ES2706521T3 - Sistema de tracción y suspensión - Google Patents

Abstract

Sistema de suspensión (20) para un vehículo con bastidor, que comprende un elemento (R, 12) propulsor rodando en el suelo, caracterizado por dos unidades (12a, 12b) adaptadas para impartir un par de torsión al elemento propulsor en el mismo sentido de rotación para que gire alrededor de un eje de rotación (X) para hacer avanzar el vehículo, pudiéndose las unidades · controlar independientemente entre sí para el par ejercido por cada unidad en el elemento propulsor, · mover en relación con el elemento propulsor independientemente una de la otra, y · conectar de forma rígida al bastidor en un mismo punto (P), de modo que al mover una o cada unidad en relación con el elemento propulsor, la distancia entre este último y dicho punto puede variar.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de tracción y suspensión

La invención se refiere, en general, a un sistema de tracción y suspensión, en particular en vehículos eléctricos. Cuando la rueda de un vehículo se desplaza en un terreno accidentado y encuentra un agujero o alguna deformación de la superficie de la carretera, pierde adherencia y se levanta del suelo de manera irregular. La suspensión debe contrarrestar este efecto y los amortiguadores absorben el rebote/oscilación de la suspensión. La naturaleza de los vehículos eléctricos permite una mayor simplificación de los mismos, tanto que en las últimas generaciones la tracción se ha trasladado directamente a las ruedas y, por consiguiente, el peso de la rueda ha aumentado (hasta aproximadamente 30 kg), mientras que el del vehículo en general puede ser aún más bajo.

Dado que la fuerza elástica de la suspensión es aproximadamente el peso del vehículo dividido por el número de ruedas, el comportamiento dinámico de la rueda está menos controlado porque la suspensión debe actuar sobre una masa mayor. Algunos fabricantes recuperan estabilidad al agregar una unidad lineal en paralelo o en lugar de la suspensión, pero parece inadecuado resolver el problema aumentando la complejidad (especialmente en el control) cuando el objetivo inicial era y siempre será reducirlo.

El documento WO 00/38936, que comprende las características mencionadas en el preámbulo de la reivindicación 1, desvela un motor eléctrico con una armadura, ambos integrados en una rueda. La armadura está conectada a dos brazos de articulación de la dirección.

Por consiguiente, se desea obviar uno o más de estos problemas, con un sistema y/o método de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas, en el que los dependientes definen variantes ventajosas.

En particular, se presenta un sistema de suspensión para un vehículo de acuerdo con la reivindicación 1 con un bastidor, que comprende un elemento propulsor rodando en el suelo (por ejemplo, una rueda u oruga).

Las dos unidades son móviles con respecto al elemento propulsor independientemente entre sí y se pueden conectar rígidamente al bastidor (o a la carrocería del vehículo) en un mismo punto, de modo que al mover una o cada unidad con relación al elemento propulsor (o rodante) la distancia entre este último y dicho punto varía.

Este conjunto (véase la Figura 2) permite utilizar las dos unidades tanto para transferir el par al elemento propulsor como para ajustar el nivel o la distancia (por ejemplo, con respecto al suelo o al elemento propulsor) del bastidor. Esto da como resultado una gran compacidad, alta densidad de potencia, simplificación mecánica y, por lo tanto, fiabilidad, menos peso y volumen. Además, uno se deshace de una unidad auxiliar, que no genera par, para ajustar dicho nivel. Otras ventajas importantes del sistema son que permite equipar el vehículo con suspensiones activas, capaces de adaptar la distribución del vehículo a la carretera y las condiciones de conducción, y que se integra fácilmente a las normas de suspensión más comunes, lo que permite su instalación en vehículos tanto nuevos como existentes.

El sistema también funciona cuando el elemento propulsor está quieto, gracias a las fuerzas de reacción al par ejercido por las unidades. Para transformar el sistema en un sistema de tracción es suficiente que el par de torsión ejercido por las dos unidades en el elemento rodante tenga las mismas direcciones.

