con un motor específico, las inercias
combinadas de todos los elementos rotacionales (motor, poleas,
engranaje epicíclico, volante) se suman a una inercia eficaz
J_{eff} como se ha visto en el motor. Esta inercia eficaz
J_{eff} depende de la proporción de transmisión i_{cvt} de la
transmisión principal. Para un valor determinado de icvt, la
inercia eficaz Geoffrey es igual a cero: este estado de transmisión
es indicado como "inercia cero", y el valor correspondiente de
i_{cvt} es indicado como _{icvt.zi}, y es preferiblemente
aproximadamente igual a 1.
Para otro valor determinado de i_{cvt}, la
inercia eficaz Geoffrey es casi igual a la inercia J_{e} del
motor, debido al hecho de que la velocidad de rotación del volante
es cero a esta proporción de transmisión: este estado de
transmisión es indicado como "cambio neutro", y el valor
correspondiente de i_{cvt} es indicado como i_{cvt.gn}.
Preferiblemente, i_{cvt.gn} es entre 0,4 y 0,8, más
preferiblemente entre 0,4 y 0,6.
A continuación se ilustrará la diferencia típica
entre el método de control según la invención y el método de
control de una transmisión CVT convencional como ejemplo con
referencia a la figura 10. Parece que la influencia dinámica de
inercia es enorme.
La figura 10 muestra dos gráficos; en el gráfico
izquierdo están representadas tres transiciones de potencia netas
en las ruedas en función del tiempo. El gráfico derecho muestra,
para la mismas transiciones, la velocidad del vehículo en función
del tiempo. El estado latente en la transición de potencia en las
ruedas es introducido por el motor usando primero su pequeña
cantidad de potencial del par motor para acelerarse a sí mismo antes
de acelerar (rápidamente) el vehículo. De la observación de estos
casos extremos está claro que las estrategias de control de cambio
convencional no se acercan ni siquiera a la respuesta del vehículo
(a) según la invención.
Debe de ser evidente para un experto en la
materia que el objetivo de la presente invención no está limitado a
los ejemplos mencionados anteriormente, sino que son posibles
diferentes correcciones y modificaciones sin alejarse del objetivo
de la invención como se define en las reivindicaciones anexas.
Como un ejemplo, es posible acoplar el eje
principal y el soporte de corona del sistema planetario mediante
una cadena en lugar de un engranaje dentado. En tal caso, el
soporte de corona no es sometido a componentes de fuerza axial
debido a una forma helicoidal de los dientes, en consecuencia el
tamaño axial del soporte de corona puede ser más corto y el soporte
de corona necesita ser soportado sólo por un soporte. Una
observación parecida puede hacerse con referencia al acoplamiento
entre el eje secundario y el soporte de piñón del sistema
planetario. Otra ventaja del uso de cadenas en lugar de
acoplamientos dentados es que la posición espacial de los ejes del
eje principal, del eje secundario y del sistema planetario puede
ser elegida independientemente de la proporción de transferencia
entre dichos acoplamientos e independientemente de los diámetros de
dichos elementos.
Claims (11)
1. Unidad de transmisión auxiliar (AT) para el
uso en un vehículo motorizado (V), el vehículo (V) teniendo una
transmisión principal (T) con un eje principal (2) y un eje
secundario (5), la unidad de transmisión auxiliar (AT)
comprendiendo un engranaje epicíclico teniendo un primer, un segundo
y un tercer elemento rotacional (41, 42, 43), y un volante (F),
donde ambos el primero y el segundo elemento rotacionales (41, 42)
pueden ser acoplados a uno de los ejes principal (2) o el eje
secundario (5) de la transmisión principal (T), y donde ambos el
primero y el segundo elementos rotacionales (41, 42) son provistos
de una dentadura externa, caracterizada por el hecho de que
el tercer elemento rotacional (43) es instalado en un eje central y
es operativamente acoplado a dicho volante (F), de que la unidad de
transmisión auxiliar (AT) comprende un mecanismo de acoplamiento
principal para acoplar operativamente el primer elemento rotacional
(41) a uno de los ejes principal (2) y eje secundario (5), cuyo
mecanismo de acoplamiento principal está en contacto engranadado con
la dentadura externa del primer elemento rotacional (41), y de que
la unidad de transmisión auxiliar (AT) comprende un mecanismo de
acoplamiento secundario para acoplar operativamente el segundo
elemento rotacional (42) a uno de los ejes principal (2) y eje
secundario (5), cuyo mecanismo de acoplamiento secundario está en
contacto engranado con la dentadura externa del segundo elemento
rotacional (42).
2. Unidad de transmisión auxiliar (AT) según la
reivindicación 1, donde los engranajes de acoplamiento principal y
secundarios comprenden vías clave para acoplar coaxialmente uno de
los ejes principal (2) y eje secundario (5).
