PT103369A - Transmissão de variação contínua (cvt) engrenada - Google Patents

Abstract

TRANSMISSÃO DE VARIAÇÃO CONTÍNUA, COM TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA ENGRENADA. BASEADA NA CONJUGAÇÃO DE DOIS DIFERENCIAIS: UM DE ENTRADA E OUTRO DE SAÍDA. O DE ENTRADA DIVIDE O MOVIMENTO POR DOIS PERCURSOS; O DE SAÍDA VOLTA A JUNTÁ-LOS PARA UMA ÚNICA SAÍDA. CADA UM DOS PERCURSOS APRESENTA UMA TAXA DIFERENTE DE DESMULTIPLICAÇÃO DO MOVIMENTO: A UM CHAMAMOS O PERCURSO DA FORÇA (COMPARÁVEL À 1ª VELOCIDADE NAS CAIXAS MANUAIS), E AO OUTRO O PERCURSO DA VELOCIDADE (COMPARÁVEL À ÚLTIMA VELOCIDADE DAS CAIXAS MANUAIS). A VARIAÇÃO CONTÍNUA OBTÉM-SE PELA REGULAÇÃO DA PROPORÇÃO DE MOVIMENTO QUE É DISTRIBUIDO POR CADA UM DOS PERCURSOS. ESSA REGULAÇÃO FAZ-SE POR TRAVAGEM (MECÂNICA OU MAGNÉTICA), DE UM DISCO EM CADA DIFERENCIAL QUE ACTUA SOBRE OS SATÉLITES, E QUE NUM DIFERENCIAL OBRIGARÁ AO AUMENTO DA TAXA DE DESMULTIPLICAÇÃO DO MOVIMENTO, E NO OUTRO À DIMINUIÇÃO DESSA MESMA TAXA.

Description

DESCRIÇÃO "TRANSMISSÃO DE VARIAÇÃO CONTÍNUA (CVT) ENGRENADA"

Problema Existente A transmissão do movimento do motor para as rodas, num veiculo automóvel, faz-se na maior parte dos casos através de uma caixa de velocidades.

Serve esta caixa para adaptar a potência desenvolvida pelo motor, à velocidade, ou seja, à rotação das rodas motrizes.

Assim, quando é necessário vencer uma subida, ou deslocar um maior peso, desmultiplicam-se as rotações por minuto do motor, por forma a aplicar nas rodas uma força maior.

Ao contrário, quando a força aplicada é superior à necessária, diminui-se a desmultiplicação da rotação do motor, por forma a poder diminuir a potência debitada, mantendo a velocidade. A adaptação, ou melhor, a escolha da relação de desmultiplicação motor/rodas é feita, nas caixas manuais, por decisão do condutor.

Nas caixas automáticas, essa decisão é tomada por sistemas em que o condutor tem pouca, ou nenhuma, intervenção.

Entre os vários inconvenientes destes sistemas, estão a perda de potência durante o período em que se efectua a troca de engrenagens, e o consumo excessivo de combustível, pela utilização do motor em regime superior ao necessário.

Na busca de soluções para este problema, e na tentativa de economização de combustível, vários caminhos têm sido percorridos.

Por um lado, no aperfeiçoamento dos sistemas de controlo e comutação de engrenagens nas caixas automáticas (com um número fixo de relações de engrenagem); por outro lado na procura de mecanismos de transmissão sem um número discreto de relações de engrenagem, mas sim com uma infinidade de possibilidades de desmultiplicação, e que portanto permitam 1/9 constantemente uma adaptação "perfeita" do regime do motor ao deslocamento pretendido.

Estes últimos sistemas, chamados de transmissões de variação contínua, ou do inglês, Continuously Variable Transmission (CVT), têm vindo gradualmente a aparecer em modelos automóveis de fabrico em série.

As actuais soluções baseiam-se no entanto em mecanismos de atrito, que determinam limites na potência transmitida, desgaste, aquecimento e rendimentos baixos se comparados com a transmissão engrenada. A presente invenção refere-se a uma transmissão de variação contínua engrenada, o que permite a utilização com motores de qualquer potência, e que não sofre dos problemas de aquecimento e desgaste das soluções por atrito.

