WO2014016646A1 - Sistema de transmisión y frenado regenerativo - Google Patents

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Luis Alberto ARISTIZABAL ARISTIZABAL
Jorge Augusto ARISTIZABAL NAVARRO
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Aristizabal Aristizabal Luis Alberto
Aristizabal Navarro Jorge Augusto
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Definitions

  • the present invention relates to the field of mechanical engineering, more specifically to speed variators and torque transformation.
  • the Variable Speed Drive (VSD) is in a broad sense a device or set of mechanical, hydraulic, electrical or electronic devices used to control the rotating speed of machinery, especially engines. It is also known as Variable Speed Drive (ASD, also for its acronym in English Adjustable-Speed Drive).
  • gearboxes both mechanical and automatic, which exchange torque and speed in order to couple the speed of rotation of an engine to the speed and torque required on vehicle tractor wheels.
  • CVT gearbox that corresponds to US 201 1/0053717 A1, which allows continuous acceleration without interruptions of pinion changes to vary the transformation of motor forces to the wheels.
  • the drive wheels have been connected to regenerative brakes that allow a certain amount of energy to be recovered when the vehicle is braked and stored again in the accumulators, such is the case of US 201 1/0074204 A1 or 5927829 ; There is, however, a limitation to recover this energy: the lower the speed, the less resistance the generator and transmission set creates, so there comes a time when it is not able to stop the vehicle completely and the brakes must be used. Traditional wasting energy, with the present invention the energy wasted on the brakes is stored.
  • the regenerative braking and transmission system is a torque transmission system that uses a mechanism called "ball variator system", uses a “n” number of bridge disks (1) and a “n-1” number of interleaved spheres that transfer rotation, where "n” is an integer greater than 2.
  • the system allows a very high variation of the speed in both directions, both increasing or decreasing the motor / generator speed, thus achieving adequate speeds to move the generator, even when the vehicle is almost stopped and providing enough negative torque to brake said vehicle safely until it is completely stopped, which implies an optimal recovery of kinetic energy by storing it again in the form of electrical energy in the accumulators.
  • this invention is an acceleration and braking torque system for use especially but not exclusively in electric motors such as vehicles, trains, cars, meters or elevators. Due to the great ease and magnitude with which the speed is altered with small movements, this being the main characteristic necessary for a good regenerative brake.
  • the transmission with sprockets or sprockets has been used considering the most efficient and practical of the transmission possibilities that can be used such as: friction contact, electro magnetic or hydraulic.
  • cogwheels it is necessary to use synchronizing rings between the pinions of the spheres, that is, cogwheels with the possibility of small slides allowed by keyways and keyways in the sphere, to facilitate the confrontation of the teeth of a pinion of the sphere with the teeth of the next pinion of the sphere when changing the angle of the sphere.
  • Another way to dampen pinion changes is the traditional steering wheel that is installed between the engine and transmission.
  • a clutch with a steering wheel is included in the system, when stopping the vehicle this steering wheel can continue turning and generating energy during a time; This energy can also be used to help start the vehicle when coupling the clutch.
  • Wn ⁇ are the revolutions per minute of the output disk (bridge disk number n).
  • R is the ratio between the receiving diameter D2 and the delivery diameter
  • n is the number of bridge disks (including input disk and disk of
  • Wi are the revolutions per minute of the input disk (bridge disk).
  • Figure 1 Shows the system with three spheres and four bridge disks.
  • Figure 2 Shows the system with three spheres tilted counterclockwise and four bridge discs.
  • Figure 3 Shows the system with three inclined dials clockwise and four bridge discs.
  • Figure 4 Shows the conical shape of the pinions with the teeth inclined towards the center of the sphere.
  • Figure 5 Shows the system with spheres in neutral position
  • Figure 6 Shows the system with the spheres rotated at an angle close to the
  • Figure 7 Shows the progression of speeds as the number of bridge and sphere disks increases.
  • the system consists of spheres (2) and bridge disks (1) as seen in Figure 1, which uses a “n” number of bridge disks (1) and a number “n-1" of interleaved spheres that transfer the rotation, where "n” is an integer greater than 2.
  • Another advantage of this system is the ability to reverse the direction of rotation of the last bridge disk, without reversing the direction of rotation of the motor, which It allows the vehicle to reverse without reversing the direction of rotation of the engine as shown in Figure 6.
  • Figure 4 shows the pinions for torque transmission, taking into account that the pinions of the bridge discs (1) must be conical, that is, the teeth are inclined towards the center of the spheres; in the same way the teeth of the pinions of the spheres are inclined towards the center of them.
