PT1572486E

PT1572486E - Conjunto da accionamento híbridico para um veículo, em particular uma motocicleta (scooter)

Info

Publication number: PT1572486E
Application number: PT03808298T
Authority: PT
Inventors: Emilio Vitale; Francesco Frendo; Luigi Arnone; Maurizio Marcacci; Giovanni Riggio
Original assignee: Piaggio & C Spa; Univ Pisa
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2007-07-30
Also published as: CA2509826C; KR20050119636A; ES2257232T3; EP1572486A1; CY1106734T1; CN100395130C; ATE359931T1; CA2509826A1; HK1085702A1; RU2005123360A; JP2006520713A; EP1572486B1; ITTO20021088A1; US20060063638A1; US7351265B2; SI1572486T1; DK1572486T3; AU2003303034B2; ES2257232T1; DE60313360D1

Description

DESCRIÇÃO "Conjunto de accionamento híbrido para um veiculo, em particular uma motocicleta ("scooter")"

Campo técnico A presente invenção refere-se a um conjunto de accionamento híbrido para um veículo rodoviário, em particular uma motocicleta ("scooter"). Técnica anterior É do conhecimento geral que vários fabricantes de veículos rodoviários, em particular carros, encontram-se neste momento a experimentar veículos de propulsão híbrida, alguns dos quais foram recentemente comercializados. Embora a "propulsão híbrida" se refira normalmente à utilização de dois ou mais sistemas de propulsão diferentes, as soluções até agora propostas são normalmente uma combinação de um motor de combustão interna (denominado na presente simplesmente como "motor de combustão") e uma máquina eléctrica, para explorar as vantagens e compensar as desvantagens de cada um.

Mais especificamente, a vantagem principal de um motor de combustão, e a razão por que é utilizado quase exclusivamente em veículos rodoviários, é a distância que o combustível proporciona devido à elevada concentração de energia do combustível empregue (substancialmente hidrocarbonetos). Por outro lado, um motor de combustão produz emissões perigosas, pode operar somente dentro de um dado limite de velocidade, exigindo deste a «filiação de componentes auxiliares (caixa de velocidades e embraiagem), e apresenta um nivel de ruido relativamente elevado.

Além disso, mesmo dentro dos limites de funcionamento, a eficiência de um motor ée combustão ê muito baixa (cerca de 20 a 30%) sendo que variações no estado estável de funcionamento do motor aumentam consideravelmente as emissões poluentes.

Uma máquina eléctrica não produz qualquer poluição "local", é silenciosa, altamente eficiente (cerca de 80%) e passível de gerar binário logo no arranque. A aplicação em veículos rodoviários, contudo, tem sido até agora comprometida pelo âmbito limitado de baterias eléctricas actualmente disponíveis, pelo menos aquelas de uma dimensão, peso e custo realizável para veículos rodoviários.

Para eliminar ou reduzir as desvantagens associadas â utilização de um tipo de motor, têm sido propostas soluções híbridas de várias configurações permitindo a utilização alternativa ou combinada de ambos os sistemas de propulsão.

Mais especificamente, numa primeira combinação conhecida denominada "híbrida em série", o motor de combustão serve somente para accionar um gerador de corrente eléctrica, que carrega as baterias que alimentam uma máquina eléctrica. A propulsão é por isso controlada exclusivamente pela máquina eléctrica. Esta solução proporciona uma redução considerável no consumo, dado que o motor de combustão é chamado somente para fornecer potência média, sendo assim operado em condições estáveis óptimas.

Na configuração "híbrida paralela", ambos o motor a combustão e a máquina eléctrica encontram-se ligados às rodas de accionamento por mecanismos de transmissão apropriados.

Os conhecidos conjuntos de accionamento híbrido do tipo resumidamente descrito acima são complexos, dispendiosos, e volumosos, sendo este o motivo porque, que seja do conhecimento do requerente, eles nunca foram comercializados para veículos compactos de baixo custo tal como motocicletas ("scooters"). A patente EP-A-0 908 343 descreve um conjunto de accionamento híbrido que compreende um motor de combustão interna que apresenta um veio accionador, uma máquina eléctrica que apresenta um rotor ligado a um veio primário alinhado ao veio de transmissão do motor, uma embraiagem intercalada entre o veio de transmissão do motor e o rotor da máquina eléctrica, e uma unidade de transmissão incluindo um CVT intercalado entre o veio primário e o eixo da roda.

