DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE DESCRIPTION OF INDUSTRIAL INVENTION
Avente per titolo: “Deviatore di coppia multifunzionale” With the title: "Multifunctional torque diverter"
Il “deviatore di coppia multifunzionale” è un insieme di elementi che, interagendo fra loro, creano possibilità per tutte le situazioni nelle quali siano richieste: variazioni di velocità angolare tra monoblocco ruota veicolo, inversione di coppia, avviamento motore, produzine di corrente e di spinta fornita, volendolo, dalla sola trazione elettrica (con normale utilizzo batteria) ecc. -Esso è particolarmente indicato come complemento a motori biellamanovella, motori Wankel ed, in generale, a motori monodirezionali non autoawianti; inoltre, le potenzialità del sistema possono essere estese a molti campi (macchine operatrici e motrici, meccanica di precisione, robotica, nautica, aeronautica etc.). -Nella descrizione seguente ci si limiterà, per comodità di esposizione, alle applicazioni in campo automobilistico. -Attualmente le varie funzioni del “deviatore di coppia multifunzionale” sono svolte da più parti meccaniche come l’alternatore, il motore di avviamento elettrico, il volano, i cambi tradizionali in bagno d’olio (con i relativi tempi di cambiata, le possibili imprecisioni allingranamento, i contraccolpi dovuti all’errore umano, il numero di comandi presenti nell’abitacolo), i variatori a cinghia CVT con invertitore di coppia. Peraltro, oggi, la ripartizione della coppia è data dal differenziale, il quale subisce passivamente le variazioni di velocità angolare in funzione del manto stradale (curve, buche etc): ciò compromette l’ottimizzazione della traiettoria (in quanto non pre-stabilita da un sistema attivo direzionante il veicolo tramite forze applicate) e, conseguentemente, la migliore guidabilità. -È evidente che tale complessità di parti meccaniche ha notevoli limiti derivanti da: peso, usura (in special modo della frizione), possibilità di rotture ingranaggi-cambio e sincronizzatori, necessità di manutenzioni ordinarie e straordinarie, necessità di smaltimento olì esausti. -In particolare, con i cambi attuali: non è quasi consentita la variazione dalla prima marcia alla retromarcia con il veicolo in movimento anche solo per rallemtare l’avanzata veicolo in movimento; non c’è possibilità di trasmissione del moto (generato elettricamente) dal monoblocco, dato che l’a elettrico è a monte dello stesso; non c’è omogeneità di erogazione della spinta (con esclusione forse dei CVT, che notoriamente assorbono comunque molta energia); il “freno motore” risulta spesso poco ottimizzato anche solo per modeste decelerazioni (se non al limite tramite scalate di marcia al confine col dannoso); la costruzione di trazioni sui due assi risulta più pesante ed articolata da schemi dispendiosi; in nessun caso è possibile procedere con la sola trazione elettrica, possedendo nel contempo un motore di tipo convenzionale. Altra caratteristica degli attuali cambi è un funzionamento “irregolare” e non sempre ottimizzante del ”cut-off” alliniezione elettronica in scalata e in “cambiata”. Infine, altra differenza rispetto ai cambi tradizionali deriva dalla possibilità di ottenere non solo il semplice “freno motore” bensì un “freno sistema”, di gran lunga più modulabile e performante (anche se, naturalmente, non sostitutivo dell’apparato frenante principale), con caratteristiche del freno di stazionamento autoinserente. Il “«deviatore» di coppia multifunzionale” è descritto nell’allegata tav. n. 1., ove sono indicati i due elementi principali che lo costituiscono: l’”accoppiatore” (“A”) ed il “regolatore di velocità angolare” (“B”). -L’”accoppiatore” è descritto nell’allegata tav. n. 2, ove “a” è l’albero motore e “d” è l’asse che trasmette il moto alla ruota. L’elemento “b” è il “contralbero”, posto tramite cuscinetto (“c”) nell’elemento “e”, detto “rotativa centrale”, la quale è sostenuta da un numero di cuscinetti a sfera perimetrali non inferiore a tre (omessi nel disegno per praticità descrittiva). La trasmissione del moto nell’accoppiatore può essere realizzata con catene, ruote dentate, cinghie, cinghie che diano adito, volendo, alla possibilità di introdurre variatori, alberi cardanici, viti senza fine. Il numero dei contralberi può variare a seconda delle esigenze costruttive. Nella tav. n. 2, in basso, è raffigurata la versione a ruote dentate, con tre contralberi. Naturalmente, nel caso di trasmissione con ruote dentate (più opportuna nel caso in cui si decida di alloggiare il sistema all’interno del monoblocco con l’utilizzo poi di una catena o altro mezzo al “regolatore di velocità angolare”), i contralberi ruotano in senso opposto all’albero motore. -Il “regolatore di velocità angolare” è descritto nella tav. n. 3, fig. I ed è concettualmente paragonabile ad un “accumulatore cinetico - limitatore di velocità angolare”. Esso è costituito, nella versione base, da un motore/ alternatore elettrico (nel disegno un “passo-passo ibrido”). Esso assolve la funzione di assorbimento/erogazione di corrente