ES2920398B2 - Rueda motriz por transmision pendular de potencia con recuperacion mecanica de parte de la energia de frenada - Google Patents

Rueda motriz por transmision pendular de potencia con recuperacion mecanica de parte de la energia de frenada Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
RUEDA MOTRIZ POR TRANSMISIÓN PENDULAR DE POTENCIA CON RECUPERACIÓN MECÁNICA DE PARTE DE LA ENERGÍA DE FRENADA
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención tal y como expresa su enunciado, se refiere a una rueda motriz por transmisión pendular de potencia con recuperación mecánica de parte de la energía de frenada, accionada a través de una transmisión pendular de potencia, capaz de almacenar y restituir mecánicamente la energía de frenada a través de un mecanismo pendular, que le permite a continuación, arrancar suavemente el vehículo, exigiendo menos par de arranque al motor. Esto supone el uso de motores más pequeños con menos gasto de energía y, por tanto, menos contaminantes. El objetivo técnico del presente diseño es lograr que la fuerza motriz llegue a la rueda por el camino más corto y de la forma más suave.
Los vehículos acondicionados con esta tecnología serán adecuados para utilizarse en circuitos con frecuentes paradas y arrancadas, como es el caso de los autobuses urbanos.
Se trata pues, de conseguir vehículos para transporte urbano que necesiten menor potencia para acelerarse, y ejerzan, por su ligereza, menor presión específica sobre el pavimento, proporcionando más confort de marcha a los viajeros, y obteniendo como resultado ciudades más limpias y silenciosas.
CAMPO DE APLICACIÓN.
El campo de aplicación de la presente patente de invención se encuentra dentro del sector del diseño, construcción y utilización de vehículos para el transporte urbano.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.
El vehículo eléctrico representa el futuro dentro del trasporte urbano. Casi todos los fabricantes adaptan soluciones más o menos originales ofreciendo una gran gama de vehículos sólo eléctricos o híbridos, que ayudan a paliar el problema de la contaminación generada por el transporte en la ciudad.
Habitualmente los autobuses urbanos disponen de motor, embrague, caja de cambios, transmisión y diferencial, con el único objeto de llevar la potencia al eje de las ruedas motrices que, en contacto con el suelo, mueven el vehículo.
Conseguir autobuses de menos inercia, que sean capaces de arrancar con bajos pares motores por disponer de energía potencial adicional en el péndulo, basados en estructuras (chasis) menos sobrecargadas, es la filosofía del diseño objeto de la presente invención, constituyendo por si solo una novedad dentro del campo de aplicación, debiendo señalarse que por parte del solicitante no se tiene semejantes.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
Habitualmente los autobuses urbanos disponen de motor, embrague, caja de cambios, transmisión y diferencial, con el único objeto de llevar la potencia al eje de las ruedas motrices que, en contacto con el suelo, mueven el vehículo.
El objetivo técnico de la patente que se solicita es que la potencia llegue a la rueda por el camino más corto y de la forma más suave. El presente diseño sitúa todos los componentes de la transmisión de potencia, directamente sobre el eje de la rueda motriz, y no sobre el chasis.
Los autobuses urbanos son vehículos que están constantemente arrancando y parando, consiguiendo una velocidad media de unos 12 Km/h.
De ahí que, para arrancar y parar con frecuencia, la potencia se gasta principalmente en acelerar la masa del autobús.
Por tanto, es necesario tener el peso allí donde éste contribuye a la tracción, es decir en las ruedas motrices, siendo conveniente reducir el peso total, para minimizar las inercias, y con ello la potencia y los consumos.
En la presente invención, los pesos del motor y transmisión se sitúan en el eje de la rueda motriz, contribuyendo a mejorar la tracción, incluso cuando el vehículo está vacío.
Por otra parte, al no necesitar soportar los pares debidos al motor, y a la transmisión, el chasis podrá ser más ligero.
