ES2639048B1 - Acumulador mecánico rotativo, de doble giro, con resortes de tracción - Google Patents

Abstract

El acumulador mecánico rotativo, de doble giro, con tesones de tracción es un conjunto mecánico compuesto, simplificadamente, por un cilindro rotativo a modo de carcasa sobre el que se monta una corona dentada, con sentido de giro único, y un eje en su interior que gira en el mismo sentido. Cuando recibe energía mecánica a través del eje, gracias al giro diferencial, somete a tracción a unos resortes lineales acumulando energía en forma elástica. El par resulta proporcional al ángulo diferencial de giro.

Description

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ACUMULADOR MECANICO ROTATIVO, DE DOBLE GIRO, CON RESORTES DE TRACCION

DESCRIPCION

SECTOR DE LA TECNICA/CAMPO DE APLICACION DE LA INVENCION:

El sistema recogido en la presente invencion tiene aplicacion, no de forma exclusiva, dentro del sector de la industria dedicada a la investigation y desarrollo, fabrication y puesta en marcha de sistemas e instalaciones de obtencion de energfa del mar, en especial de la energla undimotriz.

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invencion, tal y como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un conjunto mecanico compuesto,

simplificadamente, por un cilindro exterior rotativo a modo de carcasa, con sentido de giro unico, y un eje que gira en el mismo sentido en su interior . Cuando recibe energfa mecanica a traves del eje, gracias al giro diferencial, somete a traction a unos resortes lineales alojados en el interior del cilindro, acumulando energfa en forma elastica. En el exterior del cilindro lleva una corona dentada. La energfa acumulada puede transferirse mecanicamente, con efecto multiplicador o no, mediante cadenas, engranajes, cinta, cable ... a otro sistema. Normalmente la velocidad de giro sera de forma mas lenta y continua en el cilindro y mas rapida pero a impulsos en el eje. A lo largo de un intervalo de tiempo largo, el angulo girado por eje y cilindro son iguales.

Habitualmente tambien, el eje contara con un mecanismo de giro unidireccional, de trinquete (la clasica “carraca”), es decir, un rectificador de giro

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que impida que en caso de carecer de par mecanico de entrada al eje, este gire en sentido contrario.

En definitiva, el objetivo del “Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion” de la presente invencion, es un dispositivo mecanico acumulador de energia con las siguientes propiedades.

* El cilindro exterior gira con sentido unidireccional y permite, a traves de una corona dentada coaxial solidaria, transferir energia mecanica a otro sistema.

* La energia de entrada se recibe a traves del eje, que gira en el mismo sentido que el cilindro.

* La caracteristica Par-Giro Diferencial es lineal en todo el rango de funcionamiento.

* Como elemento acumulador de energia emplea resortes cilindricos helicoidales de traccion.

Otra forma posible de funcionamiento, mutatis mutandis, seria recibiendo energia mecanica por el cilindro y transfiriendola a otro sistema por el eje.

Hasta el momento actual, no se conoce ninguna aplicacion que monte el dispositivo que la presente invencion propone.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Desde hace siglos, los dispositivos mecanicos que precisan movimiento continuo, tal es el caso por ejemplo de los relojes de pared, relojes despertadores, juguetes, ... utilizaban la energia potencial de unas masas que se elevaban (caso de algunos relojes de pared o el reloj de las campanadas de la Puerta del Sol en Madrid), o bien la energia almacenada en unos resortes metalicos en espiral que se enrollaban sobre el eje (energia potencial elastica) (caso de los relojes de sobremesa, de los relojes de muneca, o de pequenos juguetes). En este caso se trata por tanto de un acumulador mecanico de energia de simple giro (el linico elemento giratorio es el eje) y con resortes en espiral. La novedad de la invencion que se propone consiste en que es de doble giro (gira tambien la carcasa) y que emplea resortes a traccion en vez de resortes en espiral.

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En el caso antedicho de las masas suspendidas, al ser el peso de las masas constante, el par a que da lugar sera tambien constante. En el caso de los relojes con resortes en espiral, el par de giro proporcionado por el resorte en espiral es tambien sensiblemente constante, tal como se representa en el piano cartesiano de la figura 5, con el comportamiento linealizado por tramos, en la linea a trazo y punto.

