IT201800006193A1

IT201800006193A1 - Veicolo stradale con cambio a singola frizione e con propulsione ibrida e relativo metodo di controllo

Info

Publication number: IT201800006193A1
Application number: IT102018000006193A
Authority: IT
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-11

Description

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“VEICOLO STRADALE CON CAMBIO A SINGOLA FRIZIONE E CON PROPULSIONE IBRIDA E RELATIVO METODO DI CONTROLLO”

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione è relativa ad un veicolo stradale con cambio a singola frizione e con propulsione ibrida e ad un relativo metodo di controllo.

ARTE ANTERIORE

Un veicolo ibrido comprende un motore a combustione a combustione interna, il quale trasmette la coppia motrice alle ruote motrici mediante una trasmissione provvista di un cambio, ed almeno una macchina elettrica che è collegata elettricamente ad un sistema di accumulo elettrico ed è collegata meccanicamente alle ruote motrici.

Durante la marcia del veicolo è possibile: una modalità di funzionamento termica, in cui la coppia motrice è generata solo dal motore a combustione ed eventualmente la macchina elettrica opera come generatore per ricaricare il sistema di accumulo elettrico; una modalità di funzionamento elettrica, in cui il motore a combustione è spento e la coppia motrice è generata solo dalla macchina elettrica operante come motore; oppure una modalità di funzionamento combinata, in cui la coppia motrice è generata sia dal motore a combustione, sia dalla macchina elettrica operante come motore. Inoltre, per aumentare l’efficienza energetica complessiva durante tutte le fasi di decelerazione, la macchina elettrica può venire utilizzata come generatore per realizzare una decelerazione rigenerativa in cui l’energia cinetica posseduta dal veicolo invece di venire completamente dissipata in attriti viene in parte convertita in energia elettrica che viene immagazzina nel sistema di accumulo elettrico.

Il collocamento della macchina elettrica all’interno del veicolo e, di conseguenza, il collegamento meccanico della macchina elettrica alle ruote motrici può risultare molto complesso in un veicolo esistente, in quanto in un veicolo esistente che non è stato specificamente progettato per la trazione ibrida è generalmente molto difficile trovare lo spazio necessario ad alloggiare la macchina elettrica. Di conseguenza, è spesso impossibile modificare un veicolo esistente per rendere il veicolo stesso ibrido; tale limitazione è particolarmente pesante, in quanto non permette di produrre un veicolo ibrido partendo da un veicolo esistente di tipo convenzionale, ma richiede una progettazione completamente nuova del veicolo ibrido. Di conseguenza, i costi di progettazione e sviluppo di un veicolo ibrido risultano elevati rendendo economicamente poco conveniente la commercializzazione di veicoli ibridi.

Le domande di brevetto US2005139035A1, US2002033059A1, US2008142283A1, DE102005004207A1 e DE102006059664A1 descrivono un cambio a doppia frizione per un veicolo ibrido, in cui uno dei due alberi primari del cambio a doppia frizione è angolarmente solidale al rotore di una macchina elettrica reversibile.

La domanda di brevetto EP2216193A1 descrive un cambio a doppia frizione per un veicolo ibrido, in cui una prima macchina elettrica reversibile è meccanicamente collegata ad un primo albero primario del cambio, ed una seconda macchina elettrica reversibile è meccanicamente collegata ad un secondo albero primario del cambio; sono previste una pluralità di macchine fluidodinamiche rotanti, ciascuna delle quali fornisce un servizio ausiliario al veicolo stradale ed è provvista di un albero girevole che è collegato ad almeno una delle due macchine elettriche reversibili.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è di fornire un veicolo stradale con cambio a singola frizione e con propulsione ibrida ed un relativo metodo di controllo, il quale veicolo stradale permetta di ridurre gli ingombri e le masse del sistema di motopropulsione e sia nel contempo di facile ed economica realizzazione.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un veicolo stradale con cambio a singola frizione e con propulsione ibrida ed un relativo metodo di controllo, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

Le rivendicazioni descrivono forme di realizzazione preferite della presente invenzione formando parte integrante della presente descrizione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

• la figura 1 è una vista schematica di un veicolo stradale con cambio a singola frizione e con propulsione ibrida realizzato in accordo con la presente invenzione; e • la figura 2 è una vista schematica di un sistema di motopropulsione ibrido del veicolo stradale della figura 1.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un veicolo stradale con cambio a singola frizione e con propulsione ibrida provvisto di due ruote 2 anteriori e di due ruote 3 posteriori motrici, che ricevono la coppia motrice da un sistema 4 di motopropulsione ibrido.