Componentes do Sistema agora apresentado 1 - Transmissão A transmissão, recebe movimento de rotação de um motor, e fornece na saída uma rotação cuja relação saída/entrada varia continuamente desde zero até um valor máximo que depende da escolha de construção da transmissão. A relação zero quer dizer que, apesar de existir movimento à entrada da transmissão, não existe movimento à saída. Esta é a situação em que nenhuma acção (travagem) é aplicada pelo controlo, e as rodas motrizes estão sem movimento. A relação máxima é obtida quando a travagem aplicada pela unidade de controlo obriga a que o movimento se transmita totalmente (ou quase totalmente, dependendo do método de travagem) pelo percurso da velocidade. A travagem referida atrás, significa o bloqueio total de um disco, ou a limitação de rotação desse disco a um valor máximo, dependendo do sistema de travagem utilizado.

Para a compreensão do funcionamento desta transmissão, é necessário conhecer o funcionamento do diferencial.

Um diferencial recebe movimento através da roda de coroa (solidária com o corpo do diferencial), e distribui por dois semi-eixos em função da resistência que cada um deles oferece ao movimento. 2/9 0 movimento é transmitido do corpo do diferencial aos eixos dos satélites (engrenagens cónicas), que por sua vez transmitem aos planetários (também engrenagens cónicas) que estão solidários com os semi-eixos de saída.

Representamos um diferencial pelo esquema da figura 1, em que (2) representa a roda de coroa, e (1) e (3) os semi-eixos de saída. A equação que estabelece a relação entre a rotação da roda de coroa (2) designada aqui por C (em voltas por unidade de tempo), e a rotação dos semi-eixos de saída (1) e (3) designados por Si e Sj, é: 2xC = Si + Sj.

Como é sabido, e se deduz da equação, se Si e Sj tiverem a mesma rotação, então ela é igual à de entrada C. Se um dos semi-eixos Si ou Sj estiver parado, o outro apresenta o dobro da rotação de entrada. 0 presente sistema de transmissão baseia-se na junção de dois diferenciais, conforme a figura 2. A um chamamos o diferencial de entrada, e ao outro o diferencial de saída. 0 motor engrena com a roda de coroa do diferencial de entrada (4), e obtemos a rotação de saída pela roda de coroa do diferencial de saída (13).

Os semi-eixos (5) e (6) engrenam com os semi-eixos (12) e (11) através das rodas dentadas (7) com R2 dentes, e (9) com R4 dentes, e (8) com RI dentes e (10) com R3 dentes.

Podemos desde já verificar duas situações particulares: A) Figura 3. Quando os eixos (6) ou (11) estão travados, a transmissão do movimento faz-se por (5) e (12) e a rotação de saída S é dada em função da rotação de entrada E, por:

S = -(R2/R4)xE (o sinal menos indica mudança no sentido de rotação). B) Figura 4. Quando os eixos (5) ou (12) estão travados, a transmissão do movimento faz-se por (6) e (11) e a rotação de saída é dada por S = -(R1/R3)xE. 3/9 A situação descrita em B) chamamos transmissão pelo percurso da força, desde que a escolha de R1/R3 conduza a uma desmultiplicação da rotação do motor de uma forma equivalente ao que seria a Ia velocidade de uma caixa manual. À situação descrita em A) chamamos o percurso da velocidade, desde que a escolha de R2/R4 conduza a uma (des)multiplicação da rotação do motor de uma forma equivalente ao que seria a última (5a ou 6a) velocidade de uma caixa manual. 1.1 - Equações de Movimento

As equações destes diferenciais são:

Diferencial de entrada DE: Diferencial de saida DS: 2E = SI + S2 2S = S3 + S4 em que: E representa a rotação da roda de coroa do diferencial de entrada, S representa a rotação da roda de coroa do diferencial de saida. Sl representa a rotação do semi-eixo (6), S2 representa a rotação do semi-eixo (5), S3 representa a rotação do semi-eixo (11) r S4 representa a rotação do semi-eixo (12)