Las unidades son móviles con respecto al elemento propulsor, uno puede ajustar su posición con respecto al último a través del control del par ejercido por cada unidad en el elemento propulsor. Ajustar la posición de una o cada unidad se traduce en un ajuste de la posición o nivel de dicho punto y, por lo tanto, del bastidor.

Preferentemente, una o cada unidad está acoplada de manera giratoria al elemento propulsor para poder moverse alrededor del eje de rotación de este último.

Esta solución permite la integración compacta del sistema dentro de una rueda y logra un acoplamiento simple y equilibrado al elemento propulsor, en particular cuando las unidades están dispuestas de manera sustancialmente simétrica con respecto a un plano (en uso, por ejemplo, vertical) que pasa a través de dicho eje de rotación ( o en lados opuestos de la rueda).

Preferentemente, una o cada unidad comprende un motor eléctrico, un medio que es compacto y se integra fácilmente, por ejemplo. en una rueda. Para realizar el motor eléctrico, preferentemente una o cada unidad comprende un devanado eléctrico adaptado para cooperar con una pieza magnética montada en el elemento propulsor, o viceversa, para generar un par por inducción electromagnética. En particular, la pieza magnética está montada radialmente en forma de peine alrededor de dicho eje de rotación y el devanado puede estar dispuesto en forma de peine entre los imanes, de manera interdigitada. Esta configuración garantiza compacidad, alta transferencia de par y densidad, bajo flujo de fugas y un enfriamiento forzado de los devanados.

Preferentemente, el devanado de una o cada unidad es integral con un elemento en forma de campana conectado a través de un brazo rígido a dicho punto.

Para controlar el nivel de dicho punto, una o cada unidad (o el sistema) comprende un circuito electrónico adaptado para impulsar el devanado de la unidad y para ajustar su posición angular alrededor del elemento propulsor. Por lo tanto, la estructura magnetoeléctrica del motor se explota para hacer que realice también la función de posicionar las unidades. Por ejemplo, mediante un inversor y bucles de retroalimentación asociados, ambos pueden controlar el par y la posición de un rotor eléctrico.

También se propone un método para variar la distancia de un bastidor de un vehículo desde un elemento propulsor rodante en el suelo, como en la reivindicación 11.

Las variantes descritas en el presente documento para el sistema también son variantes de las fases del método y por brevedad no se repetirán. Lo mismo se aplica a las ventajas del método.

Las ventajas de la invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción de una realización preferida de una rueda motriz, haciendo referencia al dibujo adjunto en el que

las figuras 1 y 2 muestran un diagrama del principio;

la figura 3 muestra un diagrama simplificado de una rueda motriz;

la figura 4 muestra una vista frontal de una rueda motriz;

la figura 5 muestra una sección transversal vertical a lo largo del plano VII-VII de la figura 4;

la figura 6 muestra una vista tridimensional de la rueda de la figura 4.

La figura 7 muestra componentes aislados de la sección transversal vertical de la figura 4;

la figura 8 muestra una vista lateral de un estator;

la figura 9 muestra una vista frontal del estator de la figura 8;

la figura 10 muestra una vista ampliada del círculo C5 de la figura 8;

la figura 11 muestra una vista ampliada del círculo C6 en la figura 7.

En las figuras, números idénticos indican piezas idénticas o conceptualmente similares.

Para entender el funcionamiento de la invención, el principio básico se demuestra en la figura 1. El sistema 10 comprende una pista 12 en la cual, y con respecto a la cual, dos unidades 12a, 12b pueden deslizarse con velocidades relevantes va, vb. La pista 12 tiene una referencia REF cero, en comparación con la cual las unidades 12a, 12b están separadas respectivamente por una distancia Da, Db. La velocidad va, vb y/o las distancias Da, Db se pueden ajustar de forma independiente mediante un control (no mostrado).

