ITBO20080595A1

ITBO20080595A1 - Trasmissione variabile continua

Info

Publication number: ITBO20080595A1
Application number: IT000595A
Authority: IT
Inventors: Alberto Berselli; Paolo Ferracin; Riccardo Morselli; Massimo Ronchetti
Original assignee: Cnh Italia Spa
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-01
Also published as: EP2169275B1; EP2169275A1; US20100082207A1; US8180540B2

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

"TRASMISSIONE VARIABILE CONTINUA”

La presente invenzione concerne una trasmissione variabile continua (CVT).

Le CVT sono ampiamente usate in molti settori della tecnologia per autoveicoli, e specialmente nel caso di grandi veicoli come trattori, trebbiatrici combinate, caricatori agricoli e per i cosiddetti veicoli agricoli multiuso. L’invenzione è applicabile a tutti i veicoli di questo tipo, nonché ad una varietà di altri veicoli terrestri come, ma non solamente, i veicoli semoventi, i veicoli militari, i veicoli passeggeri ed i veicoli commerciali che sono progettati per trasportare un carico su strada.

Specialmente nel caso dei veicoli agricoli si avverte spesso la necessità di potere effettuare manovre a bassa velocità e attentamente controllate. Un esempio è rappresentato da quando è necessario fare girare un veicolo agricolo, come un trattore o una trebbiatrice, in un cortile di una fattoria o, per esempio, alla fine di un campo coltivato. In tali casi si ha la necessità di potere effettuare una manovra a velocità quasi zero.

I veicoli agricoli hanno motori estremamente potenti ed è quindi importante assicurare una selezione del rapporto di trasmissione il più accurata possibile, in modo da ridurre al minimo il rischio di incidenti e/o di stallo del motore del veicolo attraverso la selezione di un rapporto di trasmissione troppo alto.

A tal fine i tipi di CVT solitamente impiegati nei veicoli agricoli possono per esempio essere CVT elettriche, a catena o a cinghia (dettagli delle quali saranno familiari all’esperto del ramo); o combinazioni di comandi idrostatici e di gruppi di ingranaggi planetari che sono in sé noti nello stato dell’arte degli autoveicoli. L’invenzione è applicabile in tutte le trasmissioni di questo tipo.

E’ stato riconosciuto che una guida idrostatica del tipo solitamente impiegato in un veicolo agricolo presenta degli svantaggi quando si cerca di usarla con una modalità a velocità quasi zero. Ciò avviene perché, anche se la guida idrostatica serve, quando usata insieme ad un appropriato sistema di controllo, a regolare il rapporto di trasmissione attraverso la guida per ottenere, per esempio, un valore fisso di velocità del veicolo scelto, l’accuratezza della funzione di controllo, per varie ragioni inerenti al design della guida idrostatica, diviene scarsa quando è necessario manovrare a bassa velocità.

Tenendo in considerazione la grandezza, la massa e la potenza dei veicoli agricoli è fortemente indesiderabile che il controllo delle manovre a bassa velocità possa divenire inaccurato.

Tale problema viene aggravato quando è necessario fissare a zero la velocità in avanti o in marcia indietro di tale veicolo mentre la guida è impegnata. In teoria dovrebbe essere possibile raggiungere tale condizione bloccando la leva di controllo del rapporto di trasmissione che controlla la guida idrostatica al suo valore minimo; ma nella pratica la suddetta inaccuratezza di controllo può ugualmente dare origine ad un movimento del veicolo. A seconda delle particolari circostanze, quando si ha tale movimento esso può essere indesiderabile o può essere effettivamente pericoloso.

Anche nel caso di un veicolo che non comprende una guida idrostatica come parte di un sistema CVT, si avverte la necessità di un controllo accurato del rapporto di trasmissione a bassa velocità e di un controllo accurato sull’uscita della trasmissione. Quindi, in generale, lo scopo della invenzione è migliorare i regimi di controllo della CVT rispetto a quelli disponibili nell’arte anteriore.

Una possibilità di migliorare l’accuratezza del controllo è fornire un dispositivo di rilevamento della velocità che opera sull’albero di uscita di una CVT. Tale dispositivo fornisce un segnale di feedback che può, secondo la tecnologia di controllo nota, fornire una precisione migliorata dell’uscita della trasmissione.

Tuttavia questa soluzione non è ottimale, in parte perché qualsiasi dispositivo di rilevamento e circuito di controllo devono essere più accurati della CVT presa in considerazione per fornire benefici in termini di accuratezza. Dato che solitamente l’uscita di una CVT è un albero girevole, il tipo di dispositivo di rilevamento più adatto per fornire un segnale di feedback correlato alla velocità è un sensore ad effetto Hall che funziona insieme ad una rotella di rilevamento. L’accuratezza di tali dispositivi, tuttavia, è solitamente bassa a basse velocità di rotazione.

Le alternative più accurate sono in un certo qual modo costose; possono essere inaffidabili e spesso non sono sufficientemente robuste per essere usate in grandi veicoli. In modo generale, con i limiti dei costi associati al design e alla struttura di un veicolo agricolo è impossibile giustificare la spesa di sensori costosi allo scopo di migliorare l’accuratezza di un circuito di feedback della trasmissione.

Secondo l’invenzione, in senso lato viene fornita una trasmissione variabile continua comprendente uno o più alberi di uscita girevoli, uno o più alberi non di uscita girevoli, uno o più elementi di trasmissione variabile continua che collegano selettivamente almeno uno dei suddetti alberi non di uscita e uno dei suddetti alberi di uscita in modo da consentire la variazione di un rapporto di trasmissione tra loro, uno o più elementi di controllo per controllare il rapporto momentaneamente prevalente della trasmissione; uno o più dispositivi con sensori per rilevare la posizione di rotazione di almeno un albero non di uscita rilevato, e un dispositivo di elaborazione per determinare la posizione di rotazione di almeno uno dei suddetti alberi non di uscita rilevati in un determinato momento, dove il dispositivo di elaborazione è collegato in modo operativo ad uno o più dei suddetti elementi di controllo per provocare la variazione del rapporto di trasmissione in modo che uno dei suddetti alberi di uscita raggiunga una posizione di rotazione desiderata in un determinato momento.