  • synchronizing rings (5) are used between pinion and pinion of the sphere, which with small slides (allowed by keys and keyways in the sphere), face the teeth of the bridge discs (1) with the next pinion of the sphere (2) to provide a perfect fit.
  • the spheres (2) can be tilted at an angle between 85 ° and 89 s , as shown in Figure 6, moving from the neutral to the reverse position, in which the spheres reverse the direction of rotation of the bridge disks, however, it must be taken into account that for the operation of the reverse it is necessary to have an odd number of spheres. Note that if this reverse system is not used, the pinions in the center of the spheres to the opposite side of the bridge discs can be omitted.

Abstract

Sistema de transmisión y frenado regenerativo es un mecanismo para la transformación de torque de aceleración y frenado, denominado SISTEMA VARIADOR DE ESFERAS, que se compone de discos puente con piñones y esferas con piñones intercalados que transfieren la rotación, donde las esferas se inclinan a un determinado ángulo entre 1° y 89° para cambiar la relación de diámetros de recepción y entrega del torque en cada esfera, amplificando o disminuyendo la relación velocidad-torque, permitiendo que los esfuerzos de transmisión de torque totales se distribuyan proporcionalmente en cada una de las esferas (2), disminuyendo las cargas individuales de cada piñón.

Description

SISTEMA DE TRANSMISIÓN Y FRENADO REGENERATÍVO SECTOR TECNOLÓGICO
La presente invención se refiere al campo de la ingeniería mecánica, más específicamente a los variadores de velocidad y transformación de torque. El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive).
ESTADO DE LA TECNICA
Existe una gran variedad de cajas de cambios tanto mecánicas como automáticas, las cuales intercambian torque y velocidad con el fin de acoplar la velocidad de rotación de un motor a la velocidad y torque requeridos en las ruedas tractoras de vehículos.
También existe la caja de cambios CVT que corresponde a la patente US 201 1 /0053717 A1 , que permite la aceleración continua sin las interrupciones de cambios de piñón para variar la transformación de fuerzas del motor a las ruedas.
En la mayoría de los motores eléctricos las ruedas motrices se han conectado a frenos regenerativos que permiten recuperar cierta cantidad de energía al frenar el vehículo y almacenarla de nuevo en los acumuladores, tal es el caso de la patente US 201 1 /0074204 A1 ó 5927829; existe sin embargo una limitante para recuperar esta energía: cuanto menor es la velocidad, menos resistencia crea el conjunto de generador y transmisión, por lo que llega un momento en el que no es capaz de detener el vehículo completamente y se debe acudir a los frenos tradicionales desperdiciando energía, con la presente invención la energía que se desperdicia en los frenos es almacenada.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema de transmisión y frenado regenerativo es un sistema de transmisión de torque que utiliza un mecanismo denominado "sistema variador de esferas", utiliza un número "n" de discos puente (1 ) y un número "n-1 " de esferas intercalados que transfieren la rotación, donde con "n" es número entero mayor que 2. El sistema permite una variación muy elevada de la velocidad en ambos sentidos, tanto aumentando o disminuyendo la velocidad del motor/generador, logrando así velocidades adecuadas para mover el generador, aun cuando el vehículo se encuentre casi detenido y proporcionándole el torque negativo suficiente para frenar dicho vehículo con seguridad hasta detenerlo completamente, lo cual implica una recuperación óptima de la energía cinética volviendo a almacenarla en forma de energía eléctrica en los acumuladores.
A pesar de poderse utilizar para variar la velocidad de diferentes equipos, esta invención es un sistema de torque de aceleración y frenado para uso especialmente pero no exclusivo en motores eléctricos tales como vehículos, trenes, automóviles, metros o elevadores. Debido a la gran facilidad y magnitud con que se altera la velocidad con pequeños movimientos, siendo esta la principal característica necesaria para un buen freno regenerativo.
En la descripción de esta invención se ha utilizado la transmisión con ruedas dentadas o piñones considerándose la más eficiente y práctica de las posibilidades de transmisión que se pueden utilizar tales como: contacto por rozamiento, electro magnético o hidráulica. Dado el caso de utilizar ruedas dentadas, se hace necesario utilizar anillos sincronizadores entre los piñones de las esferas, es decir, ruedas dentadas con posibilidad de pequeños deslizamientos permitidos por chavetas y chaveteros en la esfera, para facilitar el enfrentamiento de los dientes de un piñón de la esfera con los dientes del siguiente piñón de la esfera al cambiar el ángulo de la misma. Al utilizar el sistema de transmisión por piñones, se debe tener en cuenta que el tamaño y forma de los dientes sean exactamente iguales tanto en la esfera como en los discos puente; lo único que cambia en los piñones de las esferas es el número de dientes al variar el diámetro en cada uno de ellos; dado que este número debe ser siempre entero, se puede alterar el espesor de cada uno de los anillos sincronizadores de tal manera que el cambio de diámetro de los piñones sucesivos sea siempre un numero de dientes entero.
