ES2507290A1 - Sistema de cambio de marcha automático para vehículos de combustión interna - Google Patents

Sistema de cambio de marcha automático para vehículos de combustión interna Download PDF

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Abstract

Sistema de cambio de marcha automático para vehículos de combustión interna, del tipo en el que el vehículo incluye una caja de cambios de marcha manual provista de un tambor selector rotativo (4), una batería eléctrica (28), y una palanca de cambios (2) accionable manualmente. Dicho sistema comprende un dispositivo actuador (14) del cambio de marcha que incluye un motorreductor (15) cuyo eje de salida (16) está acoplado al eje de giro (6) del tambor selector (4) de marchas o al eje de giro de la palanca de cambios (2) mediante unos medios de transmisión (19, 20), y una unidad de control electrónica (23) capaz de captar una serie de datos recogidos en diferentes puntos del vehículo procesar dicha información mediante un software adecuado y seleccionar la marcha óptima en cada momento, y enviar una señal al dispositivo actuador (14) para ejecutar el cambio de marcha, controlando dicha ejecución en lazo cerrado.

Description

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11-04-2013
DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE CAMBIO DE MARCHA AUTOMÁTICO PARA VEHÍCULOS DE COMBUSTIÓN INTERNA
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La presente invención se refiere a un sistema de cambio de marcha automático para vehículos de combustión interna.
El sistema de la presente invención puede ser aplicado en vehículos con cambio de marcha
10 manual ya existentes de una manera sencilla y sin grandes modificaciones, o bien en vehículos de serie en fabricación.
Antecedentes de la invención
15 Son conocidas motocicletas con cambio de marcha manual en las que el cambio de marchas se realiza accionando una palanca de cambios. Dicha palanca de cambios se encuentra en la parte inferior izquierda de la motocicleta y se acciona con el pie izquierdo del usuario, el cual hace girar dicha palanca para cambiar de marcha o introducir el punto muerto. Por tanto, girando la palanca en un sentido o en otro es posible subir o bajar la
20 marcha.
Este tipo de motocicletas con palanca de cambios manual con tambor selector rotativo se utiliza de manera habitual en algunos países, como por ejemplo China. No obstante, se ha comprobado que en muchas ocasiones este tipo de motocicletas se usa como medio de
25 carga, lo cual imposibilita el cambio de marchas de forma manual debido a que es imposible acceder con el pie a la palanca de cambio. En este caso, sería adecuado que la motocicleta dispusiera de cambio automático.
La automatización del cambio podría permitir asimismo la incorporación de motores de
30 cambio manual a vehículos en los que actualmente no es viable porque el cambio queda inaccesible al usuario, como por ejemplo en vehículos carenados o en aquellos cuya distribución coloque el cambio alejado de la posición de conducción.
Descripción de la invención
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El objetivo del sistema de cambio de marcha automático para vehículos de combustión interna de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los vehículos con cambio de marcha manual conocidos en la técnica, proporcionando un sistema que permite efectuar el cambio automático de las marchas de manera eficaz y que es aplicable en un vehículo ya existente de una manera sencilla y sin grandes modificaciones, o bien en vehículos de serie en fabricación.
El sistema de cambio de marcha automático para vehículos de combustión interna, objeto de la presente invención, del tipo en el que el vehículo incluye una caja de cambios de marcha manual provista de un tambor selector rotativo, una batería eléctrica, y una palanca de cambios accionable manualmente, se caracteriza por el hecho de que dicho sistema comprende un dispositivo actuador del cambio de marcha que incluye un motorreductor cuyo eje de salida está acoplado al eje de giro del tambor selector de marchas o al eje de giro de la palanca de cambios mediante unos medios de transmisión, y una unidad de control electrónica capaz de captar una serie de datos recogidos en diferentes puntos del vehículo referentes a la velocidad y revoluciones por minuto, y opcionalmente la posición del puño o pedal del acelerador y el estado del freno, procesar dicha información mediante un software adecuado y seleccionar la marcha óptima en cada momento, y enviar una señal al dispositivo actuador para ejecutar el cambio de marcha, controlando dicha ejecución en lazo cerrado.