Gli inventori hanno trovato che utilizzare una lettura di una posizione di rotazione rilevata di un albero non di uscita, che può essere un albero di ingresso o un altro albero della CVT che non sia un albero di uscita finale, fornisce più informazioni di un regime di controllo basato, per esempio, su una misurazione della velocità. Lo scopo della CVT dell’invenzione nel basare il controllo su un requisito per raggiungere una particolare posizione di rotazione in un momento t rappresenta una forma più accurata di controllo della semplice specifica di una velocità di uscita definita per la durata del periodo t (dato che in quest’ultimo caso qualsiasi errore di controllo causato, per esempio, da impedimenti ai movimenti del veicolo in cui la CVT è istallata darebbe come risultato il mancato ottenimento del desiderato controllo accurato).

Tuttavia, in una realizzazione pratica dell’invenzione, è preferibile che la CVT comprenda due alberi non di uscita, non rilevati, e due corrispondenti dispositivi a sensore posti per rilevare, rispettivamente, le posizioni girevoli degli alberi non di uscita e le uscite di tali dispositivi a sensore sono inviate al dispositivo di elaborazione che calcola la suddetta posizione di rotazione desiderata di detto albero di uscita basandosi sulla differenza tra le posizioni girevoli rilevate.

Tale disposizione rende vantaggiosamente la CVT della invenzione altamente accurata in modo corrispondente quando viene usata per controllare le velocità del veicolo a valori quasi zero e quando si considera la definizione a valore zero di una guida idrostatica. Ciò accade principalmente perché l’uso di un segnale differenziale come quello prodotto dalla CVT secondo la realizzazione preferita dell’invenzione può essere reso altamente accurato anche se (per esempio perché l’accuratezza dei dispositivi di rilevamento usati è scarsa a basse velocità di rotazione) i dispositivi a sensore sono soggetti ad errore. Si spiegherà tale mancanza di accuratezza in maggiore dettaglio qui di seguito.

Ne consegue che una CVT secondo la presente invenzione può essere vantaggiosamente realizzata con, per esempio, due sensori ad effetto Hall, che operano su alberi non di uscita per rilevare le loro posizioni di rotazione, con un maggiore grado di accuratezza e ad un costo minore di quello che si avrebbe se si dovesse cercare di installare un dispositivo a sensore altamente accurato su un albero di uscita, come suggerito nell’arte anteriore.

Quindi, convenientemente, il o ogni sensore è un sensore ad effetto Hall e una combinazione con una rotella di regolazione.

E’ anche preferibile che la trasmissione comprenda un suddetto sensore ad effetto Hall adiacente ad ogni suddetto albero non di uscita e ogni albero non di uscita rilevato comprenda, fissata ad esso, una o più masse di conduzione, che durante la rotazione dell’albero non di uscita genera periodicamente in detto sensore ad effetto Hall una corrente che è indicativa della posizione di rotazione del suddetto albero non di uscita associato basandosi sul numero di masse di conduzione o loro parti che passano davanti al rispettivo sensore ad effetto Hall. In realizzazioni pratiche della CVT della invenzione le masse di conduzione sono, per esempio, protuberanze metalliche fissate ad intervalli regolari sulla periferia di un albero non di uscita (o un componente, come una ruota dentata o un altro disco, fissato ad esso); e infatti possono essere i denti di una ruota dentata.

Realizzare le masse di conduzione in questo modo significa vantaggiosamente che i componenti di una CVT esistente non necessitano di essere modificati in modo estensivo per permettere la costruzione dell’apparecchio dell’invenzione.

In modo conveniente, il dispositivo di elaborazione è programmabile ed è programmato per calcolare la posizione di rotazione desiderata 㮀3dell’albero di uscita in un momento determinato t secondo un algoritmo che determina una differenza calcolata tra il numero di masse di conduzione, o un numero proporzionale ad esso, che passano davanti ad ogni sensore ad effetto Hall adiacente ad un rispettivo albero non di uscita.

Preferibilmente, il dispositivo di elaborazione è programmato per calcolare la desiderata posizione di rotazione 㮀3dell’albero di uscita in un determinato momento t secondo l’espressione

in cui r1e r2sono costanti note che corrispondono al rapporto degli ingranaggi tra fasi della trasmissione;

㮀1è la posizione di rotazione di un primo suddetto albero non di uscita rilevato in un momento t; e

㮀2è la posizione di rotazione di un secondo suddetto albero non di uscita rilevato in un momento t. Le costanti r1e r2possono, a seconda della precisa installazione, essere costanti positive o negative, o in alcune circostanze l’una o l’altra di loro può avere un valore zero.

In una realizzazione preferita dell’invenzione, il dispositivo di elaborazione è programmabile ed è programmato per calcolare la posizione di rotazione desiderata 㮀3dell’albero di uscita in un momento scelto t secondo l’espressione

in cui:

θ Ⱡ( t ) rappresenta un valore approssimato della posizione angolare di rotazione;

N è il numero delle masse di conduzione, o di loro parti, fissate a ciascuno dei suddetti alberi non di uscita rilevati;

n è il numero di masse di conduzione, o loro parti, che nel momento t passano davanti ad un suddetto sensore ad effetto Hall associato; e

r1e r2sono costanti note, con i pedici 1, 2 che rappresentano il primo ed il secondo albero non di uscita rilevati e il pedice 3 che rappresenta l’albero di uscita.