Além de ser consideravelmente complexo e deste modo não adaptado para a utilização em veículos rodoviários pequenos tal como motocicletas ("scooters"), o conhecido conjunto de accionamento híbrido acima mencionado apresenta uma desvantagem em que a máquina eléctrica se encontra localizado a montante da unidade de transmissão, e em particular a CVT, de modo que, quando a máquina eléctrica funciona como gerador (travagem regenerativa), é reduzida a eficiência da recuperação de energia. A patente EP-A-0 445 873 descreve um sistema de propulsão híbrido para veículos, que compreende uma primeira unidade de propulsão, do tipo de combustão interna, e uma segunda unidade de propulsão, do tipo eléctrico. Neste conhecido sistema, a unidade de propulsão eléctrica transmite o movimento da roda do veículo através de uma série de veios e rodas dentadas, não proporcionando deste modo um sistema de propulsão híbrido compacto verdadeiro.

Descrição da invenção É um objectivo da presente invenção proporcionar um conjunto de accionamento híbrido extremamente fácil de compreender, de baixo custo, compacto, o qual pode também ser utilizado em veículos rodoviários pequenos de baixo custo, tal como motocicletas ("scooters"), mas o qual também permite a selecção de vários modos de funcionamento com base em exigências de funcionamento ou condições rodoviárias diferentes.

De acordo com a presente invenção, é proporcionado um conjunto de accionamento híbrido para um veículo que apresenta pelo menos uma roda motriz, compreendendo o conjunto de accionamento um motor de combustão interna que apresenta um veio de transmissão, um veio de transmissão ligado angularmente ao veículo de accionamento, uma transmissão CVT, intercalada entre o veio de transmissão e o veio de transmissão (6) , que apresenta um tambor de accionamento (10) ligada angularmente ao veio de transmissão e um tambor accionado ligável ao veio de transmissão; uma embraiagem centrífuga, intercalada entre o tambor accionado e o veio de transmissão, que apresenta um elemento de accionamento ligável ao tambor accionado e o elemento de accionamento na forma de uma campânula solidarizado ao veio de propulsão, podendo uma máquina eléctrica ser operada em vez ou em combinação com o motor de combustão interna. Este conjunto de accionamento híbrido é caracterizado por a máquina eléctrica compreender um rotor exteriormente coaxial e solidarizado à parede lateral da campânula da embraiagem, encontrando-se intercalado um acoplamento entre o tambor accionado e o elemento de accionamento da embraiagem para ligar selectivamente o elemento de accionamento ao tambor accionado. A presente invenção refere-se também a um veiculo, em particular uma motocicleta ("scooter"), compreendendo um tal conjunto de accionamento híbrido.

Breve descrição dos desenhos

Serão descritas duas formas de realização preferidas, não limitativas, da presente invenção através de um exemplo tomando como referência os desenhos anexos. As figuras apresentam:

Figura 1 diagrama de um conjunto de accionamento híbrido de acordo com uma primeira forma de realização da invenção;

Figura 2 diagrama de um sistema de controlo para controlar o conjunto de accionamento da figura 1;

Figura 3 diagrama parcial de uma forma de realização alternativa da presente invenção.

Forma de realização preferida da invenção O número 1 na figura 1 indica no global um conjunto de accionamento hibrido para uma motocicleta ("scooter") que apresenta uma roda motriz traseira 2 de eixo A. 0 conjunto de accionamento 1 compreende um motor de combustão 3 que apresenta um veio de transmissão 4 de eixo B paralelo ao eixo A; e uma unidade de transmissão 5 intercalada entre o veio de transmissão 4 e um veio de transmissão 6 do eixo C, paralelo aos eixos A e B e ligado angularmente à roda de accionamento 2.

Mais especificamente, a unidade de transmissão 5 compreende uma transmissão continuamente variável ou CVT 7 (na presente designada simplesmente como "CVT 7") e uma embraiagem centrífuga 8 em série uma com a outra.