Il sistema 4 di motopropulsione ibrido comprende un motore 5 termico a combustione interna, il quale è disposto in posizione anteriore ed è provvisto di un albero 6 motore, ed una trasmissione 7 servocomandata, la quale trasmette la coppia motrice generata dal motore 5 termico a combustione interna verso le ruote 3 posteriori motrici. Il sistema 4 di motopropulsione ibrido comprende inoltre una macchina 8 elettrica reversibile (cioè che può funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando una coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica) che è meccanicamente collegata alla trasmissione 7 servocomandata.

La trasmissione 7 servocomandata comprende un albero 9 di trasmissione che è da un lato è angolarmente solidale all’albero 6 motore e dall’altro lato è meccanicamente collegato ad un cambio 10 a singola frizione servocomandato, il quale è disposto in posizione posteriore e trasmette il moto alle ruote 3 posteriori motrici mediante due semiassi 11 che ricevono il moto da un differenziale 12. La macchina 8 elettrica è meccanicamente collegata al cambio 10 a singola frizione come verrà meglio descritto in seguito ed è pilotata da un convertitore 13 elettronico di potenza collegato ad un sistema 14 di accumulo elettrico tipicamente costituito da un pacco di batterie chimiche eventualmente collegate in parallelo ad uno o più supercondensatori.

Il sistema 4 di motopropulsione è pilotato da una unità 15 di controllo elettronica che, tra le altre cose, regola la generazione della coppia motrice del motore 5 termico a combustione interna, la generazione/assorbimento di coppia della macchina 8 elettrica, e gli innesti delle marce nel cambio 10.

Secondo quanto illustrato nella figura 2, il cambio 10 a singola frizione comprende un albero 16 primario ed una frizione 17 che è interposta tra l’albero 16 primario e l’albero 9 di trasmissione (ovvero tra l’albero 16 primario e l’albero 6 motore del motore 5 termico a combustione interna in quanto l’albero 9 di trasmissione è di fatto un prolungamento dell’albero 6 motore). In altre parole, la frizione 17 è atta a collegare/scollegare l’albero 16 primario al/dal albero 9 di trasmissione (quindi al/dal albero 6 motore del motore 5 termico a combustione interna). Inoltre, il cambio 10 a singola frizione comprende un albero 18 secondario, il quale è angolarmente solidale ad un albero 19 di ingresso del differenziale 12 che trasmette il moto alle ruote 3 posteriori motrici attraverso i due semiassi 11; in particolare, è prevista una ruota 20 dentata che è calettata all’albero 18 secondario ed ingrana in modo permanente con una ruota 21 dentata che è calettata all’albero 19 di ingresso del differenziale 12 (le due ruote 20 e 21 dentate costituiscono un ingranaggio che rende l’albero 18 secondario angolarmente solidale all’albero 19 di ingresso).

Il cambio 10 a singola frizione illustrato nella figura 2 presenta sei marce avanti indicate con numeri romani (prima marcia I, seconda marcia II, terza marcia III, quarta marcia IV, quinta marcia V, sesta marcia VI); il cambio 10 è privo di retromarcia, in quanto la retromarcia viene realizzata in marcia elettrica invertendo il senso di rotazione della macchina 8 elettrica. L’albero 16 primario è meccanicamente accoppiato all’albero 18 secondario mediante una pluralità di ingranaggi 22, ciascuno dei quali definisce una rispettiva marcia e comprende una ruota 23 dentata primaria montata sull’albero 16 primario ed una ruota 24 dentata secondaria che è montata sull’albero 18 secondario ed ingrana permanentemente con la ruota 23 dentata primaria.

Nella forma di attuazione illustrata nella figura 2, ciascuna ruota 23 dentata primaria è calettata all’albero 16 primario per ruotare sempre in modo solidale con l’albero 16 primario stesso ed ingrana in modo permanente con la rispettiva ruota 24 dentata secondaria; invece, ciascuna ruota 24 dentata secondaria è montata folle sull’albero 18 secondario (ad esempio mediante l’interposizione di un corrispondente cuscinetto a sfere). Il cambio 10 a doppia frizione comprende per ciascuna coppia di ingranaggi 22 un corrispondente sincronizzatore 25, il quale è montato coassiale all’albero 18 secondario ed è atto a venire attuato per innestare la ruota 24 dentata secondaria di uno dei corrispondenti ingranaggi 22 all’albero 18 secondario (cioè per rendere la ruota 24 dentata secondaria di uno dei corrispondenti ingranaggi 22 angolarmente solidale all’albero 18 secondario).