Come può essere ben chiaro all’esperto del ramo, un apparecchio che opera in base al conteggio dei passaggi delle masse di conduzione davanti ai dispositivi ad effetto Hall per determinare le posizioni dell’albero di rotazione comprende solitamente contatori di impulsi sotto forma di registri definiti in, per esempio, una parte di memoria del dispositivo di elaborazione.

Tali registri sono solitamente in grado di contare fino ad un valore massimo prima che si abbia una condizione illeggibile di flusso in eccesso. Nel contesto dell’invenzione, tuttavia, in qualsiasi momento può essere necessario stabilire le posizioni di rotazione degli alberi non di uscita dopo molte migliaia di rivoluzioni (e quindi dopo che sono stati generati centinaia di migliaia, o anche milioni, di impulsi ad effetto Hall). Chiaramente in tali circostanze si presenterebbe rapidamente la indesiderabile condizione di flusso in eccesso nel contatore, cosa che potrebbe rendere la trasmissione difficile da usare.

E’ quindi desiderabile evitare che si abbia tale flusso in eccesso nel contatore. A tale scopo, in un ulteriore, opzionale perfezionamento dell’invenzione, il dispositivo di elaborazione comprende o è collegato in modo operativo ad uno o più contatori che contano i numeri delle masse di conduzione in modo da generare rispettivi valori di n connessi agli alberi non di uscita, dove ciascuno dei suddetti contatori è in grado di contare fino ad un prestabilito valore massimo; e dove il dispositivo di elaborazione è programmato per sottrarre da ciascuno di detti contatori un valore intero in modo da evitare che i rispettivi valori dei contatori raggiungano o superino i loro massimali.

Più in particolare, ciascuno dei suddetti valori interi è calcolato come il prodotto di un termine di aumento e di un numero, minore di rispettivo massimo associato, di volte in cui una suddetta massa di conduzione o una sua parte passa davanti ad un relativo suddetto dispositivo ad effetto Hall, dove i suddetti rispettivi prodotti si eguagliano.

L’effetto di queste caratteristiche è di permettere vantaggiosamente ad ogni contatore di registrare in qualsiasi momento t un valore che sia indicativo della posizione di rotazione di uno degli alberi non di uscita senza che il valore assoluto così registrato superi mai il limite di flusso in eccesso del contatore.

In una disposizione alternativa secondo l’invenzione è possibile resettare i contatori, per esempio periodicamente o quando il valore del contatore supera in ogni caso una soglia prestabilita.

Ciò può essere vantaggiosamente ottenuto usando una disposizione in cui il dispositivo di elaborazione comprende, oppure è collegato in modo operativo, con uno o più contatori che contano il numero di masse di conduzione o loro parti in modo da generare rispettivi valori di n correlati agli alberi non di uscita, dove ogni suddetto contatore è in grado di contare fino ad un valore prestabilito massimo; e dove il dispositivo di elaborazione è programmato per resettare ciascun suddetto contatore in un momento prestabilito mentre si conserva un valore che è proporzionale alla posizione di rotazione proporzionale dell’albero di uscita in modo da evitare che i rispettivi valori del contatore raggiungano o superino i suoi massimi.

E’ ulteriormente preferibile che in una disposizione alternativa il dispositivo di elaborazione approssimi i valori di 㮀1(t) e 㮀2(t) secondo l’espressione

in cui θ Ⱡ( t ) rappresenta un valore approssimato della posizione angolare di rotazione;

㮀(0) rappresenta una posizione di rotazione iniziale in un momento t=0;

Thè la lunghezza degli impulsi corrispondenti al derivato v(t) dell’uscita dai sensori ad effetto Hall;

N è il numero di masse di conduzione assicurate a ciascun suddetto albero non di uscita rilevato; e

v( 㱀) è un segnale derivato dall’uscita di ogni rispettivo sensore ad effetto Hall,

dove il dispositivo di elaborazione approssima la posizione di rotazione θ<Ⱡ>3( t ) dell’albero di uscita secondo l’espressione:

dove i pedici 1 e 2 rappresentano il primo ed il secondo albero non di uscita rilevati, e il pedice 3 rappresenta l’albero di uscita.

Quando il dispositivo di elaborazione è disposto in modo da funzionare secondo l’espressione alternativa espressa in precedenza, la trasmissione comprende opzionalmente un rispettivo oscillatore monostabile a cui l’uscita di ogni rispettivo sensore ad effetto Hall è collegata in modo operativo, dove l’uscita di ogni suddetto oscillatore monostabile è un segnale v(t) con una lunghezza di impulsi costanti Thper qualsiasi fronte crescente e/o calante del segnale di uscita del sensore ad effetto Hall h(t) in un momento t. A questo riguardo, a seconda della disposizione precisa, il segnale v(t) potrebbe essere un impulso generato solo all’inizio, solo alla fine o all’inizio ed alla fine dell’uscita dal sensore ad effetto Hall.

Le fasi di integrazione suddette possono essere eseguite mediante integratori analoghi costruiti usando amplificatori operativi che possono, per esempio, essere incorporati nel dispositivo processore o possono essere collegati ad esso in modo operativo.