Siendo evidente que los cambios de velocidad pueden ser bruscos, cada esfera puede inclinarse independiente, logrando pasar de un sistema con siete velocidades, es decir siete piñones por esfera, a un sistema con 76= 279.936 combinaciones posibles con seis esferas que controladas por un computador pueden hacer parecer una aceleración y/o frenado prácticamente continuos; otra forma de amortiguar los cambios de piñones es el tradicional volante que se instala entre el motor y la transmisión.
Teniendo en cuenta que en los últimos momentos del frenado, las ruedas giran despacio y el motor está girando a gran velocidad generando corriente, se incluye en el sistema un embrague con un volante, al detener el vehículo este volante puede seguir girando y generando energía durante un tiempo; esta energía también puede ser aprovechada para ayudar al arranque del vehículo al acoplar el embrague.
También se propone encapsular todo el sistema de variador de esferas y discos puente dentro de un contenedor al vacío, utilizando sellos herméticos en el eje del disco de entrada, eje del disco de salida y el mecanismo de giro de las esferas, y haciendo un alto vacío dentro de dicho contenedor se logra la disminución de la fricción y la evaporación de aceite lubricante dentro del mismo. Las tradicionales zapatas para frenar el vehículo, solo será necesario usarlas cuando este se encuentre totalmente detenido, como por ejemplo para evitar posibles desplazamientos del vehículo en terrenos inclinados, disminuyendo a cero la pérdida de energía en forma de calor debido al frenado.
BREVE DESCRIPCION DE FIGURAS
Para una mejor descripción de la invención se han adoptado las siguientes convenciones:
Wn\ son las revoluciones por minuto del disco de salida (disco puente número n).
R : es el cociente entre el diámetro de recepción D2 y el diámetro de entrega
Di de los piñones en las esferas.
n : es el número de discos puente (incluyendo disco de entrada y disco de
salida).
Wi : son las revoluciones por minuto del disco de entrada (disco puente
número 1 ).
RPM : revoluciones por minuto
Figura 1 : Muestra el sistema con tres esferas y cuatro discos puente.
Figura 2: Muestra el sistema con tres esferas inclinadas en sentido contrario a las manecillas del reloj y cuatro disco puente.
Figura 3: Muestra el sistema con tres esferas inclinadas en sentido de las manecillas del reloj y cuatro disco puente.
Figura 4: Muestra la forma cónica de los piñones con los dientes inclinados hacia el centro de la esfera.
Figura 5: Muestra el sistema con esferas en posición de neutro
Figura 6: Muestra el sistema con las esferas giradas en un ángulo cercano a los
89° para invertir el sentido del sistema. Figura 7: Muestra la progresión de velocidades al aumentar el número de discos puente y de esferas.
MEJOR MANERA DE REALIZAR LA INVENCIÓN
El sistema se compone de esferas (2) y discos puente (1 ) como se observa en la Figura 1 , que utiliza un número "n" de discos puente (1 ) y un número "n-1 " de esferas intercalados que transfieren la rotación, donde con "n" es número entero mayor que 2. Al inclinar todas las esferas a un determinado ángulo entre 1 ° y 89° como la Figura 2 y la Figura 3, se cambia la relación de diámetros de recepción y entrega del torque en cada esfera (2), amplificando o disminuyendo la relación velocidad-torque.
Lo anterior permite que los esfuerzos de transmisión de torque totales se distribuyan proporcionalmente en cada una de las esferas (2), disminuyendo las cargas individuales de cada piñón.
Si en el disco puente (1 ) de entrada se conecta el motor y en el disco puente (1 ) de salida se conecta la rueda tractora del vehículo, sucederá que en los momentos finales del frenado la velocidad de rotación de las ruedas será muy pequeña y la velocidad de rotación del motor-generador será máxima tal como se muestra en la figura 2; siendo así, para el arranque del vehículo tendremos el sistema en una posición tal que al iniciar el empuje del motor en el disco puente de entrada, tendremos mínima velocidad y máximo torque en el disco puente de salida es decir en la rueda tractora, siendo esta condición la óptima para un buen arranque.
Otra ventaja de este sistema es la capacidad que tiene de invertir el sentido de giro del último disco puente, sin invertir el sentido de giro del motor, lo cual posibilita al vehículo dar marcha atrás sin invertir el sentido de giro del motor como se muestra en la figura 6.