A CVT 7 compreende um tambor de accionamento 10 encaixado no veio de transmissão 4; um tambor de accionamento 11 coaxial e encaixado de um modo angularmente livre ao veio de transmissão 6; e uma correia em V 12 anelado em redor dos tambores 10, 11. Os tambores 10, 11 apresentam fendas V respectivas 13, 14 para a correia 12, e encontram-se definidos por dois meios tambores 10a, 10b e 11a, 11b respectivamente, que são móveis axialmente em relação um ao outro para variar a largura da fenda 13, 14 e por isso o diâmetro de enrolamento da correia 12. A variação da posição axial relativa dos meios tambores 10a, 10b do tambor 10 de accionamento é controlada por um dispositivo centrífugo conhecido, não apresentado, encontrando-se os meios tambores 11a, 11b do tambor de accionamento 11 carregados axialmente em direcção um ao outro por uma mola 15 para adaptar automaticamente o diâmetro de enrolamento da correia 12 inversamente ao do tambor de accionamento 10.

Mais especificamente, o tambor de accionamento 11 é ligável selectivamente ao veio de transmissão 6 pela embraiagem centrífuga 8, que compreende um cubo de roda 20 encaixado para rotação no tambor de accionamento 11; vários pesos centrífugos 21 transportados pelo cubo da roda 20 e mantidos numa posição de descanso radialmente retirada por molas 22; e uma campânula accionada 26 integral com o veio de transmissão 6.

Em resposta à rotação do cubo da roda 20 a uma velocidade angular suficiente para ultrapassar a reacção das molas 22, os pesos centrífugos 21 movem-se radialmente para o exterior para cooperar por fricção com uma parede lateral sensivelmente cilíndrica 25 da campânula 26. A mola 15 do tambor accionado 11 é comprimida axialmente entre o cubo da roda 20 da embraiagem 8 centrífuga e meio tambor 11b móvel, de modo a carregar o meio tambor llb axialmente em direcção ao meio tambor fixo 11a. 0 veio de transmissão 6 encontra-se ligado à roda motriz 2 por um redutor convencional 28 apresentado somente esquematicamente na figura 1 e que apresenta o veio de transmissão 6 como elemento de entrada, sendo que como elemento de saída, apresenta um veio 29 do eixo A, ao qual a roda motriz 2 se encontra fixa rigidamente durante a utilização.

De acordo com a presente invenção, o conjunto de accionamento 1 compreende também uma máquina eléctrica 32 coaxial à embraiagem centrífuga 8 e que apresenta um estator 33 acolhido numa caixa fixa 34 do conjunto de accionamento 1, e um rotor 35 coaxial exteriormente à parede lateral 25 da campânula 26 da embraiagem centrífuga 8, e solidarizado à campânula 26 e por isso ao veio de transmissão 6. A máquina eléctrica 32 é vantajosamente de um tipo reversível, e encontra-se ligada à bateria do veículo 36 (figura 2) para utilização como um gerador para carregar a bateria em certas condições de funcionamento. 0 conjunto de accionamento 1 compreende também um gerador eléctrico 37 accionado pelo motor de combustão 3 de um modo conhecido e ligado à bateria 36. O conjunto de accionamento 1 é controlado por uma unidade de controlo 38 que controla a máquina eléctrica 32, e um accionador 39 para ajustar a posição de uma válvula de borboleta 40 do motor de combustão 3, em resposta a vários sinais de entrada que indicam as condições de funcionamento do conjunto 1, e que compreende um sinal Sa que indica a posição de uma pega do acelerador 44, e sinais Sf que indicam a acção do utilizador nas alavancas de travão 45. A unidade de controlo 38 recebe também sinais àss entrada Ss de um dispositivo selector 46 localizado no painel de instrumentos do veiculo para seleccionar o modo de funcionamento do conjunto de accionamento 1. 0 dispositivo selector pode compreender, por exemplo, vários botões T, E, P, S para seleccionar respectivamente os seguintes modos de funcionamento: SGM&mssãe* (T), em que a propulsão é proporcionada somente pelo dispositivo de combustão 3; (E), em que a propulsão é proporcionada somente pela máquina eléctrica 32 que funciona como um motor eléctrico; "Híbrido paralelo" (P), em que o motor a combustão 3 e a máquina eléctrica 32 proporcionam ambos energia de accionamento; e "Híbrido em série" (S), em que o motor a combustão 3 ê utilizado somente para alimentar o gerador eléctrico 37 para carregar a bateria 36, enquanto que o binário para a roda motriz é proporcionado somente pela máquina eléctrica 32. 0 funcionamento do conjunto de accionamento 1 será agora descrito tomando como referência os modos de funcionamento acima mencionados.