In una realizzazione pratica dell’invenzione la trasmissione è collegata in modo operativo come parte di un circuito di controllo della posizione di un veicolo a ruote e/o a cingoli, in cui un segnale che rappresenta una desiderata posizione del veicolo xd(t) in un momento t viene inviato ad un primo elemento di controllo dell’aumento Rp, in cui Rprappresenta il rapporto tra un segnale che è proporzionale alla posizione di rotazione dell’albero di uscita; il segnale di uscita g3d(t) del primo elemento di controllo è inviato simultaneamente ad un controllore di posizione ed attraverso un elemento di controllo dell’aumento Z3come uscita regolata sull’aumento del primo elemento di controllo ad un primo punto di somma, dove il segnale di uscita del controllore di posizione viene inviato alla trasmissione e collega le ruote o i cingoli del veicolo, dove i segnali rappresentano le posizioni di rotazione n1(t) e n2(t) degli alberi non di uscita della trasmissione che vengono inviati attraverso elementi di controllo, rispettivamente, degli aumenti Z1e Z2ad un secondo punto di somma in cui viene generato un segnale che rappresenta una differenza calcolata tra dette posizioni di rotazione, dove detta differenza viene ulteriormente inviata al primo punto di somma in cui viene sottratta dall’uscita regolata sull’aumento del primo elemento di controllo per definire un segnale di errore e(t) che viene inviato al controllore di posizione.

In maggiore dettaglio, il controllore di posizione opera secondo la relazione

Convenientemente, in una realizzazione preferita dell’invenzione, la trasmissione è istallata in un veicolo terrestre, e specialmente un trattore, una macchina trebbiatrice mobile, un caricatore o un cosiddetto veicolo agricolo multiuso, in modo che uno o più di questi alberi di uscita sia accoppiato in modo da causare una rotazione di uno o più ruote e/o cingoli del veicolo che fanno presa sul terreno.

Complessivamente, la CVT della invenzione offre una accuratezza di controllo notevolmente migliorata, specialmente durante operazioni a bassa velocità, ad un costo notevolmente ridotto rispetto all’arte anteriore.

Seguirà adesso una descrizione di realizzazioni preferite dell’invenzione mediante un esempio non limitativo, facendo riferimento alle figure allegate in cui:

figura 1 è una rappresentazione schematica di una CVT, secondo l’invenzione, sotto forma di gruppo di ingranaggi planetari;

figura 2 mostra in forma esemplificativa l’uscita di un sensore ad effetto Hall del tipo mostrato nella figura 1;

figura 3 mostra l’effetto dell’elaborazione delle uscite dei sensori ad effetto Hall mediante parti della CVT della invenzione; e

figura 4 è una rappresentazione schematica che mostra l’incorporazione di una trasmissione come quella mostrata nella figura 1 come parte di un circuito di controllo della posizione di un veicolo.

Facendo riferimento alle figure, la figura 1 mostra un esempio di una CVT del tipo in cui possono essere incarnati i principi della invenzione.

La figura 1 mostra un gruppo di ingranaggi planetari 10.

Il gruppo di ingranaggi 10 è di tipo semplice, e comprende un albero di ingresso 11 (che è accoppiato all’albero a gomiti di un motore ad accensione a scintilla o di un motore ad accensione a compressione); un ingranaggio ad anello 12; un ingranaggio solare 13; ingranaggi planetari 14 supportati in modo girevole su un vettore 16; un ingranaggio di guida finale 17 accoppiato all’ingranaggio 18 di un albero di uscita 19; e, come noto nell’arte della CVT, una o più guide idrostatiche (non mostrate nelle figure) per controllare la velocità della guarnizione ad anello in modo da fornire cambiamenti sostanzialmente morbidi del rapporto della trasmissione variabile continua.

Tuttavia, i principi della invenzione sono anche applicabili in una forma più complessa di CVT come, ma non limitata a, una guida idrostatica; o una trasmissione composita che comprende numerosi gruppi di ingranaggi planetari simili al gruppo di ingranaggi 10 mostrato nella figura 1 insieme ad una o più guide idrostatiche o di altro tipo.

Tali disposizioni di trasmissione sono in sé noti nell’arte e quindi non richiedono una ulteriore dettagliata descrizione nel presente contesto.

L’albero di ingresso 11 ha fissata in sé in modo rigido una rotella di regolazione 21 che è un disco avente sulla sua periferia esterna una serie di sporgenze elettricamente conduttive equamente distanziate (come denti squadrati). La rotella di regolazione 21 quindi può essere costituita come o può assomigliare ad una ruota dentata; o può assumere una vasta gamma di forme alternative. Un primo sensore ad effetto Hall 22 è disposto in posizione adiacente alla rotella di regolazione 21 in modo da originare impulsi di corrente quando ciascuna delle sporgenze elettricamente conduttive passa, a turno, durante la rotazione dell’albero di ingresso 11, attraverso il campo magnetico del sensore ad effetto Hall.

Un secondo sensore ad effetto Hall 23 di costruzione simile al sensore 22 è posto analogamente per generare impulsi di corrente ruotando la guarnizione ad anello 12, dove la guarnizione ad anello è munita di sporgenze conduttive (non mostrate nella figura) in modo analogo alle sporgenze della rotella di regolazione 21. Nella realizzazione mostrata, le sporgenze sono sul lato esterno della guarnizione ad anello più vicina all’albero di ingresso 11. Altre disposizioni sono possibili entro l’ambito della invenzione.

L’albero di ingresso 11 e la guarnizione ad anello 12 possono essere considerati come rispettivi alberi non di uscita dei gruppi di ingranaggi planetari 10, dove è evidente dalla figura 1 che nell’uso del gruppo di ingranaggi 10 le velocità di rotazione dell’albero di ingresso 11 e della guarnizione ad anello 12 sono sempre diverse tra loro a causa del rapporto di trasmissione tra l’ingranaggio solare 13, che agisce attraverso l’ingranaggio planetario 14 sull’ingranaggio ad anello 12, o a causa del fatto che la velocità dell’ingranaggio ad anello 12 viene controllata (per esempio per avere una guida idrostatica ad essa collegata) in modo che ruoti ad una velocità prestabilita o, in certe circostanze, sia ferma.