aumentando o diminuendo la coppia al proprio asse rotativo. Parallelamente, come in fig. II di tavola 3, si potranno utilizzare altre tipologie di “accumulo cinetico” come macchine operatrici/motrici(si potrà sfruttare ad es la fluidodinamica al collettore di aspirazione o quella di un motore sovralimentato) . Non si escludono in definitiva tutti i tipi di freno o freno-accumulatori esistenti: sia a disco (imbullonati volendolo anche alla rotativa e con segnalazione sul cruscotto di guida sportiva/anti-economica ossia accelerazioni più impegnative) per un minor dimensionamento dei o del motore/alternatore elettrico (comunque sempre presente), sia sistemi come “motori a molla” e qualsiasi dispositivo atto al contenimento della frequenza di rotazione. -Principio di funzionamento. Il “«deviatore» di coppia multifunzionale”, posto tra monoblocco e ruota, consente (e inibisce o inverte) la trasmissione del moto dall’albero motore (a) al semiasse (d) oppure al regolatore di velocità angolare o a entrambi, in qualunque proporzione. -Scontato sarà che oltre all’ormai tradizionale sistema ruota fonica il veicolo dovrà aggiornare la gestione del sistema anche con i dati relativi al senso di rotazione delle ruote e non più alla mera velocità in modulo. -Con il cambio in posizione “Neutral” (ed il motore al minimo regime), il “regolatore di velocità angolare” elabora una velocità proporzionata anche al rapporto puleggia/rotativa quindi la velocità del semiasse ruota viene azzerata. Pertanto, con l’adozione di questo dispositivo, la posizione “Neutral” può assumere, volendo, anche le caratteristiche di “Parking”. Con il cambio in posizione “Drive”, proporzionalmente alla richiesta di accelerazione, il “regolatore di velocità angolare” assorbe e/o elargisce energia dalla rotazione e coppia lavorando su giri/min propri e variando l’amperaggio a seconda delle esigenze. In un esmpio pratico, con partenza da fermo, effettuando l’abbassamento totale del pedale, il motore salirebbe alla potenza massima (per esempio, a 6ooo giri/min) ed il regolatore di velocità angolare inizierebbe la produzione di corrente e la reimmissione della stessa quel tanto da iniziare ad allungare il rapporto (rifornendo comunque la batteria) procedendo così -caso limite- sino alla velocità massima del veicolo. La gestione per i livelli intermedi di accelerazione è, ovviamente, affidata da centralina elettronica. La gestione prevederebbe l’aumento del minimo in caso di partenza da fermo in pendenza (sia in “Drive” che in “Retro”). -La retromarcia viene realizzata aumentando in giri il “normale contrasto” effettuato dal regolatore di velocità sull’accoppiatore in “Neutral/Parking”. Cambio sequenziale: per eventuali esigenze di marketing selezionando regimi di rotazione prestabiliti del regolatore di velocità angolare si potranno ottenere il numero di rapporti e la lunghezza degli stessi. -Avviamento. L’avviamento avviene tramite: a) pressione sufficiente all’impianto idraulico frenante, b) corrente ai due motori. -Alternatore: durante tutto il moto del veicolo, per conformazione del sistema, è più la corrente prodotta di quella utilizzata e avviene così che ne avanza in batteria per gli utilizzatori del veicolo e/o per eventuali batterie opzionali (spostamenti con sola propulsione elettrica). Ripartizione di coppia in curva: variando la corrente erogata per singolo motore (sempre inferiore a quella assorbita) si potranno affrontare curve a telaio predirezionato e con migliore controllo sull’accelerazione positiva/negativa modulato al meglio anche in condizioni estreme come il ghiaccio. The "multifunctional torque diverter" is a set of elements which, interacting with each other, create possibilities for all situations in which they are required: variations in angular speed between the vehicle wheel block, torque inversion, engine start-up, production of current and thrust provided, if desired, by electric traction only (with normal battery use) etc. -It is particularly suitable as a complement to connecting rod engines, Wankel engines and, in general, to non self-starting unidirectional engines; moreover, the potential of the system can be extended to many fields (operating and driving machines, precision mechanics, robotics, boating, aeronautics, etc.). -In the following description we will limit ourselves, for the sake of convenience, to applications in the automotive field. -Currently the various functions of the "multifunctional torque diverter" are performed by several mechanical parts such as the alternator, the electric starter motor, the flywheel, the traditional gearboxes in oil bath (with the relative shift times, the possible meshing inaccuracies, backlashes due to human error, the number of controls in the passenger compartment), CVT belt drives with torque inverter. Moreover, today, the torque distribution is given by the differential, which passively undergoes the angular speed variations according to the road surface (curves, potholes, etc.): this compromises the optimization of the trajectory (as it is not pre-established