As equações das rodas dentadas também são simples: S3 = -(R1/R3).SI S4 = -(R2/R4).S2

Temos 4 equações e cinco variáveis livres S, Sl, S2, S3, S4, pelo que apenas podemos expressar a saida em função da entrada E e uma das outras variáveis livres. Isto é: S=(Sl/2).{(R2/R4) - (R1/R3)) - (R2/R4).E (Eq. 1)

S=(S2/2).{(R2/R4) - (R1/R3)) - (R1/R3).E

S=(S3/2).{1 - (R2/R4).(R3/R1)) - (R2/R4).E

S=(S4/2).(1 - (R4/R2).(R1/R3)) - (R1/R3).E (equações válidas desde que R1/R3 diferente de R2/R4) 4/9

Obviamente que se não forem impostos valores de rotação aos semi-eixos Sl, S2, S3 e S4, servem estas equações para determinar quais os valores que esses semi-eixos têm, se tivermos conhecimento dos valores de rotação da entrada e da saida.

Resumidamente podemos dizer que se as forças actuantes sobre o sistema forem apenas a proveniente do motor e a rotação das rodas motrizes, então não existe relação imposta entre o motor e as rodas; pelo contrário são estas forças que determinam a rotação dos 4 semi-eixos do conjunto.

Nesta situação as rodas e o motor rodam de forma independente, pelo que podemos dizer que temos uma caixa em ponto morto.

Analisemos então o caso em que temos rodas paradas (S=0) e uma qualquer rotação E de entrada.

Fazendo S=0 nas equações expressar a rotação de cada entrada: anteriores, podemos então um dos eixos em função da Sl = (R2/R4) . 2E/( (R2/R4) - (R1/R3) ) (Eq. 2) S2 = -(R1/R3) . 2E/( (R2/R4) - (R1/R3) ) S3 = -(R1/R3).(R2/R4) . 2E/( (R2/R4) - (R1/R3) ) S4 = (R1/R3).(R2/R4) . 2E/( (R2/R4) - (R1/R3) )

Se assumirmos que R2/R4 é > 1 (multiplicação do movimento de S2 para S4), e 0 < R1/R3 < 1 (desmultiplicação do movimento de Sl para S3) podemos fazer uma primeira constatação: é a de que Sl apresenta uma rotação superior a 2E, e que todos os eixos estão em movimento.

Este valor de 2E em Sl, como sabemos da equação do diferencial, acontece quando o outro eixo ( S2 ), se encontra sem movimento. O que neste caso quer dizer que este valor se verifica quando todo o movimento se transmite pelo percurso da força, e o percurso da velocidade se encontra sem movimento (S2=S4=0).

Pelo contrário, quando todo o movimento se transmite pelo percurso da velocidade, teremos o percurso da força sem movimento, e portanto o eixo Sl parado (S1=S3=0). A Eq. 1 descreve este comportamento, e a sua representação gráfica é visivel na figura 5. 5/9

Tal como descrito, podemos verificar a existência de um valor de SI que anula S; e se forçarmos a descida dessa rotação até 2E, então anulamos a rotação de S2 e S4, e todo o movimento se transmite pelo percurso da força (E -> SI -> S3 -> S).

Fazendo um paralelo com o funcionamento das caixas manuais, podemos dizer que este corresponde ao período de embraiagem aquando do início do movimento.

Se continuarmos a forçar a diminuição de rotação de Sl, até à sua completa travagem, teremos a transmissão a variar continuamente até à sua multiplicação máxima.

Portanto, quando Sl roda com valores entre 2E e zero, temos a transmissão do movimento a variar entre o percurso da força e o percurso da velocidade. Esta é uma variação contínua de taxa de desmultiplicação de rotação.

Mais uma vez fazendo um paralelo com as caixas manuais, podemos dizer que actuando por travagem sobre a rotação de Sl, estamos a “subir as mudanças", e que deixando de actuar, a tendência do veículo será de fazer "baixar as mudanças", aumentando a rotação de Sl, e diminuindo a rotação das rodas.