La Figura 1 muestra el sistema con tres esferas (2) y cuatro discos puente (1 ) en transmisión neutra (Wi = Wn)
En la Figura 2 El mismo sistema anterior de tres esferas (2) y cuatro discos puente (1 ) tiene las tres esferas (2) inclinadas solidariamente en el sentido contrario a las manecillas del reloj, con lo cual el disco puente de entrada hace contacto con el piñón de diámetro menor (3) de la primera esfera, el cual gira solidario con el piñón de diámetro mayor (4) de la primera esfera, el cual transfiere el torque al siguiente disco puente (1 ). Dicho disco puente (1 ) transmite a su vez el torque al piñón pequeño (3) de la segunda esfera que esta solidario con el piñón de mayor diámetro (4) de la segunda esfera y así sucesivamente, generando la multiplicación de la velocidad.
Si el piñón pequeño de las esferas (3) tiene diámetro Di y el piñón grande de las esferas (4) tiene un diámetro D2, la razón de amplificación de las revoluciones del motor dependerá de la siguiente ecuación:
Wn = Rn"1Wi
Si tenemos un sistema con tres esferas (2) y cuatro discos puente (1 ) como se ve en la figura 2, al inclinar las esferas 32° sentido contrario a las manecillas del reloj, encontramos una relación de transmisión R = 2,4.
Aplicando la fórmula anterior y teniendo una velocidad de entrada del motor de 100 RPM, la velocidad angular de salida será:
Wn = 2,4R4"1x 100 = 1382 RPM Esto significa que hay una multiplicación de velocidad de 13,82 veces la inicial con tres esferas, y proporcionalmente de 191 ,1 veces en un sistema con seis esferas (19.1 10 RPM con la misma entrada de 100 RPM) y así sucesivamente. Si en el mismo sistema de cuatro discos puente (1 ) y tres esferas (2) se inclinan las esferas (2) en el sentido de las manecillas del reloj, como se muestra en la Figura 3, el disco puente de entrada (1 ) toma contacto con el piñón de mayor diámetro (4) de la primera esfera que se encuentra solidario con el piñón pequeño (3) de la primera esfera que a su vez entra en contacto con el siguiente disco puente (1 ) lográndose la disminución de las revoluciones, obteniendo un resultado inverso al anterior.
Continuando con el ejemplo anterior: si tenemos un sistema con tres esferas (2) y cuatro discos puente (1 ) como se ve en la Figura 3., al inclinar las esferas 32° en sentido de las manecillas del reloj encontramos una relación de transmisión R = 0,42.
Aplicando la fórmula anterior y teniendo una velocidad de entrada del motor de 100 RPM, la velocidad angular de salida será:
Wn = 0,424"1x 100 = 7,23 RPM
Esto significa que hay una disminución de velocidad de 13,82 veces la inicial con tres esferas y proporcionalmente 191 ,1 veces en un sistema con seis esferas (0,54 RPM con la misma entrada de 100 RPM) y así sucesivamente.
En la Figura 4 Se muestran los piñones para la transmisión del torque, teniendo en cuenta que los piñones de los discos puente (1 ) deben ser cónicos, es decir que los dientes están inclinados hacia el centro de las esferas; de igual manera los dientes de los piñones de las esferas se encuentran inclinados hacia el centro de las mismas. Para manejar el paso de los discos puente de un piñón al otro dentro de las esferas, se utilizan anillos sincronizadores (5) entre piñón y piñón de la esfera, que con pequeños deslizamientos (permitidos por chavetas y chaveteros en la esfera), enfrentan los dientes de los discos puente (1 ) con el siguiente piñón de la esfera (2) para proporcionar así un encaje perfecto.
De acuerdo con la Figura 5, se observa el sistema con dos esferas en posición de neutro gracias al orificio superior ubicado arriba de del piñón más pequeño que permite dejar el sistema en neutro.
Para invertir el sentido de giro del sistema se pueden inclinar las esferas (2) a un ángulo entre los 85° y 89s, como se muestra en la Figura 6, pasando de la posición de neutro a la de reversa, en la que las esferas invierten el sentido de giro de los discos puente, sin embargo, se debe tener en cuenta que para el funcionamiento de la reversa es necesario tener un número impar de esferas. Nótese que en caso de no utilizar este sistema de reversa, se pueden omitir los piñones del centro de las esferas hacia el lado opuesto de los discos puente.