Actualmente un autobús urbano pesa en vacío unas 13 tm, para transportar 50 personas de 75 Kg, es decir 3,75 tm, con la relación Tara / Carga = 3,33
Con la presente patente de invención para transportar las mismas 50 personas se podría llegar a una tara de 5 tm, es decir se conseguirá una relación Tara / Carga = 1,33
Otra forma de trasmitir la potencia hasta el eje de la rueda de forma progresiva es utilizando un péndulo oscilante que actúe como brazo de palanca, para trasmitir el par motor hasta la rueda motriz; esta es parte de la presente innovación.
Si el eje de rotación del péndulo es concéntrico al eje rápido del reductor epicicloidal, el par de entrada provocado por el péndulo, se convertirá en un par mayor en el eje de salida del reductor, donde se Un motor entrega su potencia mecánica con un bajo par a altas revoluciones, por el contrario, la rueda tractora necesita un alto par a bajas vueltas, de ahí que el mejor nexo de unión entre ambos sea un reductor epicicloidal que por su concepción dispone sus ejes de forma coaxial. Por tanto, esta disposición es la más adecuada para esta aplicación, como así se demuestra en la presente solicitud de patente de invención.
Por otra parte, el péndulo es el mecanismo más sensible, ya que puede oscilar con pequeñas fuerzas que lo desequilibren, de ahí que sea un mecanismo ideal para ubicar el motor, para que en su arrancada se le exija un menor par.
Conforme el péndulo se eleva, el par de reacción aumenta, entregándolo de forma progresiva a través del reductor epicicloidal, a la rueda, hasta que dicho par pendular vence al par de reacción de la rueda y el vehículo arranca. En el proceso de frenada, el motor actuará como generador y el péndulo se elevará en sentido contrario al de la marcha.
A su vez el péndulo permite trasformar energía potencial en cinética al descender y viceversa. Por tanto, es un mecanismo adecuado para almacenar de forma mecánica la energía de la frenada, al elevarse como consecuencia del par de reacción que opone el freno motor y mantiene esa posición mediante las pinzas de freno ubicadas en el brazo oscilante del péndulo.
El conductor mantendrá el freno activado (péndulo elevado) mientras el autobús está detenido, desactivándolo para arrancar, lo que provocará que el péndulo descienda en dirección de la marcha, entregando su energía potencial a la rueda, recuperando así buena parte de la energía de la frenada.
El mecanismo descrito, resuelve a la perfección la problemática de los vehículos con frecuentes arrancadas y paradas, que se desplazan a velocidades moderadas.
Así pues, la nueva rueda motriz por transmisión pendular de potencia representa una solución innovadora de características y funcionamientos desconocidos hasta ahora para tal fin, razones que unidas a su utilidad práctica, dotan a la presente solicitud de patente, de fundamento para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista alzado y perfil de una rueda motriz acoplada a la suspensión de un vehículo, componen, marcados y descritos como sigue:
1) Rueda con su llanta y disco.
2) Buje de rueda solidario al eje lento del reductor.
3) Reductor epicicloidal con sus ejes coaxiales (lento y rápido).
4) Eje lento del reductor.
5) Eje rápido del reductor, donde ataca la trasmisión pendular.
6) Brazo oscilante del péndulo.
7) Rodamiento del que pende el brazo oscilante del péndulo.
8) Motor ubicado en el extremo del brazo oscilante pendular.
9) Acoplamiento con embrague electromagnético, que libera el piñón (10).
10) Piñón.
11) Correa dentada de la transmisión.
12) Contrapeso del brazo oscilante pendular.
13) Disco de freno, solidario a la carcasa del reductor (3)
14) Pinza de freno solidaria al brazo oscilante del péndulo (6)
15) Soporte de la carcasa del reductor que lo une a la suspensión.
16) Brazo u horquilla articulado de la suspensión.
17) Amortiguador de la suspensión.
18) Topes elásticos de desplazamiento angular del brazo.
19) conjunto pendular (6 8 9 10 11 12)
Figura 2.- Muestra un ejemplo de aplicación de la rueda motriz propulsando un autobús de tres ruedas.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.