3. Unidad de transmisión auxiliar (AT) según la
reivindicación 1 o 2, donde el volante (F) es instalado en el eje
central, siendo preferiblemente una parte integrante de éste.
4. Unidad de transmisión auxiliar (AT) según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde dicho engranaje
epicíclico comprende una fase planetaria, donde el primer elemento
rotacional (41) comprende una corona dentada (8) de dicha fase
planetaria, donde el segundo elemento rotacional (42) comprende un
soporte de piñón planetario (11) de dicha fase planetaria, y donde
el tercer elemento rotacional (43) comprende el engranaje
planetario (10) de dicha fase planetaria.
5. Sistema de transmisión para el uso en un
vehículo motorizado (V), el sistema de transmisión comprendiendo
una unidad de transmisión principal (T), y una unidad de
transmisión auxiliar (AT) según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, donde
- -
- la unidad de transmisión principal (T) tiene un eje principal (2) y un eje secundario (5); y la unidad de transmisión auxiliar (AT) comprende un engranaje epicíclico del cual ambos el primero y el segundo elementos rotacionales (41, 42) están acoplados a uno de los ejes principal (2) o eje secundario (5) de la unidad de transmisión principal (T).
6. Vehículo motorizado (V), comprendiendo un
motor (E) y una transmisión principal (T), preferiblemente una CVT,
para acoplar el motor (E) a las ruedas motrices (L) del vehículo
(V) a una proporción de transmisión variable, una unidad de
transmisión auxiliar (AT) según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 4 acoplada en paralelo a dicha transmisión principal (T), donde
la transmisión principal tiene un eje principal (2) y un eje
secundario (5), y donde ambos el primero y el segundo elementos
rotacionales (41,42) de dicho engranaje epicíclico de la unidad de
transmisión auxiliar (AT) están acoplados a uno de los ejes
principal (2) o eje secundario (5) de la unidad de transmisión
principal (T), y donde durante las condiciones de conducción normal
dicho volante (F) está acoplado con dicho motor (E) de manera que
la energía cinética es almacenada en dicho volante (F); y, cuando
se requiere aceleración, dicho volante (F) es acoplado con dicho
motor (E) de manera que la energía cinética es transferida de dicho
volante (F) a dicho motor (E).
7. Vehículo motorizado (V) según la
reivindicación 6, donde la inercia combinada, alternativamente
denominada inercia eficaz (J_{eff}), visto en el motor (E) es
igual a cero a una proporción de transmisión (i_{CVT,ZI}) de la
transmisión principal (T) que es aproximadamente igual a 1,
preferiblemente la inercia eficaz (J_{eff}) es también casi igual
a la inercia (J_{e}) del motor a una proporción de transmisión
(i_{cvt.gn}) de la transmisión principal (T) que tiene un valor
entre 0,4 y 0,8, más preferiblemente entre 0,4 y 0,6.
8. Método para controlar un vehículo motorizado
comprendiendo un motor (E) y una transmisión principal (T)
acoplando el motor (E) a ruedas motrices (L) del vehículo (V), una
unidad de transmisión auxiliar (a) según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 acoplada en paralelo a dicha transmisión
principal (T), y un dispositivo de control para controlar la
proporción de transmisión (i_{cvt}) de la transmisión principal
(T); donde bajo condiciones de conducción normal la proporción de
transmisión (i_{cvt}) de la transmisión principal (T) es
controlada para obtener una proporción de transmisión predeterminada
(i_{cvt}), y donde, cuando se requiere aceleración, dicha
proporción de transmisión (i_{cvt}) es controlada de manera que
la velocidad de rotación del volante (F) disminuye.
9. Método según la reivindicación 8, donde dicha
potencia deseada de la rueda (P_{d}) es determinada por el
dispositivo de control en base a una señal de velocidad del
conductor tal como una posición (ángulo de depresión \alpha) de
un pedal de accionamiento, alternativamente denominado pedal del
acelerador, aplicando preferiblemente un filtro sobreamortiguado de
segundo orden a dicha señal de velocidad del conductor en función
del tiempo.
10. Método según la reivindicación 9, donde dicha
potencia deseada de la rueda (P_{d}) es determinada por la
aplicación de un factor de pre-compensación para al
menos la inercia de motor (J_{e}), preferiblemente también por la
aplicación de un factor de pre-compensación para la
inercia del vehículo (J_{v}).
11. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 8-10, donde el dispositivo de
control calcula el punto de ajuste para un par motor (T_{e,d}) y
una velocidad del motor (\omega_{e,d}) en base a dicha potencia
(P_{d}) que debe ser transmitida a las ruedas (L).
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