De este modo, es posible efectuar los cambios de marcha de una manera automatizada sin que el usuario deba accionar con el pie la palanca de cambios convencional, obteniendo en todo momento la marcha óptima, gracias al montaje del sistema de la invención en un vehículo ya existente con unas mínimas modificaciones, o bien en un vehículo de serie en fabricación.
Cabe destacar que existen dos posibilidades a la hora de actuar sobre la caja de cambios del vehículo, ya sea actuando sobre el tambor selector de marchas, o bien sobre el eje de la palanca de cambios. La elección de una u otra opción dependerá de las fuerzas necesarias para actuar sobre uno de dichos ejes.
La unidad de control compara la velocidad del vehículo con las revoluciones por minuto del motor, y con ello elige la marcha óptima, siendo esta elección dependiente del estado del puño o pedal de aceleración si procede, enviando una señal al motorreductor que le haga girar en un sentido o en otro, es decir, subiendo o bajando la marcha. En este caso, la
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unidad de control utiliza los datos de entrada de velocidad y revoluciones por minuto, y opcionalmente el estado del puño o pedal de aceleración, con la opción de señal de freno para chequeos de seguridad.
5 Ventajosamente, el sistema además comprende un cableado previsto para la alimentación del sistema a través de la batería eléctrica del propio vehículo, la transmisión de información y la transmisión de potencia, tanto dentro del sistema como entre dicho sistema y el vehículo.
10 Preferentemente, la unidad de control electrónica está constituida por una tarjeta integrada con unos conectores para la entrada de datos y alimentación, y para la potencia del motorreductor.
Según una realización de la invención, los datos a procesar son recogidos mediante un
15 lector de velocidad especifico para el sistema, un lector de marcha ya existente en el vehículo aunque modificado para su adecuado alojamiento en el sistema, y un lector de revoluciones del motor ya existente en el vehículo, y opcionalmente un lector de posición del puño o pedal del acelerador específico y un lector de freno ya existentes en el vehículo.
20 Preferentemente, el dispositivo actuador del cambio de marcha comprende un bastidor destinado a fijar, guiar y proteger en su interior el motorreductor.
Ventajosamente, el motorreductor incluye un motor eléctrico y una unidad reductora cuyo eje motriz está engranado perpendicularmente al eje de salida del motorreductor mediante
25 sendos engranajes cónicos.
Preferentemente, el dispositivo actuador está alimentado por la batería eléctrica del propio vehículo a través de la unidad de control electrónica. El dispositivo actuador es reversible, es decir, sirve para subir y bajar las marchas, y esto es posible ya que la unidad de control
30 electrónica selecciona la polaridad adecuada.
Ventajosamente, la unidad de control electrónica es capaz de controlar las revoluciones del cigüeñal del motor del vehículo, tanto en motores con sistema de carburación como de inyección.
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Preferiblemente, se prevé dicho control sobre el cigüeñal para sincronizar los ejes primario y secundario de la transmisión de cambio en el caso en el que estén desacoplados.
De acuerdo con una realización de la invención, los medios de transmisión comprenden dos
5 piezas de conexión acoplables entre sí, estando una pieza fijada al extremo del eje de salida del motorreductor y la otra pieza fijada al extremo del eje de giro del tambor selector de marchas o del eje de giro de la palanca de cambios, incluyendo ambas piezas de conexión unas almenas susceptibles de encajar mutuamente para transmitir el movimiento rotatorio del motorreductor al tambor selector o a la palanca de cambios.
10 Ventajosamente, las almenas de ambas piezas de conexión están distribuidas de manera que permiten un encaje con una cierta holgura o recorrido libre en ángulo.
Dicha transmisión por almenas absorbe la holgura excéntrica que pueda existir en el tambor
15 selector y permite que el propio muelle de la estrella del tambor selector posicione dicho tambor en el ángulo exacto correspondiente a la marcha elegida. De este modo, se consiguen requerimientos menos exigentes del dispositivo actuador del cambio de marchas.