Siguiendo la numeración reflejada en las figuras, se va a dimensionar una realización preferente de la invención, a aplicar a un autobús urbano con los siguientes requisitos:
Velocidad máxima 55 km/h
Pendiente máxima a vencer 6%
Aceleración 0-30 km/h < 8 segundos (s)
Peso vehículo sin carga 5.000 kg
Número pasajeros máx. 50
Peso máx. en marcha 8.800 kg
Número de ruedas motrices una
Diámetro rueda motriz 2 m
A partir de estos requisitos se va a calcular la potencia y el par motor a aplicar en el eje (4) de la rueda (1) para vencer una pendiente del 6% equivalente a un ángulo de □= 3,43°.
Fp = M x g x sen= 5.165 N que aplicada sobre un radio R= 1 m supone disponer en el eje (4) de un par de 5.165 Nm
Par máx. a aplicar en el eje de la rueda (4) para vencer la pendiente 5.165 Nm
Para rodar a 55 km/h = 15,28 m/s la rueda debería girar a:
15,28 x 60 / x 2 = 145,9 rpm
Para mantener esta velocidad en terreno llano, se deberán vencer las fuerzas de rodadura y las aerodinámicas, que se calculan a partir de los respectivos coeficientes: Kr = 0,006 Kd = 0,6, siendo el área proyectada en dirección a la marcha 2,5 x 3 = 7,5 m2
Fuerzas de rodadura Fr = M x g x Kr
Fr = 8.800 x 9,81 x 0,006 = 518 N
Fuerzas aerodinámicas Fa= / (área x daire x V2 x Kd)
1/2 (7,5 x 1,23 x 15,282 x 0,6)= 646 N
Por tanto, la potencia demandada para rodar en terreno llano a 55 Km/h será:
kW = (Fr Fa) Vm / 1000 = (518 646) x 15,28 / 1000 = 17,8 kW
Teniendo en cuenta las perdidas por el rendimiento en la transmisión de potencia:
Rendimiento reductor epicicloidal (3) 96%
Rendimiento transmisión pendular (6) 97%
Rendimiento total = 0,96 x 0,97 = 0,93
Por tanto la potencia a entregar por el motor será kW= 17,8 / 0,93% = 19,14 kW
Potencia necesaria motor (8) para rodar a 55 km/h = 19,14 kW
Para acelerar de 0 a 30 Km/h = 8,33 m/s en 8 segundos habrá que comunicar al vehículo una energía de:
E= / m x V2 = / x 8.800 x 8,332 = 305.311 Julios
Necesitando una potencia para acelerar el vehículo en 8 segundos de:
kW= 305.311 / 8 x 1.000= 38,16 kW
A esta potencia habrá que añadirle las correspondientes a las necesarias para vencer las resistencias de rodadura y aerodinámicas a esa velocidad (8,33 m/s) quedando como sigue:
kWrodadura = Kr x 8.800 x 8,332 = 3.664 W = 3,66 kW
kWaerodinamica = / (7,5 x 1,23 x 8,332 x 0,6) = 192 W = 0,19 kW
Por tanto la potencia necesaria para acelerar el vehículo a 30 km/h en 8 segundos será la suma de las tres potencias:
kW= 38,16 3,66 0,19 = 42,01 kW
Potencia para acelerar de 0-30 Km/h en 8 segundos = 42,01 kW
Determinadas las necesidades de par máximo en el eje (4) de la rueda (1) para vencer la pendiente del 6% y de la potencia máxima, se dimensionará la transmisión pendular y el motor (8) más adecuados teniendo presente que el par motor, debe ser compensado por el par del conjunto pendular (19) en posición de 90°.
capaz de aportar un par constante en el eje (4) de la rueda (1) de 5.165 Nm suficiente para vencer una pendiente del 6%.
La relación de transmisión total entre motor (8) y rueda (1) será:
i = 3600 / 145,9 = 24,67
Esta relación de transmisión total (24,67) se repartirá entre el reductor (3) y la transmisión pendular (19) como más convenga.