En la Figura 7 se expresa la progresión de velocidades al aumentar el número de discos puente y de esferas, tomando la velocidad de entrada en el disco puente (1 ) de entrada relacionada con un la razón obtenida entre los diámetros de piñón receptor y piñón emisor en las esferas inclinadas del sistema. Es así como una velocidad de entrada (Wi) de 1 RPM y un cociente de diámetros (R) de 2,4. Nótese que para seis discos puente (cinco esferas) la multiplicación de la velocidad estará en 79.6 veces la inicial y para trece discos puente (doce esferas) estará en 13.520 veces la velocidad inicial.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Sistema de transmisión y frenado regenerativo para motores eléctricos tales como vehículos, trenes, automóviles, metros o elevadores caracterizado porque es un mecanismo de transformación de torque de aceleración y frenado denominado "sistema variador de esferas" que se compone de un número "n" de discos puente (1 ) y un número "n-1 " de esferas (2) intercalados que transfieren la rotación, donde:
- El número de discos puente es número entero mayor que dos discos puente,
- las esferas tienen piñones en las secciones circulares separados por anillos sincronizadores (5) para el paso de los discos puente de un piñón al otro piñón dentro de las esferas.
- las esferas se inclinan a un determinado ángulo entre 1 o y 89° para cambiar la relación de diámetros de recepción y entrega del torque en cada esfera (2), amplificando o disminuyendo la relación velocidad- torque, permitiendo que los esfuerzos de transmisión de torque totales se distribuyan proporcionalmente en cada una de las esferas (2), disminuyendo las cargas individuales de cada piñón.
2. Sistema de transmisión y frenado regenerativo de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque el disco puente (1 ) de entrada se conecta al motor del vehículo y en el disco puente (1 ) de salida se conecta a la rueda tractora del vehículo, para que en los momentos finales del frenado la velocidad de rotación de las ruedas del vehículo sea muy pequeña y la velocidad de rotación del motor-generador sea máxima.
3. Sistema de transmisión y frenado regenerativo de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque el disco puente (1 ) de entrada se conecta al motor del vehículo y en el disco puente (1 ) de salida se conecta a la rueda tractora del vehículo para que al momento de arranque del vehículo, el empuje del motor en el disco puente (1 ) de entrada tenga mínima velocidad y máximo torque en el disco puente (1 ) de salida, es decir máximo torque en la rueda tractora para obtener condiciones óptimas de arranque.
4. Sistema de transmisión y frenado regenerativo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque las esferas (2) inclinadas en el sentido contrario a las manecillas del reloj contactan el disco puente (1 ) de entrada con el piñón de diámetro menor (3) de la primera esfera, que gira solidario con el piñón de diámetro mayor (4) de la primera esfera, el cual transfiere el torque al siguiente disco puente (1 ), donde dicho disco puente (1 ) transmite a su vez el torque al piñón pequeño (3) de la segunda esfera que esta solidario con el piñón de mayor diámetro (4) de la segunda esfera y así sucesivamente, generando la multiplicación de la velocidad.
5. Sistema de transmisión y frenado regenerativo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque las esferas (2) inclinadas en el sentido de las manecillas del reloj contactan el disco puente (1 ) de entrada con el con el piñón de mayor diámetro (4) de la primera esfera que se encuentra solidario con el piñón pequeño (3) de la primera esfera que a su vez entra en contacto con el siguiente disco puente (1 ) lográndose la disminución de las revoluciones del sistema.
6. Sistema de transmisión y frenado regenerativo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque las esferas tiene un orificio superior ubicado arriba de del piñón más pequeño que permite dejar el sistema en neutro.
7. Sistema de transmisión y frenado regenerativo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque los piñones de transmisión del torque de los discos puente (1 ) son cónicos inclinados hacia el centro de las esferas y de igual manera los dientes de los piñones de las esferas se encuentran inclinados hacia el centro de las mismas para efectuar el contacto.
8. Sistema de transmisión y frenado regenerativo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque para invertir el sentido de giro del sistema se inclinan las esferas (2) a un ángulo entre los 85° y 89° pasando de la posición de neutro a la de reversa, en la que las esferas invierten el sentido de giro de los discos puente, teniendo en cuenta en cuenta que para el funcionamiento de la reversa es necesario tener un número impar de esferas.
9. Sistema de transmisión y frenado regenerativo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema incrementa la progresión de velocidades al aumentar el número de discos puente y de esferas, tomando la velocidad de entrada en el disco puente (1 ) de entrada relacionada con la razón obtenida entre los diámetros de piñón receptor y piñón emisor en las esferas inclinadas del sistema.
PCT/IB2012/053832 2012-07-26 2012-07-26 Sistema de transmisión y frenado regenerativo WO2014016646A1 (es)

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