Que el par sea constante es un requerimiento para el buen funcionamiento de los relojes, para que la velocidad de giro de sus agujas sea tambien constante.

Otra aplicacion de los resortes en espiral es el cierre automatico de las puertas. Cuando se abre la puerta, girandola sobre el eje de las bisagras, queda almacenada energia en el resorte que la devuelve al cerrarse sola. Para que cierre suavemente, el final del recorrido es frenado por un amortiguador.

Otro ejemplo de utilidad de los resortes en espiral es el conjunto de mando a distancia y Have retractil de los coches. Se podrian nombrar infmidad de mas aplicaciones.

Cuando el recorrido, angulo de giro, es pequeno, en vez de resorte en espiral pueden montarse resortes de torsion o barras de torsion.

Como puede verse, el funcionamiento de los resortes en espiral es siempre el mismo: la energia de entrada se transfiere proporcionando un par dextrogiro (por ejemplo) girando el eje a derechas (tensionando el resorte) y el resorte devuelve la energia a traves del mismo eje (“destensionando” el resorte), girando el eje en sentido contrario, levogiro, a izquierda. La energia entra y sale a traves del mismo eje.

Para el caso de pequenos giros, como quedo dicho, pueden utilizarse resortes de torsion.

En un acumulador mecanico, cuando se desea que la entrada de energia sea a traves de la rotation de un eje, la solution “natural” es montar un resorte metalico en espiral.

Hay aplicaciones, como es el caso de los convertidores undimotrices, donde es interesante disponer de un “Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con

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resortes de traccion “con respuesta lineal Par-Giro Diferencial en todo el rango de operacion= para que la carga del convertidor primario pueda trabajar en el punto mas conveniente del par resistente en fiincion de la altura de las olas. Con una ola de poca amplitud, el empuje que puede proporcionar la boya flotante es reducido, y si el par que opone el resorte en espiral es muy elevado no se transferira ninguna energia al acumulador. Si, por el contrario, la ola es de elevada amplitud, si el par que opone el resorte en espiral es pequeno, el producto de la fuerza (pequena) por el recorrido, dara tambien un valor reducido; energia convertida y rendimiento de la transformacion, reducidos. Interesa por tanto que el par que oponga el acumulador sea el adecuado a la altura de las olas, par reducido para olas pequenas, par elevado para olas grandes.

Un “Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion”, y con respuesta lineal Par-Giro Diferencial en todo el rango de operation es una posible solucion al requerimiento de funcionamiento para obtener un elevado rendimiento de la conversion. Si bien podria conseguirse la misma caracteristica lineal Par-Angulo de giro empleando resorte en espiral con un diseno especial del desarrollo del fleje, esta solucion seria muy cara.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

El dispositivo que se describe en la presente invention supone una de las posibles soluciones constructivas a los requerimientos expuestos en el anterior apartado, Objeto de la invencion.

Como elemento mecanico acumulador de energia se va a emplear el resorte helicoidal cilindrico de traccion pero puede entenderse tambien la combinacion de varios en serie, o en paralelo, o concentricos; o conicos... o bien a resortes disenados para trabajar a compresion; o bien a resortes de platillos u de otro tipo; con todos los resortes iguales o distintos. Como material, puede ser de acero o de cualquier otro metal o material dotado de las propiedades mecanicas requeridas. Tambien podrian emplearse, en vez de muelles, tensores formados por gomas u otros materiales elasticos, o combinacion de estos tensores con muelles....

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La propiedad esencial que hace idoneo el resorte de traccion, para el objetivo que se persigue, es su comportamiento lineal siguiendo la Ley de Hooke, esto es, la deformacion es proporcional a la fuerza aplicada, mientras no se sobrepase el limite elastico. Con ayuda de los ejes de coordenadas de la figura 5 puede verse el comportamiento en la linea recta de funcion inferior. En abscisas se representa el alargamiento y en ordenadas la tension, fuerza aplicada. La linea recta de funcion superior representa el comportamiento de un resorte de traccion pretensionado (lo habitual) con las espiras juntas cuando esta en reposo: con una pequena tension no se consigue ninguna deformacion. Esta misma linea recta superior representa, asimismo, el comportamiento del “Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion” y con respuesta lineal Par-Giro Diferencial en todo el rango de operacion en donde ahora en abscisas se representa el angulo diferencial girado (angulo girado por el eje en sentido dextrogiro menos angulo girado por el cilindro en sentido dextrogiro) y en ordenadas el par resistente.