by a active system directing the vehicle through applied forces) and, consequently, improved driveability. -It is evident that this complexity of mechanical parts has considerable limits deriving from: weight, wear (especially of the clutch), the possibility of gear-gearbox and synchronizer breakages, the need for ordinary and extraordinary maintenance, the need for disposal of used oils. - In particular, with current gearboxes: it is almost not allowed to change from first gear to reverse with the vehicle in motion, even just to slow the advanced vehicle in motion; there is no possibility of motion transmission (electrically generated) from the monoblock, since the electric is upstream of the same; there is no homogeneity in the delivery of the thrust (with the exception perhaps of the CVTs, which are known to absorb a lot of energy anyway); the "engine brake" is often not very optimized even for modest decelerations (if not at the limit through downshifts on the border with the harmful); the construction of tractions on the two axes is heavier and articulated by expensive schemes; in no case is it possible to proceed with electric traction alone, while having a conventional engine. Another characteristic of the current gearboxes is an “irregular” and not always optimizing operation of the electronic injection “cut-off” in downshifting and “shifting”. Finally, another difference compared to traditional gearboxes derives from the possibility of obtaining not only the simple "engine brake" but a "system brake", much more modular and performing (although, of course, not a substitute for the main braking system), with features of the self-engaging parking brake. The "multifunctional torque" diverter "is described in the attached table n. 1., where the two main elements that constitute it are indicated: the "coupler" ("A") and the "angular speed regulator" ("B"). -The "coupler" is described in the attached table n. 2, where "a" is the crankshaft and "d" is the axis that transmits motion to the wheel. The element "b" is the "countershaft", placed by means of a bearing ("c") in the element "e", called "central rotary", which is supported by a number of perimeter ball bearings not less than three ( omitted in the drawing for descriptive convenience). The transmission of motion in the coupler can be achieved with chains, toothed wheels, belts, belts that give rise, if desired, to the possibility of introducing variators, cardan shafts, worm screws. The number of countershafts can vary according to the construction requirements. In table n. 2, below, the version with toothed wheels, with three countershafts is shown. Naturally, in the case of transmission with toothed wheels (more appropriate if you decide to house the system inside the monobloc with the use of a chain or other means to the "angular speed regulator"), the countershafts rotate in the opposite direction to the crankshaft. -The "angular speed regulator" is described in table n. 3, fig. I and is conceptually comparable to a "kinetic accumulator - angular velocity limiter". In the basic version, it consists of an electric motor / alternator (in the drawing a “hybrid stepper”). It performs the current absorption / supply function by increasing or decreasing the torque to its rotary axis. At the same time, as in fig. II of table 3, it will be possible to use other types of "kinetic accumulation" as operating / driving machines (for example, it is possible to exploit the fluid dynamics of the intake manifold or that of a supercharged engine). Ultimately, all types of existing brakes or brake-accumulators are not excluded: both disc brakes (bolted to the rotary press as well and with sports / anti-economic driving warning on the dashboard, i.e. more demanding accelerations) for a smaller sizing of the or of the engine / electric alternator (in any case always present), both systems such as "spring motors" and any device designed to contain the rotation frequency. -Principle of operation. The multifunctional torque "diverter", placed between the engine block and the wheel, allows (and inhibits or reverses) the transmission of motion from the crankshaft (a) to the drive shaft (d) or to the angular speed regulator or both, in any proportion. - It will be discounted that in addition to the now traditional tone wheel system, the vehicle will also have to update the management of the system with the data relating to the direction of rotation of the wheels and no longer the mere speed in the module. -With the gearbox in the “Neutral” position (and the engine at minimum speed), the “angular speed regulator” processes a speed that is also proportional to the pulley / rotary ratio, therefore the speed of the wheel half shaft is reset. Therefore, with the adoption of this device, the "Neutral" position can also assume, if desired, the characteristics of "Parking". With the gearbox in the "Drive" position, in proportion to the acceleration request, the "angular speed regulator" absorbs and / or distributes energy from the rotation and torque