Secondo una diversa, e perfettamente equivalente, forma di attuazione non illustrata, i tre sincronizzatori 25 sono spostati dall’albero 18 secondario all’albero 16 primario: in questa forma di attuazione, le ruote 24 dentate secondarie sono calettate all’albero 18 secondario per ruotare sempre in modo solidale con l’albero 18 secondario stesso mentre le ruote 23 dentate primarie sono montate folli sull’albero 16 primario e vengono innestate all’albero 16 primario stesso dai sincronizzatori 25.

Ciascun sincronizzatore 25 è ad innesto continuo (cioè del tipo cosiddetto “seamless” o “zero shift”) ovvero è in grado di innestare/disinnestare una ruota 24 dentata secondaria dall’albero 18 secondario anche quando la ruota 24 dentata secondaria è in presa, ovvero sta trasmettendo la coppia motrice dall’albero 16 primario all’albero 18 secondario, ed è in grado di trasferire la presa, ovvero la trasmissione della coppia motrice, da una ruota 24 dentata secondaria all’altra ruota 24 dentata secondaria senza interrompere la trasmissione della coppia motrice dall’albero 16 primario all’albero 18 secondario. Ad esempio, ciascun sincronizzatore 25 è realizzato come descritto nella domanda di brevetto WO2004099654A1 (depositata dall’azienda “ZeroShift Limited”) e comprende tre componenti: un anello di aggancio destro, un tamburo centrale solidale all’albero 18 secondario, un anello di aggancio sinistro speculare all’anello di aggancio destro; ciascun anello di aggancio ha tre denti: da un lato, il dente che si deve incastrare con la corrispondente ruota 24 dentata secondaria è piatto, dall’altro alto invece il dente è smussato per fare in modo che scivoli rapidamente fuori da un corrispondente scasso quando si deve eliminare la connessione tra la ruota 24 dentata secondaria e l’albero 18 secondario.

Quando si inserisce ad esempio la prima marcia, l’anello di aggancio adiacente alla ruota 24 dentata secondaria della seconda marcia viene spinto verso la ruota 24 dentata secondaria della prima marcia: i tre denti dell’anello di aggancio che, attraversano il tamburo centrale, ingranano, rendono solidale la ruota 24 dentata secondaria della prima marcia con il tamburo centrale. L’operazione si conclude avvicinando anche l’altro anello di aggancio che rende solidale la ruota 24 dentata secondaria della prima marcia all’albero 18 secondario; questo secondo aggancio serve in rilascio per trasmettere la coppia inversa del motore (cioè il freno motore). Quando si deve passare al rapporto successivo, si attiva la sequenza inversa di movimento dei due anelli di aggancio: l’anello di aggancio corrispondente alla seconda marcia non è sotto carico e quindi può essere avvicinato alla ruota 24 dentata secondaria della seconda marcia e quando i tre denti entrano negli scassi ricavati nel fianco della ruota 24 dentata secondaria della seconda marcia avviene l’aggancio e si trasmette il moto.

La macchina 8 elettrica presenta un albero 26, il quale è permanentemente collegato all’albero 16 primario attraverso un ingranaggio costituito da una ruota 27 dentata che è calettata all’albero 26 della macchina 8 elettrica e da una ruota 23 dentata primaria che è calettata all’albero 16 primario ed ingrana in modo permanente con la ruota 27 dentata; in altre parole, una ruota 23 dentata primaria (in particolare la ruota 23 dentata primaria che definisce la prima marcia nella forma di attuazione illustrata nella figura 2) svolge una doppia funzione: definire una marcia del cambio 10 e realizzare il collegamento permanente dell’albero 26 della macchina 8 elettrica all’albero 16 primario.

Nel cambio 10 illustrato nella figura 2, tutti i cambi di marcia possono venire seguiti senza interrompere la trasmissione della coppia grazie al fatto che tutti i sincronizzatori 25 possono venire attivati anche quando sono in presa, ovvero quando sono sotto carico; di conseguenza, nel cambio 10 illustrato nella figura 2 la frizione 17 non viene comandata (ovvero né aperta, né chiusa) durante i cambi di marcia. Infatti, nel cambio 10 illustrato nella figura 2, la frizione 17 ha l’unica funzione di isolare il motore 5 termico a combustione esterna dal cambio 10 quando il motore 5 termico a combustione esterna non viene utilizzato (e quindi è spento o viene spento).