No modo de , a máquina eléctrica 32 não é alimentada, de modo que, apesar do ligeiro aumento no momento de inércia da campânula 26 da embraiagem centrífuga 8, o conjunto de accionamento 1 funciona exactamente no mesmo modo que um conjunto convencional totalmente mecânico, quando a máquina eléctrica 32 ainda não existia. Mais especificamente, à velocidade de ralenti do motor de combustão 3, a CVT 7 mantém um rácio definido pelo diâmetro de enrolamento mínimo da correia 12 no tambor de accionamento 10, e pelo diâmetro de enrolamento máximo da correia 12 no tambor de accionamento 11. Nesta condição, a embraiagem centrífuga 8 é aberta, de modo que o veio de transmissão 6 é desligado da CVT 7 e não transmite qualquer binário para a roda motriz 2.

Conforme a velocidade de rotação do veio de transmissão 4 aumenta, a embraiagem centrífuga 8 é fechada pelo movimento dos pesos centrífugos 21, que ligam rotativamente a campânula 26, e por isso o veio de transmissão 6, ao tambor de accionamento 11 da CVT 7, de modo que o veículo é iniciado com um rácio de transmissão ,

Conforme a velocidade do veio de transmissão 4 aumenta cada vez mais, a CVT 7 comuta gradualmente e automaticamente de um modo conhecido não descrito em pormenor, do referido rácio "curto" para um rácio "longo" definido pelo diâmetro de enrolamento máximo da correia 12 no tambor de accionamento 10, e pelo diâmetro de enrolamento mínimo da correia 12 no tambor de accionamento 11.

Quando se desacelera ou trava, os passos de funcionamento acima mencionados são repetidos inversamente. Além disso, o rotor 35 da máquina eléctrica 32, encontrando- se solidarizado à campânula 26 da embraiagem centrífuga, é accionado pela roda motriz 2, de modo que a máquina eléctrica 32 actua como um gerador de corrente eléctrica que retira energia mecânica (actuando assim como um travão electrodinâmico) e gera energia eléctrica.

No modo "eléctrico", o motor a combustão 3 não é operado, de modo que o veio de transmissão 4 e CVT 7 ficam estacionários, sendo a embraiagem centrífuga 8 aberta pelos pesos centrífugos 21 que são sujeitos somente à força de retorno exercida pelas molas 22. Tudo o que seja a montante da campânula 26, incluindo o motor a combustão 3 e CVT 7, é por isso completamente desligado da roda motriz 2. 0 binário de accionamento da máquina eléctrica 32, cujo rotor 35 se encontra solidarizado à campânula 26, é transmitido pela campânula directamente para o veio de transmissão 6 e através do redutor 28 para a roda motriz 2.

Também neste modo de operação, quando se desacelera ou trava, não sendo gerada qualquer energia pela máquina eléctrica 32, o rotor 35 é accionado e a máquina eléctrica 32 retira a energia mecânica e gera energia eléctrica para carregar a bateria 36.

Num modo "híbrido paralelo", o motor a combustão 3 e máquina eléctrica 32, a última operando como um motor tal como descrito no modo , operam simultaneamente, sendo que o binário e energia produzidos por ambos se juntam e são adicionados no veio de transmissão 6, melhorando deste modo grandemente o rendimento. Além disso, a solicitação de energia pelo utilizador pode ser dividida entre o motor de combustão 3 e máquina eléctrica 32 para reduzir o consumo e/ou emissões.