Por lo que el par demandado al piñón (10) de la transmisión, teniendo en cuenta un rendimiento global del 0,93 será:
5.165 / 24,67 x 0,93= 225 Nm
Por tanto, el motor (8) tendrá que disponer de una potencia mecánica en su eje, capaz de aportar un par de 225 Nm a 3600 rpm, con lo que su potencia será, de al menos:
kW = 225 x 3600 / 9,55 = 84,8 kW
Esta potencia mejorará las prestaciones en la fase de aceleración del vehículo acelerándolo en: 305.311 / (85 - (3,66-0,2) ) x 1000 = 3,76 segundos.
Este par en el piñón (10) de 225 Nm deberá ser compensado por el momento generado por el desplazamiento angular del conjunto pendular (19), hasta la horizontal. Como dispone de un brazo (6) del péndulo de 0,7 m, el peso del conjunto pendular (19) será de al menos 225 / 0,7 = 321 kg. De esta manera para vencer una pendiente del 6%, el conjunto pendular (19) se elevará hasta la horizontal, compensando con su peso el par motor, transmitido por el piñón (10).
Seleccionando un motor (8) síncrono de imanes permanentes de 85 kW modelo LSRPM 200 L1, que con un consumo nominal de 158 A a 400 V, es capaz de ceder un par constante de 225 Nm a 3.600 rpm, con un peso 168 kg. Será necesario complementar con contrapesos adicionales (12) hasta llegar a los 321 kg requeridos para equilibrar el par motor con el conjunto pendular (19).
Así pues, el conjunto pendular (19) compensará con su desplazamiento angular hasta 90°, el par motor aportado al eje rápido (5), para así conseguir a través del reductor (3) incrementar el par en el eje (4) que acciona la rueda (1).
Cuando se trate de recuperar la energía de la frenada, el conjunto pendular (19) se elevará, en sentido contrario al de la marcha, al actuar el motor (8) como generador, describiendo un ángulo de hasta 120°, elevando el conjunto pendular (19) hasta 1 m de altura y reteniéndolo, en esa posición, mediante la activación de las pinzas de freno (14) sobre el disco fijo (13), acumulando:
M x g x h = 321 x 9,81 x 1 = 3.150 Julios.
Energía que al desactivar el freno y arrancar, simultáneamente, se sumará a la del motor (8) facilitará el arranque del vehículo.
Esto supone una ayuda importante al motor (8) en fase de arranque, que proveniente de una acumulación mecánica de una parte de la energía de frenada.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en practica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciendo constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la practica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a modo de ejemplo, a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (2)

REIVINDICACIONES
1a Rueda motriz por transmisión pendular de potencia con recuperación mecánica de parte de la energía de frenada, caracterizada por desarrollarse a partir de un reductor epicicloidal (3), cuya carcasa (15) se fija a la suspensión (17) del vehículo a mover. Por el lado del eje lento (4) del reductor (3), se fija la rueda (1) con su freno de parking. Por el lado del eje rápido (5), encastado en su mangueta se monta un rodamiento (7), del que pende un brazo oscilante (6) en cuyo extremo se fija el motor (8) que acciona al eje rápido (5) a través de una transmisión por correa (11) cadena o caja de engranajes, formando un conjunto pendular (19). Sobre el mismo brazo (6) se montan pinzas de freno (14) que al activarse, mantienen el conjunto pendular (19) elevado por efecto del freno motor (8), recuperando en su descenso parte de la energía de frenada que se suma a la del motor (8) para arrancar el vehículo.
2a Rueda motriz por transmisión pendular de potencia con recuperación mecánica de parte de la energía de frenada, de acuerdo en todo con la reivindicación 1 a, caracterizada por estar dimensionada de tal manera que el par de reacción provocado por el conjunto pendular (19) en su desplazamiento angular, equilibra el par motor transmitido por el piñón (10), compensándolo y equilibrándolo.
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