Di conseguenza, anche a velocità di rotazione molto basse dei componenti del gruppo di ingranaggi planetari 10, gli impulsi di corrente in uscita dai rispettivi sensori ad effetto Hall 22, 23 sono a frequenze sufficientemente alte da consentire un calcolo della differenza che fornisca un controllo accurato secondo lo scopo della invenzione.

Le uscite dei sensori ad effetto Hall 22, 23 sono trasmesse durante il funzionamento della CVT della invenzione ad un dispositivo di elaborazione che opera nel modo descritto in seguito. Il dispositivo di elaborazione genera un segnale di controllo che, a sua volta, causa l’azionamento dell’elemento di controllo. L’elemento di controllo agisce sulla CVT in modo da ottenere una posizione di rotazione scelta dell’albero di uscita 19 dopo un intervallo di tempo prestabilito t.

Per esempio, l’elemento di controllo può agire per regolare l’angolo di un rotore a disco inclinato della pompa e/o il motore di una guida idrostatica può funzionare in una gamma di modalità diverse, che sono note all’esperto del ramo, per ottenere un obbiettivo di controllo desiderato e collegato alla trasmissione.

I cavi del sensore ad effetto Hall, il dispositivo di elaborazione e l’elemento di controllo sono stati omessi dalla figura 1 per chiarezza; ma la precisa disposizione di queste parti rientra nelle conoscenze dell’esperto del ramo.

I sensori ad effetto Hall sono, come ben noto, componenti estremamente economici, ma sono usati convenzionalmente solo per fornire informazioni correlate alla velocità (in funzione della frequenza degli impulsi di corrente generati nei sensori). Come detto sopra, tuttavia, l’uso di sensori di velocità sull’albero di uscita di una CVT è inaccurato a velocità del veicolo basse, come quelle usate nelle manovre di un veicolo agricolo.

Un relativo vantaggio dell’uso degli alberi non di uscita come indicato nella figura 1 o di alberi equivalenti in altre realizzazioni è che gli alberi ruotano ad una velocità comparativamente alta, per cui qualsiasi errore dell’effetto Hall è irrilevante.

Il metodo di funzionamento della trasmissione dell’invenzione è basato sull’uso di due sensori ad effetto Hall su due alberi a velocità superiori di un albero di uscita e sul calcolo della posizione dell’albero a velocità bassa/zero usando i limiti cinematici dell’ingranaggio.

Facendo riferimento all’esempio della figura 1, la relazione cinematica tra le velocità degli alberi 㲐1, 㲐2e 㲐3dell’albero di ingresso 11, della guarnizione ad anello 12 e dell’albero di uscita 19 è del tipo:

ω3(t)=r1ω(t) −r2ω2( t )

dove r1and r2sono costanti note (solitamente, ma non sempre, positive) che rappresentano i rapporti di trasmissione tra le parti del gruppo di ingranaggi 10. Nella trasmissione dell’invenzione r1e r2sono il più possibile prossimi allo zero.

La stessa relazione (con una scelta adatta della condizione iniziale) vale per le corrispondenti posizioni angolari (di rotazione) 㮀3(posizione dell’albero di uscita 19), 㮀1(posizione dell’albero di ingresso 11) e 㮀2(posizione della guarnizione ad anello 12):

θ3(t)=r1θ1(t) −r2θ2( t )

Il requisito di controllo nell’esempio della figura 1 è controllare la posizione 㮀3. Come spiegato, la posizione 㮀3non è misurata da un sensore perché, per raggiungere un alto livello di precisione, si dovrebbe usare un sensore molto costoso (per esempio un sensore ad incremento ottico o un codificatore digitale).

La suddetta relazione tra le posizioni angolari, invece, permette l’uso di una misura delle posizioni 㮀1e 㮀2per arrivare al calcolo della posizione 㮀3. Il vantaggio di ciò è che se i rapporti di trasmissione r1e r2sono vicini allo zero, la misura della posizione 㮀3è accurata anche se le misure delle posizioni 㮀1e 㮀2non lo sono, come è solitamente il caso quando si usano rotelle di regolazione e dispositivi ad effetto Hall.

Ogni sensore ad effetto Hall 22, 23 fornisce un segnale h(㮀) del tipo mostrato nella figura 2, in cui N è il numero di denti sulla ruota dentata o sulla rotella di regolazione rilevata, e 㭀 è un coefficiente tra 0 e 1 che dà la lunghezza normalizzata di un dente rispetto alla distanza tra due denti adiacenti. L’ampiezza del segnale h(㮀) nella realizzazione preferita dell’invenzione è data come uguale a 1, ma non deve necessariamente essere questa.

Quando la ruota dentata/rotella di regolazione ruota, l’angolo 㮀 cambia nel tempo. Quindi il sensore ad effetto Hall fornisce un segnale h(t) con una forma che imita la geometria dei denti della ruota. Un esempio di questo segnale è mostrato nella parte superiore della figura 3. Elaborando i segnali del sensore ad effetto Hall in un oscillatore monostabile è possibile ottenere il segnale v(t) che ha un impulso di lunghezza costante, diciamo Th, per qualsiasi fronte (crescente e/o calante) del segnale. L’ampiezza del segnale v(t) è uguale ad 1.

Un esempio di un diverso segnale che viene prodotto mediante alcuni dispositivi ad effetto Hall è mostrato nella parte inferiore della figura 3. Tali dispositivi sono adatti ad essere usati nell’apparecchio della presente invenzione, come quelli le cui uscite possono assumere una vasta gamma di forme ondulate possibili.

In generale, in un aspetto l’invenzione risiede in una trasmissione come detto in precedenza, che comprende un dispositivo di elaborazione che è programmato per calcolare la desiderata posizione di rotazione 㮀3dell’albero di uscita in un momento t basandosi sul calcolo della differenza calcolata tra il numero di bordi crescenti/calanti della massa di conduzione che passano davanti ad ogni dispositivo ad effetto Hall adiacente ad un albero non di uscita associato. Due tecniche per ottenere questo effetto sono descritte qui di seguito.