No modo "híbrido em série", o motor de combustão 3 serve somente para accionar o gerador eléctrico 37, sendo a propulsão proporcionada somente pela máquina eléctrica 32. Com a arquitectura do conjunto 1 apresentada na figura 1, para que o motor de combustão 3 seja desligado da roda motriz 2, a velocidade do motor tem de ser suficientemente baixa de modo a não fechar a embraiagem centrífuga 8. No caso de isto impor uma condição de funcionamento menos do que óptima do motor a combustão 3 em termos de eficiência e emissões, a arquitectura do conjunto 1 é apropriadamente modificada tal como apresentado na figura 3, em que o tambor accionado 11 e cubo da roda 20 da embraiagem centrífuga, ao contrário de estarem ligados permanentemente, são ligáveis selectivamente por um acoplamento 51, por exemplo um electromagnético, denominado "acoplamento Gravina" controlado pela unidade 38.

Com este sistema de transmissão, quando é seleccionado o modo "híbrido em série ", o acoplamento 51 é colocado na posição "aberta", de modo que o motor a combustão 3 pode operar a velocidade constante seleccionada para optimizar com eficiência e minimizar as emissões, independentemente da velocidade limite de intervenção da embraiagem centrífuga 8. A unidade de controlo 38 pode convenientemente ser programada para operar o motor a combustão 3 a dois ou mais diferentes níveis de potência (mas sempre à velocidade constante a cada nivel de potência) dependendo da potência média exigida pelo utilizador e/ou condições rodoviárias.

Além disso, o acoplamento 51 permite mudar de um modo de funcionamento para outro sem parar o veiculo.

Quando se trava ou desacelera também nos modos hibridos, a máquina eléctrica 32 actua como um gerador, ao contrário de um motor, e por isso como um travão regenerativo.

As vantagens do conjunto de accionamento 1 de acordo com a presente invenção serão visíveis da descrição anterior.

Em particular, a arquitectura da transmissão procura obter um conjunto de accionamento extremamente fácil de compreender, de baixo custo e compacto, que pode também ser utilizado em veículos da estrada pequenos, de baixo custo tal como motocicletas ("scooters"), e que pode operar em vários modos seleccionáveis com base em diferentes exigências de funcionamento e condições rodoviárias.

Além disso, os vários modos de funcionamento permitem economia de energia devido ao facto da máquina eléctrica 32 operar como um travão regenerativo.

Finalmente, a arquitectura da transmissão proporciona uma eficiência global óptima em cada modo de funcionamento, ao limitar a interacção indesejada entre os dois sistemas de propulsão quando operados individualmente, e explorando sinergeticamente o potencial de ambos nos modos de funcionamento híbridos. De facto, no modo de , o

conjunto 1 opera como se a máquina eléctrica 3 2 não existisse. No modo "eléctrico", o motor de combustão 3 e CVT 7 são desligados da roda motriz 2, não impedindo de modo algum a eficiência no modo 'híbrido paralelo", podendo a potência total de ambos os sistemas de propulsão ser explorada, e a exigência de potência dividida entre os dois sistemas de propulsão para reduzir o consumo e/ou emissões, sendo no modo ''híbrido em série", alcançada potência considerável ao operar o motor de combustão 3 em condições estáveis óptimas em termos de eficiência. É visível que podem ser efectuadas alterações em, e para controlar, o conjunto de accionamento 1 tal como descrito na presente sem, contudo, fugir do escopo das reivindicações anexas.

Em particular, a CVT 7 pode ser substituída por um tipo diferente de transmissão, por exemplo uma transmissão por correia síncrona; a embraiagem centrífuga 8 pode ser substituída por uma embraiagem controlada; e a máquina eléctrica 32 pode estar localizada diferentemente, desde que o rotor 35 esteja permanentemente ligado a jusante da embraiagem 8, isto é, ligado permanentemente à roda motriz 3.