No entanto, isto apenas é verdade quando existe resistência ao movimento. Não no caso de se verificar tendência para o aumento do movimento do veículo (por exemplo nas descidas). Neste caso estaremos interessados em actuar por forma a "baixar as mudanças", e aumentar a rotação em Sl. 0 que pode ser feito de forma semelhante à descrita para "subir as mudanças", actuando por travagem num dos eixos do percurso da velocidade. Isto é, sobre S2 ou S4.

Repare-se que em qualquer situação de movimento das rodas motrizes (e de S) , e de rotação do motor (e de E) , está estabelecida uma relação de desmultiplicação entre um e outro, que podemos dizer parametrizada pela rotação de qualquer dos semi-eixos.

Assim, se o veículo oferece resistência ao movimento, a sua tendência será para diminuir a velocidade e aumentar a rotação de Sl. Se quisermos manter a relação de desmultiplicação, a travagem que será necessário aplicar terá de ser a bastante para que não se verifique o aumento de rotação de Sl e o veículo não diminua velocidade.

Simétricamente, se o veículo não oferece resistência ao movimento e recebe uma força no sentido do movimento, p.e. a gravidade durante uma descida, a sua tendência será para 6/9 aumentar a velocidade e aumentar a rotação de S4. Se quisermos manter a relação de desmultiplicação, a travagem que será necessário aplicar terá de ser a bastante para que não se verifique o aumento de rotação de S4 e o veiculo não aumente velocidade. A procura da relação de desmultiplicação correcta em cada instante, tem de obedecer a uma lógica cuidada, e portanto a uma leitura frequente dos parâmetros necessários à avaliação e tomada de decisão. Obviamente terá de ter em conta quer a rotação do motor, quer as circunstâncias em que se desloca o veiculo, quer as intenções do condutor. 2 - Controlo 0 controlo da multiplicação/desmultiplicação faz-se por meio mecânico (travagem) e seguindo uma lógica apropriada. Essa lógica terá de estar memorizada no sistema através de um algoritmo que permita analisar o estado do sistema e do movimento do veículo, e tome decisões. Vamos agora descrever um método de travagem, que não esgota por si só todas as possibilidades de controlo por travagem, e que se apresenta desde já como uma solução adicional à subentendida em todo o texto anterior, a da travagem directa sobre qualquer um dos semi-eixos Sl, S2, S3 e S4.

Como vimos atrás, para uma rotação genérica de entrada E, se a saída for nula, o eixo Sl apresenta uma rotação máxima dada pela Eq. 2. 0 que pretendemos é actuar por travagem, sem no entanto o fazer directamente sobre o eixo Sl, ou qualquer dos outros semi-eixos. Ora, a solução agora apresentada, actua sobre os satélites no interior do diferencial, impedindo-os de rodar quando isso é o necessário para que a distribuição do movimento se faça desigual entre os dois semi-eixos. 2.1 - Travagem dos satélites

Consideremos um diferencial cujos satélites e planetários são engrenagens cónicas com número idêntico de dentes. Por cada volta do corpo do diferencial, cada semi-eixo dará também uma só volta se e só se os satélites não rodarem sobre o seu próprio eixo. Neste caso, o diferencial (e semi-eixos) funciona como um bloco solidário. Mas se pararmos um dos semi-eixos de saída, por cada volta dada 7/9 pelo corpo do diferencial, cada satélite dará uma volta completa sobre o seu próprio eixo.

Mais genericamente, se os planetários tiverem P dentes, e os satélites Q dentes, ao forçar a paragem de um dos semi-eixos de saída, cada satélite dará P/Q voltas sobre o seu próprio eixo, por cada volta completa do corpo do diferencial.

Também se verifica com facilidade, que a travagem de um dos semi-eixos obriga os satélites a rodarem no sentido contrário ao que se obtém pela travagem do outro semi-eixo. Assim, podemos dizer que da travagem total de um semi-eixo, à travagem total do outro semi-eixo, corresponde a rotação dos satélites sobre o seu próprio eixo, desde -P/Q a +P/Q.