Breve descripción de los dibujos
20 Con el fin de facilitar la descripción de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización del sistema de cambio de marcha automático para vehículos de combustión interna de la invención, en los cuales:
25 la figura 1 es una vista lateral esquemática del bastidor del motor y caja de cambios de una motocicleta convencional provista de palanca de cambios manual; la figura 2 es una vista esquemática del dispositivo de posición de la estrella del tambor selector conocido en el estado de la técnica;
30 la figura 3 es una vista esquemática y en explosión del sistema de la invención montado en la motocicleta convencional de la figura 1; la figura 4 es una vista en perspectiva del dispositivo actuador del cambio de marchas de la presente invención; la figura 5 es una vista en perspectiva del dispositivo actuador mostrando el motorreductor
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la figura 6 es una vista lateral del motorreductor mostrando los medios de transmisión por almenas; la figura 7 es una vista en perspectiva de una de las piezas almenadas; la figura 8 es una vista en perspectiva de las dos piezas almenadas encajadas mutuamente; la figura 9 es una vista transversal esquemática de la zona de encaje con holgura entre ambas piezas almenadas; y la figura 10 es un diagrama de bloques de la unidad de control electrónica.
Descripción de una realización preferida
En la figura 1 se puede apreciar el bastidor 1 del motor y la caja de cambios de una motocicleta con cambio de marcha manual conocida en el estado de la técnica, en la que el cambio de marchas se realiza accionando una palanca de cambios 2. Dicha palanca de cambios 2 se encuentra en la parte inferior izquierda de la motocicleta y se acciona con el pie izquierdo del usuario, el cual hace girar dicha palanca 2 para cambiar de marcha o introducir el punto muerto. La flecha ilustrada en la figura 1 indica el sentido de avance de la motocicleta.
Las cajas de cambio conocidas comprenden un eje primario que recibe el movimiento del embrague del motor y un eje secundario que envía el movimiento de giro a la rueda trasera. Ambos ejes primario y secundario incluyen respectivamente tantos piñones engranados dos a dos como número de marchas existentes, excluyendo la marcha neutra. Los piñones están montados de modo que giran locos sobre los respectivos ejes cuando no hay ninguna marcha seleccionada o en marcha neutra. Asimismo, para engranar una marcha se utilizan unos piñones sincronizadores acoplados de manera solidaria en giro al respectivo eje primario o secundario, capaces de ser desplazados axialmente hasta su acoplamiento lateral con uno de los piñones asociado a una marcha, haciéndolo girar solidario al respectivo eje, por lo que la velocidad de giro de la marcha elegida es transmitida al eje secundario 3 de salida.
Para llevar a cabo el desplazamiento de dichos piñones sincronizadores se utilizan unas horquillas selectoras asociadas cada una a un piñón sincronizador, montadas con capacidad de desplazamiento axial sobre un eje fijo. El desplazamiento de las respectivas horquillas se realiza mediante un tambor selector 4 de marchas (ver figura 3) provisto de unas ranuras con unas trayectorias especificas a modo de leva. Los extremos opuestos de las horquillas están acoplados en sendas ranuras del tambor selector 4, de modo que al girar el tambor
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selector 4 se produce el movimiento lineal de las horquillas al ser guiadas mediante dichas ranuras, permitiendo el desplazamiento de un determinado piñón sincronizador, consiguiendo así engranar la marcha escogida.
El tambor selector 4 es accionado mediante un dispositivo de posición conocido en el estado de la técnica como se puede apreciar en la figura 2, el cual a su vez es accionado por la palanca de cambios 2. Dicho dispositivo de posición incluye una pieza conocida como “estrella de posición” 5 acoplada solidaria al eje de giro 6 del tambor selector 4, y provista de unas hendiduras radiales asociadas cada una a una respectiva marcha. Dicho dispositivo de posición comprende además una leva pivotante 7 accionada por el eje de dicha palanca de cambios 2, que incluye en su extremo libre una roldana 8 encajable a presión en una de las hendiduras de la estrella 5 gracias a la acción de un muelle de torsión 9 asociado a la leva 7.