Come risultato della proprietà della funzione h(㮀), la misura approssimata dell’angolo di rotazione di ogni albero viene data in generale mediante la seguente espressione:

La suddetta operazione di integrazione si può realizzare mediante un integratore analogico basandosi su amplificatori operazionali. Il dispositivo di elaborazione può essere costruito facilmente per contenere o essere collegato a tale integratore.

Se 㭀1= 㭀2=0,5, la precisione di questa misura angolare è dell’ordine di un angolo equivalente del dente, che è 㰀/N:

In termini generali, la posizione di rotazione o angolare 㮀3di un albero di uscita della trasmissione dell’invenzione nel momento t è determinata secondo l’invenzione dall’espressione:

in cui r1, r2, 㮀1e 㮀2sono come definito sopra. Si immagini adesso che la rotella di regolazione dell’albero di ingresso 21 e la guarnizione ad anello 12 mostrate nella figura 1 abbiano rispettivamente N1e N2sporgenze (denti) elettricamente conduttive. Partendo dalla condizione (nota) iniziale:

la stima della posizione angolare 㮀3è ottenuta come segue:

Questa misura può essere ottenuta mediante due integratori analogici basandosi su amplificatori operazionali. Come detto in precedenza, questi possono essere prontamente incorporati o collegati operativamente al dispositivo di elaborazione.

Se 㭀1= 㭀2=0,5, l’accuratezza di questa misura è circa:

Dalla suddetta equazione è chiaro che per alti rapporti di riduzione (cioè quando r1e r2sono vicini allo zero), la precisione della misura è molto superiore a quella ottenibile mediante una semplice rotella di regolazione/ruota dentata montata sull’asse di uscita. Ciò è specialmente vero se la posizione da controllare è la posizione di una o più ruote o cingoli che fanno presa sul terreno con un basso rapporto degli ingranaggi.

La suddetta stima della posizione 㮀3può anche essere ottenuta mediante un semplice computo digitale (o una integrazione digitale). Poniamo che n(t) indichi il numero intero di bordi del dente crescenti e calanti che sono passati davanti al sensore dopo il momento t = 0. Come risultato delle proprietà del segnale v(t) è chiaro che si ha la seguente relazione:

Per questa espressione è possibile derivare che:

Di conseguenza, la posizione 㮀3può essere ottenuta usando la differenza calcolata tra il numero di impulsi (cioè il numero di denti o bordi rilevati) contati sui due alberi di ingresso.

Come detto prima, la possibilità di una condizione di eccesso di flusso nel contatore nel dispositivo di elaborazione è potenzialmente problematica. Tuttavia gli inventori hanno individuato due tecniche per fare fronte a questa possibilità in modo da mantenere la grande accuratezza del controllo della posizione della trasmissione dell’invenzione eliminando il rischio di un eccesso di flusso.

Considerando nuovamente l’espressione:

è chiaro che i contatori del dispositivo di elaborazione devono contare rispettivamente i valori di n1(t) e n2(t). I valori interi di queste quantità potrebbero superare i massimi dei contatori e provocare una condizione di flusso in eccesso.

In una prima tecnica per evitare questo rischio, una volta che il valore di n1(t) e n2(t) supera una soglia minore del massimo del contatore associato (o per esempio un altro valore programmato) una rispettiva quantità intera viene sottratta da ciascuno dei due termini sul lato destro della suddetta espressione, in modo da riportare i valori nuovamente “entro i limiti”.

Per definire le quantità intere, si considerino i rapporti r1e r2sempre come rapporti tra due quantità intere. Poniamo che:

La stima della posizione angolare può essere riscritta come segue:

in cui 㮀3/2㰀 è il numero di giri. Poniamo che g3=㮀3/2㰀. La suddetta equazione diventa:

scegliendo i simboli:

in cui Z1, Z2e Z3sono numeri interi.

Ora, n1(t) e n2(t) possono essere espressi come:

In questa relazione il valore della posizione 㮀3è lo stesso di prima della correzione ma due contatori hanno ciascuno un nuovo valore (cioè inferiore). Si noti che scegliendo:

in cui k è un numero intero, allora tutti i numeri nelle due seguenti espressioni sono interi:

quindi il flusso in eccesso nel contatore può essere gestito senza perdere l’accuratezza che è un vantaggio della invenzione.

Un diverso metodo per fare fronte all’eccesso di flusso nel contatore è resettare entrambi i contatori in un particolare momento e mantenere il vecchio valore di g3. Partendo dall’equazione:

poniamo che t0sia un istante di tempo. Dato che:

poniamo che:

allora

dove il primo termine sul lato destro della suddetta equazione è una costante da conservare. Questo secondo metodo è particolarmente interessante quando si deve controllare una posizione non costante usando la trasmissione della invenzione. Il dispositivo programmabile dell’apparecchio dell’invenzione, tuttavia, può essere programmato per eseguire uno dei metodi di eccesso di flusso nel contatore.

Come mostrato nella figura 4, una trasmissione 10 secondo l’invenzione può essere incorporata come parte di un circuito di controllo programmabile 20 che è programmato secondo i principi suddetti in modo da fornire un controllo accurato, basato sulla posizione di un veicolo a ruote o a cingoli.

Nella figura 4, un elemento di controllo (non mostrato) come una leva o un pomolo in una cabina del guidatore può essere usato per fissare una desiderata posizione del veicolo xd(t). Questa posizione desiderata può essere generata come segnale elettrico che è un input ad un elemento di controllo 21 avente un aumento Rp.