Cada unidad 12a, 12b está conectada a un mismo punto P por medio de respectivos brazos rígidos 14a, 14b. El punto P está en un nivel h con respecto a las unidades 12a, 12b.

Cuando las velocidades va, vb no son iguales, el diferencial de velocidad hará que las unidades 12a, 12b se acerquen más o más allá en la pista 12 y, por consiguiente, el nivel h varíe. Por lo tanto, al controlar las velocidades va, vb y/o las distancias Da, Db, se puede controlar el nivel h.

Tenga en cuenta que en el sistema 10, el control del nivel h es independiente de (i) el posible movimiento de la pista 12 en relación con el observador y (ii) del tipo de contacto entre las unidades 12a, 12b y la pista 12 (por ejemplo, contacto deslizante o rodante o cualquiera).

Imaginando ahora envolver circularmente sobre sí misma la pista 12, se obtiene el sistema 20 de la figura 2. La pista 12 se ha convertido en una rueda o llanta R de un vehículo y sobre ella hay montadas dos unidades 12a, 12b adaptadas para impartir a la rueda R, con independencia entre sí, un par, por ejemplo, un par equidireccional para hacerlo rotar (Véase la flecha F). Las unidades 12a, 12b pueden girar independientemente alrededor del eje de la rueda R y articularse, en los puntos Pa, Pb, con brazos rígidos 14a, 14b que convergen en un solo punto P integral con el chasis del vehículo y con el nivel h con respecto al eje de la rueda R.

Dos controladores Ca, Cb controlan y operan independientemente el par impuesto por cada unidad 12a, 12b a la rueda R, y, por lo tanto, también la posición angular de cada unidad 12a, 12b.

Controlando el par y/o controlando la posición de las unidades 12a, 12b con respecto a la rueda R, los controladores Ca, Cb no solo pueden determinar la velocidad de la rueda R, sino también la posición relativa de las unidades 12a, 12b, y así el nivel h. Una ubicación diferente en un nivel h2 del punto P, cuando las unidades 12a, 12b se han acercado entre sí, se muestra con una línea de puntos.

Cabe destacar que en el sistema 20 el control del nivel h es independiente

del movimiento de la rueda R, y

de la forma en que las unidades 12a, 12b transfieren el par a la rueda R (podrían comprender engranajes enganchados con un diente en la rueda R o correas, émbolos como en un tren de vapor, o medios de atracción o repulsión magnéticos o electrostáticos).

Otra ventaja del esquema de la figura 2 es que las fuerzas de reacción en las unidades 12a, 12b que se transmiten en los brazos 14a, 14b tienen direcciones opuestas, por lo que se cancelan en el punto P. Por lo tanto, cada unidad 12a, 12b puede impartir par en la rueda R, 12 sin crear inestabilidad o tensiones internas.

Para integrar el sistema 20 en un vehículo eléctrico, donde la tracción está localizada en las ruedas, se puede usar ventajosamente el esquema de la rueda 30 de la figura 3.

Una llanta 32 puede girar alrededor de un eje X y tiene un eje central 34 desde el cual los imanes 36 se extienden radialmente, dispuestos en forma de peine, cuyas líneas de campo desde el polo N hasta S son paralelas al eje X. Alrededor del eje 34 allí están montados, giratorios alrededor del eje X independientemente uno del otro, dos campanas circulares 40, 50 que llevan los devanados 42, 52 dispuestos de forma interdigitada con los imanes 36. Los devanados 42, 52 son suministrados por inversores independientes (no mostrados y montados en las campanas 40, 50) y forman con los imanes 36 la estructura de un motor eléctrico, preferentemente el de un motor lineal sin hierro cerrado en círculo sobre sí mismo. A través de los inversores, cada campana 40, 50 y los devanados asociados 42, 52 pueden impartir un par en el eje 34 a través de la reacción magnética en los imanes 36. El par impreso por cada inversor está controlado independientemente, y cada inversor tiene señales conocidas y circuitos de realimentación posicional que también permiten controlar la posición angular de cada campana 40, 50 sobre el eje X.