Consideremos agora que fixos aos satélites, concêntricos com os seus próprios eixos, estão outras rodas dentadas cónicas (14). Estas engrenagens podem estar também contidas no interior do corpo do diferencial. Estas duas rodas engrenam simultaneamente sobre uma terceira nova roda (15), esta concêntrica com o eixo de rotação dos semi-eixos. Naturalmente que esta cónica tem de conter uma abertura por onde é atravessada pelo semi-eixo do respectivo lado onde é montada. A rotação da roda (15), considerada relativamente ao referencial dos eixos dos satélites, é dada por T/R, em que T representa o número de dentes da roda (15), e R representa o número de dentes da roda (14).

Como (14) tem a mesma rotação dos satélites, temos que a rotação de (15) é dada por -Ρ/QxT/R, quando travado um dos semi-eixos, e por +P/QxT/R quando travado o outro semi-eixo. Isto no referencial dos eixos dos satélites. Para sabermos a rotação de (15) no referencial universal, ou seja o do veículo, basta somar (ou subtrair; neste momento é arbitrário, já que não foi convencionado com precisão qual o sentido positivo, qual o negativo) uma unidade, já que os valores calculados são sempre referidos a uma volta completa do corpo do diferencial.

Assim, a rotação de D de (16) no referencial universal, é dada por: D = 1 + P/Q x T/R na travagem de um dos semi-eixos. E por: D = 1 - P/Q x T/R na travagem do outro semi-eixo. 8/9

Se planetários e satélites tiverem o mesmo número de dentes, e também (14) e (15) tiverem número idêntico de dentes, então D vai variar entre 0 e 2. Claro que outras combinações de dentes conduzem ao mesmo resultado. Basta P/QxT/R ser igual a 1.

Mas o que nos interessa verificar é que podemos travar um semi-eixo, por travagem do disco (16).

Ora, se em cada um dos dois diferenciais do sistema tivermos um sistema de travagem do disco, e os montarmos simetricamente, então temos a solução completa de regulação da transmissão: - se houver resistência ao movimento e quisermos "subir as mudanças", travamos o disco (16); - se houver resistência ao movimento e quisermos "descer as mudanças" não se efectua qualquer travagem; - se houver força no sentido do movimento e quisermos "descer as mudanças" travamos o disco (17); - se houver força no sentido do movimento e quisermos "subir as mudanças" não se efectua qualquer travagem.

Resta criar um algoritmo para controlo da transmissão, e que tome as decisões de travagem dos discos sempre que for adequado. A melhor solução de travagem terá de ser verificada experimentalmente, mas a travagem magnética parece ser preferível por permitir um comando eléctrico imediato e não usar superfícies em contacto directo, e portanto dissipar menos calor, não ter manutenção e ter mais longo período de vida. Évora, 30 de Janeiro de 2006 9/9

Claims (1)

1. REIVINDICAÇÕES Io - Transmissão de variação continua, caracterizada por: - acoplar dois diferenciais em paralelo, um recebendo o movimento através da roda de coroa (4), o outro enviando o movimento para o órgão seguinte da transmissão através da sua roda de coroa (13), e por - ligar cada par de semi-eixos (5) e (12), e (6) e (11), através de rodas dentadas (7) e (9), e (8) e (10) com ratios de desmultiplicação diferentes. 2o - Transmissão de variação contínua, de harmonia com a reivindicação 1, caracterizada por efectuar o controlo da variação contínua da taxa de desmultiplicação do movimento através da travagem dos discos (16) e (17), um em cada diferencial, discos estes solidários com uma roda dentada (15) engrenada com duas outras rodas (14) acrescentadas aos diferenciais nos eixos dos satélites; permitindo a travagem de um dos discos o aumento da taxa de desmultiplicação, e a travagem do outro a diminuição dessa mesma taxa. 3o - Transmissão de variação contínua, de harmonia com a reivindicação 1, caracterizada por permitir também a regulação da taxa de desmultiplicação do movimento por travagem mecânica ou magnética de dois eixos de rotação{6) ou (11), e (5) ou (12), um que a aumenta e outro que a diminui. Évora, 30 de Janeiro de 2006. 1/1