Vamos a suponer que observamos al convertidor desde el lado de accionamiento, entrada de energia, y partimos del estado en reposo (mar totalmente en calma).

Para seguir la explication de funcionamiento es deseable observar las Figuras 1 y 2. El flujo de energia en el convertidor es desde las olas hacia el generador electrico (no representado).

El acumulador objeto de la invencion consta de un eje sobre el que se aplica un par de entrada en sentido dextrogiro en la, llamemosle, “seccion A”, marcada con el numero 21, en el extremo izquierdo de la Figura 2, eje-pinon. Despues del punto de aplicacion del par de entrada exterior va montado un dispositivo de trinquete (“carraca”) que permite transmitir el movimiento al unisono, con continuidad, hacia la “seccion B” marcada con el numero 22 (eje de entrada) cuando el sentido de giro del eje en la “seccion A” es dextrogiro. El eje en la “seccion A” (eje-pinon) puede girar en sentido levogiro pero cuando esto sucede, por accion de la carraca, no se transmite su movimiento hacia la “seccion B” (eje de entrada).

Supongamos una boya marina con mastil incorporando una cremallera. Al recibir una ola, el conjunto boya -mastil se desplaza, por flotation, hacia arriba. Este movimiento lineal se transmitira a traves del pinon engranado en un movimiento de rotation dextrogiro en el eje conducido. Despues del eje-pinon se montara el

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dispositivo de carraca. Es decir, durante el recorrido ascendente del conjunto flotador mastil el eje de entrada al acumulador gira hacia la derecha. Esto hace que el plato- tambor en el interior del cilindro, concentrico y solidario con el eje, gire tambien “cazando” el cable que corresponde al extremo de “Potencia” del sistema de poleas fijas del polipasto y enrollandolo sobre la superficie del plato-tambor. Supongamos que la longitud de cable que acaba de enrollarse en el plato-tambor es 40 cm. Esto quiere decir que estos 40 cm de cable habran salido del polipasto y como las poleas fijas no pueden moverse quiere decir que las poleas moviles se habran acercado hacia las poleas fijas. Si suponemos que el polipasto tiene una relacion 4 a 1, quiere decir que el extremo de las poleas moviles, extremo de “Resistencia”, se habra desplazado 10 cm. Al extremo de la polea movil se ha fijado un “resorte secundario” y a este, a traves de un cable flexible, el extremo libre del resorte principal. Como el resorte principal tiene el otro extremo fijado al cilindro, quiere decir que los 10 cm antedichos corresponderan al alargamiento soportado por ambos resortes. Si ambos resortes son de las mismas caracteristicas y si tuviesen relacion de longitudes en reposo 9 a 1, querria decir que el resorte principal se habra alargado 9 cm y el resorte secundario 1 cm. En estos dos resortes se habra almacenado energia, en forma de energia potencial elastica, en una cuantia con la misma relacion 9 a 1.

Con la retirada de la ola, la boya flotante bajara, el eje en la “seccion A” girara en sentido levogiro. Con la llegada de sucesivas olas, la boya flotante volvera a subir y se seguiran tensionando mas los resortes acumulando mas energia.

El eje en la “section B” no puede girar en sentido levogiro porque se lo impide la carraca. Con los resortes tensionados, existen unas fuerzas que tiran del cilindro en sentido de hacerlo girar en el mismo sentido que el eje (dextrogiro), por tanto girara si el par antagonista no es muy elevado. Como se ve, el eje girara en sentido dextrogiro y el cilindro tambien (de ahi la expresion de "... doble giro ...” en el titulo de la patente).

La transmision de la energia almacenada en el acumulador a la carga, a otro sistema, se hace a traves de la corona dentada solidaria con el cilindro a traves de engranajes, cadena,cinta, ...