Podem ser proporcionados um ou mais modos de controlo "automáticos", em que a unidade de controlo, ao contrário de activar os modos de controlo acima mencionados („ "eléctrico", "híbrido paralelo" e "híbrido em série") tal como seleccionado pelo utilizador, pode comutar automaticamente de um para outro com base na lógica do controlo programado, por exemplo para optimizar o rendimento, diminuir o consumo ou emissões, ou em particular condições de funcionamento. Por exemplo, pode ser realizada uma comutação automática de modo para "combosflo!: ou "híbrido em série", no caso da carga da bateria 36 cair abaixo de um valor limite predeterminado.

Lisboa, 16 de Julho de 2007

Claims

Conjunto de accionamento híbrido (1) para um veiculo que apresenta pelo menos uma roda motriz (2) , compreendendo o conjunto de accionamento: - um motor do combustão interno (3) que apresenta um veio de transmissão (4); um veio de transmissão (6) ligado angularmente à referida roda motriz (2); - uma transmissão CVT (7) intercalada entre o referido veio de transmissão (4) e o referido veio de transmissão (6), que apresenta o tambor de accionamento (10) ligado angularmente ao referido veio de transmissão (4) e um tambor accionado (11) que se pode ligar ao referido veio de transmissão (6); - uma embraiagem centrífuga (8) , intercalada entre o referido tambor accionado (11) e o referido veio de transmissão (6) que apresenta um elemento de accionamento (20) que se pode ligar ao referido tambor accionado (11) e um elemento accionado (26) na forma de uma correia integral com o referido veio de transmissão (6) ; e - uma máquina eléctrica (32) que pode ser operada em vez de, ou em combinação com, o referido motor de combustão interna (3) , caracterizado por a referida máquina eléctrica (32) compreender um rotor (35) exteriormente coaxial e solidarizado à parede lateral (25) da campânula (26) da referida embraiagem (8) , um acoplamento (51) entre o referido tambor accionado (11) e o referido elemento de accionamento (20) da referida embraiagem (8) para ligar selectivamente o referido elemento de accionamento (20) ao referido tambor accionado (11).
2. Conjunto de accionamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referida máquina eléctrica (32) ser reversível.
3. Conjunto de accionamento de acordo com reivindicação 1, caracterizado por o referido acoplamento (51) ser controlado electromagneticamente.
4. Conjunto de accionamento de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender um gerador eléctrico (37) accionado pelo referido motor de combustão interna (3).
5. Conjunto de accionamento de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender uma unidade de controlo (38) para controlar o referido motor de combustão interna (3) e referida máquina eléctrica (32), em resposta a vários sinais de entrada (Sa, Sf, Ss), em vários modos de funcionamento que compreendem pelo menos um modo de combustão em que somente o motor de combustão interna (3) é activado, o modo eléctrico em que a referida máquina eléctrica (32) opera como um motor e o referido motor de combustão interna (3) é desligado, um modo híbrido paralelo em que o referido motor de combustão (3) e referida máquina eléctrica (32) são ambos activados e ligados à referida roda motriz (2) , e o modo hídrico em série em que o referido motor de combustão interna é desligado da referida roda motriz (2) e acciona o referido gerador eléctrico (37) .
6. Conjunto de accionamento de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender seleccionar meios (46) para seleccionar os referidos modos de funcionamento do referido conjunto de accionamento (1); compreendendo os referidos sinais de entrada (Sa, Sf, Ss) pelo menos vários sinais de entrada (Ss) gerados pelos respectivos meios de selecção (46).
7. Conjunto de accionamento de acordo com as reivindicações 5 ou 6, caracterizado por os referidos sinais de entrada (Sa, Sf, Ss) compreenderem um sinal (Sa) que indica a posição de um elemento acelerador (44).
8. Conjunto de accionamento de acordo com qualquer das reivindicações 5 a 7, caracterizado por os referidos sinais de entrada (Sa, Sf, Ss) compreenderem acções indicadoras de sinal num elemento de controlo do travao (45) do veiculo.
9. Veiculo que apresenta pelo menos uma roda motriz (2), caracterizado por compreender um conjunto de accionamento híbrido (1) de acordo com qualquer das reivindicações anteriores.
10. Veículo de acordo com reivindicação 9, caracterizado por ser uma motocicleta ("scooter"). Lisboa, 16 de Julho de 2007 interna (4) e a máquina eléctrica (32) estão ligados em paralelo.