θ Rpè il rapporto tra g3definito sopra (g 3

3= ) e 2 pi l’attuale posizione del veicolo x(t).

L’uscita dell’elemento di controllo 21 è un segnale g3d(t), cioè un valore desiderato di g3nel momento t. Questo segnale è inviato simultaneamente ad un primo punto di somma 22 e ad un controllore di posizione 23, in quest’ultimo caso dopo amplificazione mediante aumento Z3nell’elemento di controllo 26.

L’uscita del controllore di posizione 23 è inviata come comando alla trasmissione 10, il cui funzionamento determina l’attuale posizione del veicolo x(t) secondo l’estensione della rotazione di un albero di uscita.

Le posizioni di rotazione n1(t) e n2(t) nel momento t dei rispettivi alberi non di uscita della trasmissione 10 sono generate come uscite del dispositivo ad effetto Hall, della ruota dentata e di combinazioni del contatore come qui descritto. I segnali n1(t) e n2(t) sono inviati ad un secondo punto di somma 24 attraverso gli elementi di controllo 27, 28 dei rispettivi aumenti Z1e Z2.

Secondo i principi esposti in precedenza, il risultante segnale di posizione misurato Z2n2(t) è sottratto dal segnale di posizione di rotazione misurato Z1n1(t) per dare origine al segnale differenziale misurato discusso in precedenza. Il segnale differenziale misurato Z1n1(t)-Z2n2(t) è sottratto nel punto di somma 22 dal segnale di posizione desiderato misurato Z3g3d(t) in modo che un segnale di errore e(t) venga inviato come input al controllore di posizione 23.

Considerando quanto detto sopra in termini matematici:

Rpè, come affermato, il rapporto tra g3e la posizione del veicolo x:

xd(t) è la posizione del veicolo desiderata. La variabile e(t) mostrata nella figura 4 è, a prescindere dal piccolo errore di quantificazione dovuto al numero intero di impulsi che si possono contare, proporzionale all’errore di posizione xd(t)-x(t).

Infatti:

Il vantaggio della computazione dell’errore di posizione come mostrato nella figura 4 è che solo le moltiplicazioni sono necessarie, e non sono richieste divisioni computazionalmente complesse.

Il desiderato valore g3d(t) per g3(t) è inviato al controllore per migliorare l’accuratezza delle misure di controllo.

Come appare evidente da quanto detto sopra, la trasmissione della invenzione fornisce un controllo accurato, a bassa velocità e basato sulla posizione, che, pur essendo a basso costo, è superiore nelle prestazioni rispetto alle disposizioni presenti nell’arte anteriore.

Variazioni delle realizzazione qui descritte sono comprese nell’ambito della invenzione.

Si ritiene che l’invenzione risieda anche nei metodi computazionali qui descritti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Trasmissione variabile continua comprendente uno o più alberi di uscita girevoli, uno o più alberi non di uscita girevoli, uno o più elementi di trasmissione variabile continua che si collegano selettivamente ad almeno un suddetto albero non di uscita ed un suddetto albero di uscita in modo da consentire la variazione di un rapporto di trasmissione tra loro, uno o più elementi di controllo atti a controllare il rapporto momentaneamente prevalente della trasmissione; uno o più dispositivi a sensore per rilevare la posizione di rotazione di almeno un albero non di uscita rilevato, e un dispositivo di elaborazione per determinare la posizione di rotazione di almeno un suddetto albero non di uscita rilevato in un determinato momento, dove il dispositivo di elaborazione è collegato in modo operativo ad uno o più dei suddetti elementi di controllo per provocare la variazione del rapporto di trasmissione in modo che un suddetto albero di uscita raggiunga una desiderata posizione di rotazione in un determinato momento.
2. Trasmissione secondo la rivendicazione 1, comprendente due alberi non di uscita rilevati e due corrispondenti suddetti dispositivi a sensore posti per rilevare rispettivamente le posizioni di rotazione degli alberi non di uscita, dove le uscite dei suddetti dispositivi a sensori sono inviate al dispositivo di elaborazione che calcola la suddetta posizione di rotazione di detto albero di uscita basandosi sulla differenza tra le posizioni di rotazione rilevate.
3. Trasmissione secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il o ogni dispositivo a sensori è una combinazione di un sensore ad effetto Hall e una rotella di regolazione.
4. Trasmissione secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un suddetto sensore ad effetto Hall adiacente ad ogni suddetto albero non di uscita in cui ogni albero non di uscita rilevato comprende, fissata ad esso, una o più masse di conduzione, che nella rotazione dell’albero non di uscita genera periodicamente in detto sensore ad effetto Hall una corrente che è indicativa della posizione di rotazione dell’albero non di uscita associato suddetto basandosi sul numero di masse di conduzione o di loro parti che passano davanti al rispettivo sensore ad effetto Hall.
5. Trasmissione secondo la rivendicazione 4 se dipendente dalla rivendicazione 2, in cui il dispositivo di elaborazione è programmabile ed è programmato per calcolare la desiderata posizione di rotazione 㮀3dell’albero di uscita in un determinato istante t secondo un algoritmo che determina una differenza misurata tra il numero di masse di conduzione o un numero proporzionale ad esso, passando davanti ad ogni sensore ad effetto Hall adiacente ad un rispettivo albero non di uscita.
6. Trasmissione secondo la rivendicazione 5, in cui il dispositivo di elaborazione è programmato in modo da calcolare la desiderata posizione di rotazione 㮀3dell’albero di uscita in un determinato momento t secondo l’espressione

in cui r1e r2sono costanti note; 㮀1è la posizione di rotazione di un primo suddetto albero non di uscita rilevato in un momento t; e 㮀2è la posizione di rotazione di un secondo suddetto albero non di uscita rilevato in un momento t.
7. Trasmissione secondo la rivendicazione 2 o qualsiasi rivendicazione precedente dipendente da essa, in cui il dispositivo di elaborazione è programmabile ed è programmato per calcolare la desiderata posizione di rotazione 㮀3dell’albero di uscita in un determinato momento t secondo l’espressione in cui