De este modo, cuando se acciona la palanca de cambios 2 mediante el pie del usuario para introducir una determinada marcha, dicha palanca 2 acciona la leva 7 provocando el giro de la estrella 5 de una manera secuencial hasta que la roldana 8 queda encajada en una determinada hendidura de la estrella 5, fijándola en una posición asociada a la marcha escogida. El movimiento de la estrella 5 hace girar el tambor selector 4 un determinado ángulo provocando el desplazamiento lineal de las respectivas horquillas, las cuales a su vez desplazan los respectivos piñones selectores permitiendo engranar los correspondientes piñones de la marcha seleccionada, y transmitir así la velocidad de giro al eje del secundario
3.
Dicho eje del secundario 3 está acoplado de manera solidaria a un piñón 10 que transmite el movimiento de giro a un piñón de la rueda trasera (no representada) mediante una correa o cadena 11.
Por otra parte, el cambio de marchas conocido incluye un lector de marcha 12 asociado a la estrella 5 y un elemento de sujeción 13 de dicho lector de marcha 12.
El sistema de cambio de marcha automático de la presente invención puede ser aplicado en motocicletas ya existentes que incluyan una caja de cambios de marcha manual provista de un tambor selector rotativo 4 como se ha explicado, una batería eléctrica convencional de 12V, y una palanca de cambios 2 accionable mediante un pie del usuario, o bien puede ser aplicado en motocicletas de serie en fabricación.
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En la figura 3 se puede apreciar el sistema de la invención montado, según una vista en explosión, en una motocicleta conocida en la técnica en la cual se han realizado unas modificaciones mínimas, como se explicará en adelante.
5 Tal como puede apreciarse en las figuras 4 a 6, el sistema de la invención comprende un dispositivo actuador 14 del cambio de marcha que incluye un motorreductor 15 cuyo eje de salida 16 está acoplado al eje de giro 6 del tambor selector 4 de marchas mediante unos medios de transmisión. Cabe destacar que dichos medios de transmisión opcionalmente puede estar acoplados al eje de giro de la palanca de cambios 2 según otra realización no
10 mostrada.
Dicho motorreductor 15 incluye un motor eléctrico 15a y una unidad reductora 15b cuyo eje motriz 17 está engranado perpendicularmente al eje de salida 16 del motorreductor 15 mediante sendos engranajes cónicos.
15 El dispositivo actuador 14 del cambio de marcha comprende un bastidor 18 destinado a fijar, guiar y proteger en su interior el motorreductor 15.
Haciendo referencia a las figuras 6 a 9, los medios de transmisión comprenden dos piezas
20 de conexión acoplables entre sí, estando una pieza 19 fijada al extremo del eje de salida 16 del motorreductor 15 y la otra pieza 20 fijada al extremo del eje de giro 6 del tambor selector 4 de marchas, incluyendo ambas piezas de conexión 19,20 unas almenas 19a,20a susceptibles de encajar mutuamente para transmitir el movimiento rotatorio del motorreductor 15 al tambor selector 4.
25 Cabe destacar que el tambor selector 4 no está muy bien ajustado al bastidor 1 del motor, y presenta una holgura tanto axial como radial. Esta holgura radial implica que el eje 6 del tambor selector 4 y el eje de salida 16 del motorreductor 15 nunca pueden estar perfectamente alineados por bueno que sea el montaje.
30 Para solucionar este problema, las almenas 19a,20a de ambas piezas de conexión 19,20 están distribuidas de manera que permiten un encaje con una cierta holgura o recorrido libre en ángulo, tal como se puede apreciar en la figura 9. Dicha transmisión por almenas absorbe la holgura excéntrica que pueda existir en el tambor selector 4 y permite que el
35 propio muelle 9 de la estrella 5 del tambor selector 4 posicione dicho tambor 4 en el ángulo
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exacto correspondiente a la marcha elegida. De este modo, se consiguen requerimientos menos exigentes del dispositivo actuador 14 del cambio de marchas.