Si los resortes se tensionan mas, en el cilindro se podra obtener un mayor par. Si los resortes se tensionan al doble, al haber aumentado al doble el angulo diferencial de

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giro, el par que se obtendra en el cilindro sera tambien el doble (y la energia almacenada sera cuatro veces mayor).

El pinon-eje (6) y la carraca (7) no forman parte del “Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion”. Se incorporan a las figuras que se adjuntan solo a efectos de explicar la forma de operation.

Los terminos de extremos o section de “Potencia” y “Resistencia” han de entenderse como en la nomenclatura de la Ingenieria Mecanica clasica (a modo de ejemplo, y mutatis mutandis, en la ley de la palanca “Potencia por su brazo es igual a Resistencia por el suyo”).

No se considera necesario hacer mas extensa esta descripcion para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invention y las ventajas que de la misma se derivan

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

En la figura 1 se representa una boya (marcada con el numero 2) flotando en el mar, oscilando verticalmente en presencia de olas (1). La boya transmite el movimiento a traves de un mastil (unido rigidamente a la boya) incorporando una cremallera (4) que engrana con el pinon (5).

Cuando llega una ola, debido al empuje de Arquimedes (3), el conjunto boya-mastil sube, y hace girar al pinon en sentido dextrogiro. El pinon esta unido rigidamente al eje-pinon (6) que girara por tanto en sentido dextrogiro. Si el eje-pinon gira en sentido dextrogiro, la carraca (7) transmite el movimiento de giro hacia el eje de entrada (8) al acumulador. Si el eje-pinon gira en sentido levogiro, la carraca no transmite el movimiento hasta el eje de entrada

Con el numero 9 se representa el cilindro que contiene el conjunto de elementos del acumulador. Es de este acumulador del que trata la presente invencion.

En la figura 2 se representa una posible constitution de “Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion”. Una explication mas detallada se hara en el siguiente apartado: Realization preferente de la invencion.

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En la Figura 3 se representa una vista parcial desde una de las bases del acumulador, indicandose una propuesta de ubicacion de algunos elementos, entre ellos los resortes principales. Puede verse tambien la corona dentada unida a la cara exterior del cilindro.

En la Figura 4 se indica otra propuesta de “Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion” con otros componentes. Se sustituye el polipasto por un tren de engranajes. Es un diseno mas compacto, mas fiable y apto para mayores potencias. El inconveniente con respecto al diseno de la Figura 2 es que es mas caro. Una forma de abaratarse -aunque perdiendo cualidades- seria, por ejemplo, substituir el engranaje pinon-rueda por una transmision por cadena.

La figura 5 representa sobre unos ejes de coordenadas la funcion Tension - Deformation para el acumulador que monta resortes de traccion sin pre-tension (linea recta inferior) y con pre-tension (linea recta superior). La mismas lineas representan la funcion Par - Angulo de giro diferencial.

Con la linea dibujada con trazo y punto se representa el comportamiento que tendria el acumulador si en vez de montar resortes de traccion (tal como propone la presente invention) se hubiesen montados resortes en espiral.

Se enumeran a continuation los elementos a los que se hace referencia en los dibujos:

I. - Superficie del mar. Ola

2. - Boya flotante

3. - Fuerza de Arquimedes (Empuje de flotation)

4. - Mastil-cremallera

5. - Pinon

6. - Eje pinon (Pinon-eje)

7. - Mecanismo de trinquete. Carraca.

8. - Eje entrada (al acumulador)

9. - Cilindro. Carcasa envolvente.

10. - Corona dentada, rueda de cadena, engranaje...

II. - Polipasto

12.- Resorte secundario.

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13. - Roldana

14. - Cojinete

15. - Plato-tambor

16. -Pinon sobre el eje

17. - Rueda dentada

18. - Tambor

19. - Resorte principal.

20. - Cable flexible

21. - Seccion A

22. - Seccion B

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

Se escoge como realizacion preferente el diseno mostrado en la Figura 2. Vamos a suponer, tanto para el cilindro como el eje, giros dextrogiros.