θ Ⱡ( t ) rappresenta un valore della posizione angolare di rotazione approssimato; N è il numero di masse di conduzione o loro parti, fissate a ciascun suddetto albero non di uscita rilevato; n è il numero di masse di conduzione, o loro parti, che nel momento t passano davanti ad un suddetto sensore ad effetto Hall associato; e r1e r2sono costanti note, con i pedici 1, 2 che rappresentano il primo ed il secondo albero non di uscita rilevati e il pedice 3 che rappresenta l’albero di uscita.
8. Trasmissione secondo la rivendicazione 7, il cui dispositivo di elaborazione comprende o è operativamente collegato ad uno o più contatori che contano il numero di masse di conduzione o loro parti in modo da generare rispettivi valori di n relativi agli alberi non di uscita, dove ciascuno dei suddetti contatori è in grado di contare fino ad un valore massimo prestabilito; e dove il dispositivo di elaborazione è programmato in modo da sottrarre da ciascuno dei suddetti contatori un valore intero in modo da evitare che i rispettivi valori dei contatori raggiungano o superino i loro massimi.
9. Trasmissione secondo la rivendicazione 8, in cui ogni suddetto valore intero è calcolato come prodotto di un termine di aumento e di un numero, minore di un suddetto massimo associato, di volte in cui una suddetta massa di conduzione o sua parte passa davanti ad un associato dispositivo ad effetto Hall, dove i suddetti rispettivi prodotti si equivalgono.
10. Trasmissione secondo una delle rivendicazioni 79, il cui dispositivo di elaborazione comprende o è collegato in modo operativo ad uno o più contatori che contano i numeri delle masse di conduzione o loro parti in modo da generare rispettivi valori di n relativi agli alberi non di uscita, dove ogni contatore suddetto è in grado di contare fino ad un valore massimo prestabilito; e dove il dispositivo di elaborazione è programmato in modo da resettare ogni suddetto contatore in un momento prestabilito conservando un valore che è proporzionale alla posizione di rotazione misurata dell’albero di uscita in modo da evitare che i rispettivi valori del contatore raggiungano o superino i loro massimi.
11. Trasmissione secondo la rivendicazione 6, in cui il dispositivo di elaborazione approssima i valori di 㮀1(t) and 㮀2(t) secondo l’espressione

in cui θ Ⱡ( t ) rappresenta un valore approssimato della posizione angolare di rotazione; 㮀(0)rappresenta una posizione di rotazione iniziale nel momento t=0; Thè la lunghezza degli impulsi di uscita dei sensori ad effetto Hall; N è il numero di masse di conduzione fissate a ogni suddetto albero non di uscita rilevato; e v( 㱀) è un segnale derivato dall’uscita di ogni rispettivo sensore ad effetto Hall; dove il dispositivo di elaborazione approssima la posizione di rotazione θ<Ⱡ>3( t ) dell’albero di uscita secondo l’espressione:

con i pedici 1 e 2 che rappresentano rispettivamente il primo ed il secondo albero non di uscita rilevati; e il pedice 3 che rappresenta l’albero di uscita.
12. Trasmissione secondo la rivendicazione 11 o qualsiasi rivendicazione precedente da essa dipendente, comprendente un rispettivo oscillatore monostabile a cui è operativamente collegata l’uscita di ogni rispettivo sensore ad effetto Hall, per cui l’uscita di ogni suddetto oscillatore monostabile è un segnale v(t) di lunghezza di impulsi costante Thper qualsiasi fronte crescente e/o calante del segnale di uscita del sensore ad effetto Hall h(t) nel momento t.
13. Trasmissione secondo qualsiasi rivendicazione precedente se collegata operativamente come parte di un circuito di controllo della posizione di un veicolo a ruote e/o a cingoli, in cui un segnale che rappresenta una desiderata posizione del veicolo xd(t) nel momento t è un input ad un primo elemento di controllo di aumento Rp, in cui Rprappresenta il rapporto tra un segnale che è proporzionale alla posizione di rotazione dell’albero di uscita; il segnale di uscita g3d(t) del primo elemento di controllo è inviato simultaneamente ad un controllore di posizione e attraverso un elemento di controllo di aumento Z3come uscita regolata sull’aumento del primo elemento di controllo a un primo punto di somma, dove il segnale di uscita del controllore di posizione viene inviato alla trasmissione e alle ruote o cingoli collegati del veicolo, dove segnali che rappresentano le posizioni di rotazione n1(t) e n2(t) degli alberi non di uscita della trasmissione sono rinviati attraverso elementi di controllo rispettivamente degli aumenti Z1e Z2ad un secondo punto di somma in cui viene generato un segnale che rappresenta una differenza misurata tra dette posizioni di rotazione, dove tale differenza viene ulteriormente rinviata al primo punto di somma dove viene sottratta dall’uscita regolata sull’aumento del primo elemento di controllo per definire un segnale di errore e(t) che viene inviato come input al controllore di posizione.
14. Trasmissione secondo la rivendicazione 13, in cui il controllore di posizione opera secondo la relazione
15. Trasmissione secondo una delle rivendicazioni precedenti se installata in un veicolo terrestre tale che uno o più di detti alberi di uscita sia accoppiato in modo da causare la rotazione di una o più ruote e/o cingoli del veicolo che fanno presa sul terreno e/o in cui il veicolo terrestre è un trattore, una trebbiatrice mobile, un caricatore o un cosiddetto veicolo agricolo multiuso.