Para llevar a cabo el montaje del sistema de la invención en una motocicleta ya existente como la descrita en las figuras 1 y 2, es preciso realizar unas modificaciones mínimas. Concretamente, tal como se puede apreciar en la figura 3, se ha eliminado la palanca de cambios 2 y se ha substituido por dicho dispositivo actuador 14 que acciona directamente el eje 6 del tambor selector 4 de la misma manera como se realizaría de forma manual. Asimismo, se ha eliminado el lector de marcha 12 convencional asociado a la estrella 5, y su elemento de sujeción 13, y se han substituido por un nuevo lector de marcha 21 adaptado a la geometría que requiere una pared 14a de acoplamiento del dispositivo actuador 14. Por otra parte, se ha introducido un lector de la velocidad 22 del eje secundario 3 y opcionalmente un lector de posición del puño del acelerador 26.
El dispositivo actuador 14 está acoplado al bastidor 1 de la caja de cambios mediante elementos de tornillería en unos agujeros roscados 1a ya existentes (ver figura 1).
Haciendo referencia al diagrama de bloques de la figura 10, el sistema de la invención además comprende una unidad de control electrónica (ECU) 23, que es capaz de captar una serie de datos recogidos en diferentes puntos de la motocicleta referentes a la velocidad, revoluciones por minuto (RPM), y opcionalmente la posición del puño del acelerador y el estado del freno, procesar dicha información mediante un software adecuado y seleccionar la marcha óptima en cada momento, y enviar una señal al dispositivo actuador 14 para ejecutar el cambio de marcha, controlando dicha ejecución en lazo cerrado.
Los datos a procesar son recogidos mediante un lector de velocidad 22 especifico para el sistema ya que en este caso la velocidad no se lee del tacómetro del cuadro de mandos, un lector de marcha 21 ya existente en la motocicleta aunque modificado para su adecuado alojamiento en el sistema, y un lector de revoluciones 24 del motor 25 ya existente en la motocicleta, y opcionalmente un lector de posición del puño del acelerador 26 específico y un lector de freno 27 ya existentes en la motocicleta.
La unidad de control electrónica 23 compara la velocidad de la motocicleta con las revoluciones por minuto del motor 25 y con ello elige la marcha óptima, siendo esta elección dependiente del estado del puño de aceleración si procede, enviando una señal al motorreductor 15 que le haga girar en un sentido o en otro, es decir, subiendo o bajando la
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marcha. En este caso, la unidad de control electrónica 23 utiliza los datos de entrada de velocidad y revoluciones por minuto, y opcionalmente el estado del puño de aceleración con la señal de freno para chequeos de seguridad.
5 La unidad de control electrónica 23 está constituida por una tarjeta integrada con unos conectores para la entrada de datos y alimentación, y para la potencia del motorreductor 15.
La electrónica y el tratamiento de datos son de “estado actual” y por lo tanto robusto a imprevistos como cortes de alimentación.
10 El sistema de la invención además comprende un cableado que realiza las funciones básicas de alimentación del sistema a través de la batería eléctrica 28 de la propia motocicleta, así como la transmisión de información y la transmisión de potencia, tanto dentro del sistema como entre dicho sistema y la motocicleta.
15 Asimismo, el dispositivo actuador 14 está alimentado por la batería eléctrica 28 de la propia motocicleta a través de la unidad de control electrónica 23. El dispositivo actuador 14 es reversible, es decir, sirve para subir y bajar las marchas, y esto es posible ya que la unidad de control electrónica 23 selecciona la polaridad adecuada.
20 La unidad de control electrónica 23 es capaz de controlar las revoluciones del cigüeñal mediante el corte del encendido, en el caso de un vehículo de carburación, o gestionando la inyección, en el caso de un vehículo de inyección electrónica. Esta capacidad puede utilizarse con el objeto de sincronizar las revoluciones de los ejes primario y secundario
25 durante la operación de cambio de marcha, facilitándolo y evitando sensación de brusquedad.
A pesar de que se ha hecho referencia a una realización concreta de la invención, es evidente para un experto en la materia que el sistema de cambio de marcha automático para
30 vehículos de combustión interna descrito es susceptible de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser substituidos por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.