Cada campana 40, 50 está integrada con un elemento rígido 44, 54 que sale de la rueda 30 y está conectado, en los puntos Pa, Pb, a brazos rígidos iguales a los brazos 14a, 14b de la figura 2.

Por lo tanto, se entiende que la estructura de la figura 3 es una realización compacta y totalmente integrada en la rueda del diagrama de la figura 2.

Las figuras 4-7 muestran un ejemplo constructivo de la rueda motorizada o elemento equivalente propulsor al rodar en el suelo.

La figura 4 ilustra, por ejemplo, la reducción a la práctica del diagrama de la figura 3 y, por simplicidad, mantiene las mismas referencias numéricas para las piezas que son conceptualmente similares. En la figura 4 se pueden apreciar cinco imanes o anillos magnéticos 36 fijados al eje 34 y dispuestos en forma de peine, y entre los imanes 36 hay cuatro devanados anulares: dos indicados por 42 que se extienden desde una primera campana 40, y dos indicados por 52 que se extienden desde una segunda campana 50. Los devanados 42, 52 están dispuestos en planos paralelos entre sí y radialmente con respecto al eje X.

En las figuras, los rodamientos, indicados con C, son notables en los cuales se montan las campanas 40, 50 para hacerlas girar alrededor del eje X, con respecto al eje 34, independientemente uno del otro. Las campanas 40,50 son, por ejemplo, discos con bordes circulares o anillos en los que los devanados son integrales.

Cada campana 40, 50 se extiende hacia el exterior de la rueda, desde el lado interior hacia una suspensión 72 (véanse las figuras 5-7), con un pasador respectivo 90, 94, sobre el cual descansa un brazo rígido respectivo 80, 82 ( véanse las figuras 4-6) que tiene la función de los brazos 14a, 14b. De hecho, los brazos 80, 82 convergen hacia y se fijan a un bloque 84, a su vez, fijado al chasis del vehículo (no mostrado). La suspensión 72 comprende una horquilla 76 conocida en cuyo extremo está montado de manera giratoria el eje 34, que se mantiene en su lugar también mediante una segunda horquilla 74. Un amortiguador 78 conocido conecta la horquilla 76 con el bastidor. Los devanados 42, 52 cooperan con los imanes 36, como un motor eléctrico, para impartir un par equidireccional al eje 34, y luego a un neumático (no mostrado) que lo descarga al suelo para hacer avanzar el vehículo. Los devanados 42, 52 son controlables independientemente entre sí por medio de, por ejemplo, inversores (no mostrados) o circuitos electrónicos similares.

La posición de la pieza magnética de la rueda, los imanes 36, se puede intercambiar con los devanados 42, 52. El número de los imanes 36 y los devanados 42, 52 puede variar en función de la potencia deseada en la rueda. Las figuras 8-9 muestran la estructura de un estator 96 de la estructura del motor eléctrico en la figura. 7; en particular, ilustra cómo el estator 96 alberga una pluralidad de imanes 36 (solo se muestran algunos). Los imanes 36 están dispuestos a lo largo de las direcciones radiales con respecto al eje X (y al eje 34), y están apoyados de esa manera por una corona circular 99 que los aloja en aberturas pasantes complementarias para ser expuestas en dos caras opuestas de la corona 99. Cada imán 36 es una placa cuyas superficies principales (ortogonales al espesor) se exhiben y son un asiento para diferentes polos magnéticos. En otras palabras, las líneas de campo magnético LN salen del imán 36 aproximadamente perpendicular a dichas superficies principales.