working on its own rpm and varying the amperage according to needs. In a practical example, starting from a standstill, by carrying out the total lowering of the pedal, the motor would rise to maximum power (for example, at 6ooo rpm) and the angular speed regulator would start the production of current and the re-introduction of the same. just enough to begin to lengthen the ratio (refueling the battery in any case) thus proceeding - in the extreme case - up to the maximum speed of the vehicle. The management for the intermediate levels of acceleration is obviously entrusted by the electronic control unit. Management would provide for an increase in the minimum in the event of a stationary start on a slope (both in "Drive" and in "Back"). - Reverse is achieved by increasing the "normal contrast" performed by the speed regulator on the coupler in "Neutral / Parking" in revolutions. Sequential gearbox: for any marketing needs, by selecting preset rotation speeds of the angular speed regulator, the number of ratios and their length can be obtained. - Start-up. Start-up takes place via: a) sufficient pressure to the braking hydraulic system, b) current to the two motors. -Alternator: during the whole motion of the vehicle, due to the conformation of the system, the current produced is more than that used and it happens that it is left in the battery for the users of the vehicle and / or for any optional batteries (movements with electric propulsion only) . Torque distribution in curves: by varying the current delivered for each motor (always lower than the absorbed one) it will be possible to face curves with predirected frame and with better control on the positive / negative acceleration modulated at best even in extreme conditions such as ice.
Va da sé che, usufruendo come prima di ruote foniche dell’abs, anche il controllo di trazione sarebbe estremamente efficace. -Frizione: è assente per inutilità. -Freno motore: Ad avvenuto eut-off del sistema di iniezione, vi sarebbe la possibilità di innalzare a comando -e proporzionalmente allo stesso- i giri motore, incrementando la decelerazione. Si potrebbe anche ipotizzare un comando opzionale per lunghe discese o frenate come da tav. 8, nella quale si evidenzia uno “speed control” (emise control freno motore modulabile). -Avviamento a spinta (es. passaggio da trazione elettrica a cambio automatico): La centralina di avviamento dovrà leggere la velocità angolare delle ruote frenando a sufficienza il regolatore di velocità angolare dopo aver abilitato la centralina di iniezione. -L’applicazione in campo automobilistico dell’invenzione può avvenire secondo varie possibilità, alcune delle quali sono illustrate nelle tavole allegate (4-5-6-7). Ci si riserva di ampliare il campo di applicazione di coppie motrici al differenziale. -Tuttavia potrebbe anche utilizzare un sistema singolo per poi, a valle, posizionare un differenziale di qualsivoglia natura. Inoltre creare trazioni posteriori, integrali di qualunque tipo (sia ad albero di trasmissione sino all’altro asse sia semplicemente utilizzando dei brush-less al secondo asse) etc etc. A precisazione di ciò in allegato “q” descrivo schematicamente alcune tra le possibili utilizzazioni del sistema. -In altra versione, il “regolatore di velocità angolare” è costituito dallo stesso sistema coadiuvato da aria compressa tramite macchine motrici/operatrici e serbatoi aria ricavati anche dal telaio del veicolo (idonei anche ed It goes without saying that, using the abs tone wheels as before, the traction control would also be extremely effective. -Fiction: it is absent due to uselessness. -Engine brake: Once the injection system has been eut-off, there would be the possibility of raising the engine rpm on command - and in proportion to the same -, increasing deceleration. It could also be hypothesized an optional command for long descents or braking as per table. 8, in which a “speed control” is highlighted (emise control adjustable engine brake). - Push starting (e.g. switching from electric drive to automatic gearbox): The starter control unit must read the angular speed of the wheels by braking the angular speed regulator sufficiently after enabling the injection control unit. -The application in the automotive field of the invention can take place according to various possibilities, some of which are illustrated in the attached tables (4-5-6-7). We reserve the right to extend the field of application of drive pairs to the differential. -However, it could also use a single system and then, downstream, place a differential of any kind. In addition, create rear drives, integral of any type (both with transmission shaft up to the other axis and simply using brush-less on the second axis) etc etc. To clarify this, in attachment “q” I schematically describe some of the possible uses of the system. -In another version, the "angular speed regulator" is made up of the same system assisted by compressed air through driving / operating machines and air tanks also obtained from the vehicle chassis (also suitable and