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Claims (10)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de cambio de marcha automático para vehículos de combustión interna, del tipo en el que el vehículo incluye una caja de cambios de marcha manual provista de un tambor
    5 selector rotativo (4), una batería eléctrica (28), y una palanca de cambios (2) accionable manualmente, caracterizado por el hecho de que dicho sistema comprende un dispositivo actuador (14) del cambio de marcha que incluye un motorreductor (15) cuyo eje de salida
    (16) está acoplado al eje de giro (6) del tambor selector (4) de marchas o al eje de giro de la palanca de cambios (2) mediante unos medios de transmisión (19,20), y una unidad de 10 control electrónica (23) capaz de captar una serie de datos recogidos en diferentes puntos del vehículo referentes a la velocidad y revoluciones por minuto, y opcionalmente la posición del puño o pedal del acelerador y el estado del freno, procesar dicha información mediante un software adecuado y seleccionar la marcha óptima en cada momento, y enviar una señal al dispositivo actuador (14) para ejecutar el cambio de marcha, controlando dicha ejecución
    15 en lazo cerrado.
  2. 2. Sistema, según la reivindicación 1, que además comprende un cableado previsto para la alimentación del sistema a través de la batería eléctrica (27) del propio vehículo, la transmisión de información y la transmisión de potencia, tanto dentro del sistema como entre
    20 dicho sistema y el vehículo.
  3. 3. Sistema, según la reivindicación 1, en el que la unidad de control electrónica (23) está constituida por una tarjeta integrada con unos conectores para la entrada de datos y alimentación, y para la potencia del motorreductor (15).
    25
  4. 4. Sistema, según la reivindicación 1, en el que los datos a procesar son recogidos mediante un lector de velocidad (22) especifico para el sistema, un lector de marcha (21) ya existente en el vehículo aunque modificado para su adecuado alojamiento en el sistema, y un lector de revoluciones (24) del motor (25) ya existente en el vehículo, y opcionalmente un lector de
    30 posición del puño o pedal del acelerador (26) específico y un lector de freno (27) ya existentes en el vehículo.
  5. 5. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el dispositivo actuador (14) del cambio de
    marcha comprende un bastidor (18) destinado a fijar, guiar y proteger en su interior el 35 motorreductor (15).
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  6. 6. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el motorreductor (15) incluye un motor eléctrico (15a) y una unidad reductora (15b) cuyo eje motriz (17) está engranado perpendicularmente al eje de salida (16) del motorreductor (15) mediante sendos engranajes cónicos.
    5
  7. 7. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el dispositivo actuador (14) está alimentado directamente a través de la batería eléctrica (28) del propio vehículo a través de la unidad de control electrónico.
    10 8. Sistema, según la reivindicación 1, en el que la unidad de control electrónica es capaz de controlar las revoluciones del cigüeñal del motor del vehículo, tanto en motores con sistema de carburación como de inyección.
  8. 9. Sistema, según la reivindicación 8, en el que se prevé dicho control sobre el cigüeñal para
    15 sincronizar los ejes primario y secundario de la transmisión de cambio en el caso en el que estén desacoplados.
  9. 10. Sistema, según la reivindicación 1, en el que los medios de transmisión comprenden dos piezas de conexión acoplables entre sí, estando una pieza (19) fijada al extremo del eje de
    20 salida (16) del motorreductor (15) y la otra pieza (20) fijada al extremo del eje de giro (6) del tambor selector (4) de marchas o del eje de giro de la palanca de cambios (2), incluyendo ambas piezas de conexión (19,20) unas almenas (19a,20a) susceptibles de encajar mutuamente para transmitir el movimiento rotatorio del motorreductor (15) al tambor selector
    (4) o a la palanca de cambios (2). 25
  10. 11. Sistema, según la reivindicación10, en el que las almenas (19a,20a) de ambas piezas de conexión (19,20) están distribuidas de manera que permiten un encaje con una cierta holgura o recorrido libre en ángulo.
    12
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