La figura 10 muestra con líneas discontinuas la polaridad de un imán 36, donde con N se indica el polo norte y con S el polo sur (también en la figura 11) y se muestra una línea de campo magnético LN de ejemplo. Los imanes 36 están montados de manera tal que cada cara del rotor 96 tiene imanes 36 que tienen una polaridad opuesta al imán 36 adyacente. Es decir, que viajan, por ejemplo, en el sentido de las agujas del reloj, la corona circular 99, se encuentra un imán 36 con un polo norte, luego un imán 36 con un polo sur, luego un imán 36 con un polo norte, y así sucesivamente. La figura 9 muestra como ejemplo la secuencia polar para cuatro imanes.

En la figura 11 se muestra que las líneas LN del campo magnético se desarrollan entre los imanes 36 y los devanados 42, 52.

Un solo devanado 42, 52, a su vez distribuido sobre una corona circular, se coloca de forma que pueda girar entre dos estatores 96. Con respecto a estos dos estatores, en un lado del devanado 42, 52, las líneas de campo LN de un polo N de un imán 36 montado en un estator 96 convergen y en un lado opuesto del mismo devanado 42, 52, las líneas de campo LN de un polo S de un imán 36 presente en el estator 96 convergen.

Como se puede ver, el paquete magnético es muy compacto y las líneas LN tienen poca dispersión. Esto permite tener un motor eléctrico con alta densidad de potencia y alto par, tanto para la tracción como para el frenado, una ventaja ideal para una rueda con aparato de conducción integrado.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de suspensión (20) para un vehículo con bastidor, que comprende un elemento (R, 12) propulsor rodando en el suelo,

caracterizado por

dos unidades (12a, 12b) adaptadas para impartir un par de torsión al elemento propulsor en el mismo sentido de rotación para que gire alrededor de un eje de rotación (X) para hacer avanzar el vehículo, pudiéndose las unidades

• controlar independientemente entre sí para el par ejercido por cada unidad en el elemento propulsor, • mover en relación con el elemento propulsor independientemente una de la otra, y

• conectar de forma rígida al bastidor en un mismo punto (P),

de modo que al mover una o cada unidad en relación con el elemento propulsor, la distancia entre este último y dicho punto puede variar.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que una o cada unidad están acopladas de manera giratoria al elemento propulsor para que pueda moverse alrededor del eje de rotación (X).

3. Sistema según la reivindicación 2, en el que las unidades están dispuestas sustancialmente simétricas con respecto a un plano que pasa a través de dicho eje de rotación.

4. Sistema según la reivindicación 3, en el que dicho plano es, en uso, vertical.

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una o cada unidad comprenden un motor eléctrico.

6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una o cada unidad comprenden un devanado eléctrico (42, 52) adaptado para cooperar con una pieza magnética (36) montada en el elemento propulsor, o viceversa, para generar un par por inducción electromagnética.

7. Sistema según la reivindicación 6, en el que la pieza magnética (36) está montada radialmente en forma de peine alrededor de dicho eje de rotación y el devanado está dispuesto en forma de peine entre los imanes, de manera interdigitada.

8. Sistema según las reivindicaciones 6 o 7, en el que el devanado de una o de cada unidad forma parte integral de un elemento en forma de campana (44, 54) conectado a través de un brazo rígido (80, 82) a dicho punto.

9. Sistema según las reivindicaciones 6 u 7 u 8, que comprende para una o cada unidad un circuito electrónico (Ca, Cb) adaptado para impulsar su devanado y ajustar la posición angular alrededor del elemento propulsor.

10. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las unidades están dispuestas de manera sustancialmente simétrica con respecto al eje de rotación (X) del elemento propulsor.

11. Método para variar la distancia (q) de un bastidor de un vehículo desde un elemento propulsor rodante en el suelo, en el que

- se imparte un par en el elemento propulsor en dos puntos distintos (Pa, Pb) que están conectados rígidamente al bastidor,

- se varía la posición de los dos puntos respecto al elemento propulsor.

12. Método según la reivindicación 11, en el que el par impartido sobre el elemento propulsor en dichos puntos (Pa, Pb) está en el mismo sentido de rotación para hacer que el elemento propulsor gire alrededor de un eje de rotación (X) para hacer avanzar el vehículo.