El acumulador objeto de la presente invencion presenta el aspecto exterior de un cilindro que hace de carcasa (9) y un eje (8). Ambos, cilindro y eje, son giratorios y estan disenados para girar -no de forma solidaria- en el mismo sentido. Sobre el cilindro va montado unicamente, solidariamente y de forma concentrica, en su parte exterior, una rueda dentada (10) para transmitir el movimiento (y la energia) a otro elemento extemo. Todos los demas elementos del acumulador se alojan dentro del cilindro.

Para la explication que sigue vamos a suponer que el cilindro permanece quieto.

El acumulador objeto de la presente invencion consta de un eje (8) a traves del que se recibe la energia de entrada con un movimiento de rotation dextrogiro. Sobre este eje va montado concentricamente, de forma solidaria, un plato con forma de tambor (15) sobre el que, segun se produce un giro dextrogiro del eje, va enrollandose el extremo de un cable. Este extreme del cable es el que corresponde al extremo de la “Potencia” del polipasto. Al otro extremo del polipasto, el que corresponde al sistema de poleas moviles (11), “Resistencia”, se une el extremo de un muelle (12) (que llamaremos muelle o resorte secundario); el otro extremo de este muelle se une

a otro cable (20) que termina en el extremo movil del resorte principal (19). El extremo fijo del resorte principal se une firmemente al cilindro (9).

El conjunto de Resorte principal-cable-resorte secundario-polipasto (que podemos llamar “conjunto a traccion”) podria disponerse alineado en linea recta, pero ello 5 obligaria a montar un cilindro (carcasa) muy largo (aunque de menor diametro). Puede hacerse un montaje con un cilindro mas corto, con los elementos dispuestos en U, con roldanas en los cambios de direction. Este es el diseno que se representa. Pueden montarse otros conjuntos de traccion de forma simetrica a los anteriores (no estan representados), con los cables de “Potencia” enrollandose tambien en otro 10 plato-tambor simetrico (este si esta representado).

Los terminos en que se ha descrito esta memoria deberan ser tornados siempre en sentido amplio y no limitativo.

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Claims (5)

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   REIVINDICACIONES

   1Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion, que comprende : un eje giratorio y un cilindro giratorio a modo de carcasa; el cilindro contiene una corona dentada exterior solidaria; el eje contiene un tambor solidario sobre el que se enrolla el final del cable de un polipasto (extremo de Potencia) ; el otro extremo del polipasto (extremo de Resistencia) se une a una serie formada por un resorte de traccion secundario, un cable y un resorte de traccion principal; el otro extremo de este resorte de traccion principal va sujeto al cilindro.
2. 2.- Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion, segun revindication 1 que comprende varios conjuntos de polipasto mas la serie formada por un resorte de traccion secundario, un cable y un resorte de traccion principal.
3. 3. - Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion segun reivindicaciones 1 y 2 en el que se substituye uno o mas resortes de traccion por elementos elasticos a la traccion.
4. 4. - Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion, que comprende un eje giratorio y un cilindro giratorio a modo de carcasa; el cilindro contiene una corona dentada exterior solidaria; el eje contiene un tren reductor de velocidad cuya salida arrastra a un tambor sobre el que se enrolla un cable que realiza un esfuerzo de traccion sobre un conjunto en serie formado por un resorte de traccion secundario, un cable y un resorte de traccion principal; el otro extremo de este resorte de traccion principal va sujeto al cilindro.
5. 5. - Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traccion que comprende un eje giratorio y un cilindro giratorio a modo de carcasa; el cilindro contiene una corona dentada exterior solidaria; el eje contiene un tren reductor de velocidad con varias salidas, cada salida arrastra a un tambor sobre el que se enrolla

   un cable que realiza un esfuerzo de traction sobre un conjunto en serie formado por un resorte de traction secundario, un cable y un resorte de traction principal; el otro extremo de este resorte de traction principal va sujeto al cilindro.

   5 6.- Acumulador mecanico rotativo, de doble giro, con resortes de traction

   segun reivindicaciones 4 y 5 en el que se substituye uno o mas resortes de traction por elementos elasticos a la traction.

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