Quando il motore 5 termico a combustione interna è acceso e genera una coppia motrice, la frizione 17 è sempre chiusa per permettere alla coppia motrice generata dal motore 5 termico a combustione interna di raggiungere il differenziale 12 (e quindi le ruote 3 posteriori motrici) e/o la macchina 8 elettrica. Quando il motore 5 termico a combustione interna è acceso e la frizione 17 è chiusa, la macchina 8 elettrica può essere spenta, può funzionare da motore per fornire un incremento (“boost”) di coppia motrice che si somma alla coppia motrice generata dal motore 5 termico a combustione interna, oppure può funzionare da generatore per assorbire parte della coppia motrice generata dal motore 5 termico a combustione interna e quindi generare potenza elettrica per ricaricare, quando necessario, il sistema 14 di accumulo.

Quando il motore 5 termico a combustione interna non deve generare coppia motrice, il motore 5 termico a combustione interna stesso viene spento e la frizione 17 viene aperta (scollegando quindi meccanicamente il motore 5 termico a combustione interna dal cambio 10). Quando il motore 5 termico a combustione interna è spento e la frizione 17 è aperta, la macchina 8 elettrica può funzionare da motore per fare avanzare (in marcia avanti o in marcia indietro) il veicolo 1 stradale oppure la macchina 8 elettrica può funzionare da generatore per rallentare il veicolo 1 stradale eseguendo una frenatura rigenerativa.

In qualunque condizione (motore 5 termico a combustione interna acceso/spento e macchina 8 elettrica accesa/spenta), nel cambio 10 viene innestata la marcia che permette al motore 5 termico a combustione interna e/o alla macchina 8 elettrica di funzionare al regime di rotazione ottimale (ovvero che permette di massimizzare l’efficienza energetica o le prestazioni in funzione del tipo di guida richiesta dal guidatore).

Il motore 5 termico a combustione interna può venire avviato dalla macchina 8 elettrica operante come motore sia con il veicolo 1 stradale in movimento, sia con il veicolo 1 stradale fermo. Quando il veicolo 1 stradale è in movimento l’albero 16 primario è ovviamente in rotazione e la frizione 17 viene progressivamente chiusa (contestualmente viene aumentata la coppia motrice fornita dalla macchina 8 elettrica per portare in rotazione l’albero 6 motore del motore 5 termico a combustione interna). Quando il veicolo 1 stradale è fermo, viene generalmente preferita (ma non è obbligatoria) una partenza lanciata che prevede di portare in rotazione l’albero 16 primario con la frizione 17 aperta e quindi di chiudere progressivamente la frizione 17 quando l’albero 16 primario ha raggiunto una velocità di avviamento predeterminata.

Secondo una preferita forma di attuazione l’ingranaggio costituito dalle ruote 28 e 23 dentate e che collega l’albero 16 primario all’albero 27 della macchina 8 elettrica fa ruotare l’albero 27 della macchina 8 elettrica più velocemente dell’albero 16 primario con un rapporto di trasmissione di circa 1:3; in questo modo, il regime di rotazione del motore 5 termico a combustione interna è generalmente compreso tra 1.000 e 9.000-10.000 giri/min mentre il regime di rotazione della macchina 8 elettrica è generalmente compreso tra 3.000 e 27.000-30.000 giri/min (in questo modo è possibile realizzare una macchina 8 elettrica avente un diametro inferiore alla lunghezza assiale con un ottimizzazione di massa ed ingombro).

Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.

Il veicolo 1 stradale sopra descritto presenta numerosi vantaggi.

In primo luogo, il veicolo 1 stradale sopra descritto presenta un cambio 10 a singola frizione che permette di eseguire tutti i cambi di marcia senza interruzione della trasmissione della coppia motrice (ovvero senza alcun buco di coppia) grazie alla presenza dei sincronizzatori 25 ad innesto continuo (ovvero del tipo cosiddetto “seamless” o “zero shift”).

Inoltre, il cambio 10 a singola frizione del veicolo 1 stradale sopra descritto è particolarmente compatto e leggero in quanto è composto da un ridotto numero di parti (una sola frizione 17, un solo albero 16 primario, un solo albero 18 secondario).

Infine, il cambio 10 a singola frizione del veicolo 1 stradale sopra descritto permette di collegare in modo semplice (è sufficiente l’aggiunta della sola ruota 27 dentata), efficace ed efficiente la macchina 8 elettrica che da sola riesce a svolgere tutti i compiti (avviamento del motore 5 termico a combustione interna, trazione combinata, trazione elettrica, frenata rigenerativa, generazione di energia elettrica).

ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE

1 veicolo stradale

2 ruote anteriori

3 ruote posteriori

4 sistema di motopropulsione

5 motore

6 albero motore

7 trasmissione

8 macchina elettrica

9 albero di trasmissione

10 cambio

11 semiassi

12 differenziale

13 convertitore elettronico di potenza

14 sistema di accumulo elettrico

15 unità di controllo elettronica

16 albero primario

17 frizione

18 albero secondario

19 albero di ingresso

20 ruota dentata

21 ruota dentata

22 ingranaggio

23 ruota dentata primaria 24 ruota dentata secondaria 25 sincronizzatore

26 albero

27 ruota dentata

Claims

1) Veicolo (1) stradale con propulsione ibrida comprendente: almeno una coppia di ruote (3) motrici; un motore (5) termico a combustione interna; un cambio (10) a singola frizione comprendente: un solo albero (16) primario; una sola frizione (17) interposta tra il motore (5) termico a combustione interna e l’albero (16) primario; un solo albero (18) secondario permanentemente in presa con le ruote (3) motrici; una pluralità di ingranaggi (22), ciascuno dei quali definisce una rispettiva marcia e comprende una ruota (23) dentata primaria montata sull’albero (16) primario ed una ruota (24) dentata secondaria che è montata sull’albero (18) secondario ed ingrana permanentemente con la ruota (23) dentata primaria; ed una pluralità di sincronizzatori (25), ciascuno dei quali è montato sull’albero (18) secondario ed è atto ad innestare almeno una corrispondente ruota (24) dentata secondaria all’albero (18) secondario oppure è montato sull’albero (16) primario ed è atto ad innestare almeno una corrispondente ruota (23) dentata primaria all’albero (16) primario; ed una macchina (8) elettrica reversibile presentante un albero (26), il quale è collegato all’albero (16) primario del cambio (10) mediante un ingranaggio comprendente una prima ruota (27) dentata calettata all’albero (26) della macchina (8) elettrica ed una seconda ruota (23) dentata che è calettata all’albero (16) primario ed ingrana permanentemente con la prima ruota (27) dentata; il veicolo (1) stradale è caratterizzato dal fatto che ciascun sincronizzatore (25) è ad innesto continuo ed è in grado di innestare/disinnestare una ruota (24; 23) dentata anche quando la ruota (24; 23) dentata è in presa, ovvero sta trasmettendo la coppia motrice dall’albero (16) primario all’albero (18) secondario, ed è in grado di trasferire la presa, ovvero la trasmissione della coppia motrice, da una ruota (24; 23) dentata ad una altra ruota (24; 23) dentata senza interrompere la trasmissione della coppia motrice dall’albero (16) primario all’albero (18) secondario.

2) Veicolo (1) stradale secondo la rivendicazione 1, in cui: ciascuna ruota (23) dentata primaria è calettata sull’albero (16) primario; ciascuna una ruota (24) dentata secondaria è montata folle sull’albero (18) secondario; e ciascun sincronizzatore (25) è montato sull’albero (18) secondario.

3) Veicolo (1) stradale secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la seconda ruota (23) dentata dell’ingranaggio che collega l’albero (26) della macchina (8) elettrica all’albero (16) primario è una ruota (23) dentata primaria.

4) Veicolo (1) stradale secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui il numero di ingranaggi (22) è pari e ciascun sincronizzatore (25) è interporto tra due corrispondenti ruote (24) dentate secondarie o tra due corrispondenti ruote (23) dentata primarie.

5) Veicolo (1) stradale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4 e comprendente una unità (15) di controllo elettronica che comanda la frizione (17) mantenendo la frizione (17) sempre chiusa quando il motore (5) termico a combustione interna è acceso e mantenendo la frizione (17) sempre aperta quando il motore (5) termico a combustione interna è spento.

6) Veicolo (1) stradale secondo la rivendicazione 5, in cui l’unità (15) di controllo elettronica mantiene la frizione (17) sempre chiusa quando il motore (5) termico a combustione interna è acceso anche durante un cambio di marcia.

7) Metodo di controllo del veicolo (Veicolo (1) stradale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 e comprendente le fasi di: mantenere la frizione (17) sempre chiusa quando il motore (5) termico a combustione interna è acceso; e mantenere la frizione (17) sempre aperta quando il motore (5) termico a combustione interna è spento.

8) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 7 e comprendente l’ulteriore fase di mantenere la frizione (17) sempre chiusa quando il motore (5) termico a combustione interna è acceso anche durante un cambio di marcia.