DESCRIPCIÓN

Sector de la técnica

La presente invención, un modelo de, utilidad (M.U.), tal como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo o aparato de Transmisión de Potencia y/o Variador de Velocidad (CVHT), el cual ha sido diseñado y desarrollado en su operación para proporcionar un adecuado funcionamiento con cualquier tipo de motor impulsor, permitiendo variar su velocidad y torque en su eje de salida; sean estos, motores eléctricos, híbridos, combustión interna (diesel, gasolina) u. otros.; contribuyendo a la optimización de los procesos en la industria en general, al contar con equipos que permitan variar su velocidad de operación, y entre sus beneficios, por ejemplo, contribuye a un menor gasto energético

Estado de la técnica

La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores dentro de estrechos rangos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, ios cuales no se pueden modificar fácilmente.

Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de Variadores de Frecuencia (VDF). Los variadores se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, entre otras. Un variador puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso), también puede ser designado como variador de velocidad.

Debido a su naturaleza electrónica, los Variado es de Frecuencia (VDF) son equipos delicados, que requieren condiciones ambientales especiales para su funcionamiento. A mayor abundamiento, los controladores VDF utilizados en la industria minera requieren de salas especialmente acondicionadas para su funcionamiento, debido a que necesitan estabilidad de temperatura, que bordea los 18°C (+/- 3°C), y que por ejemplo permiten mantenerlos aislados de la contaminación propia de los ambientes nocivos mineros.

Los Variadores de Frecuencia (VDF) controlan la velocidad de. salida de un motor eléctrico de corriente alterna, alternando la frecuencia de alimentación del motor. Tales motores eléctricos están diseñados para funcionar a un cierto número de revoluciones por minuto o cercano a su velocidad nominal; especialmente, porque aquello permite que el sistema de refrigeración evacué parte del calor generado. Si el motor eléctrico se deja por mucho tiempo a bajo régimen de giro, aumenta su temperatura, y en su defecto se tiene que ubicar un sistema de ventilación forzada para la extracción de calor.

Así mismo, los Variadores de Frecuencia (VDF) producen problemas a altas velocidades, superiores a la nominal. Esto es, porque los fabricantes de motores no suelen garantizar el rango de velocidades por encima de la nominal durante el periodo que mantiene la potencia constante. De hecho, la auto- ventilación provoca una caída muy rápida de la potencia a medida que aumenta la velocidad de giro, debido a la potencia mecánica absorbida por el propio ventilador, potencia que debería dedicarse a mover la carga. También las pérdidas magnéticas en el entrehierro aumentan notablemente con la frecuencia. Todo esto prácticamente invalida al motor convencional para trabajar a velocidades sustancialmente superiores a su velocidad nominal. Otro problema asociado al uso de Variadores de Frecuencia (VDF), es la destrucción de los bobinados de motores eléctricos convencionales. Los armónicos presentes en la salida de potencia del variador VDF son ricos en altas frecuencias y con el tiempo acaban degradando los bobinados, cuyos aislamientos no están preparados a largo plazo para un bombardeo permanente de transiciones abruptas de tensión.

El M.U., enunciado como un Dispositivo de Transmisión de Potencia y/o Variador de Velocidad (CVHT), permite variar I-a velocidad desde cero hasta una velocidad máxima de forma continua sin intercalaciones, independientemente de la velocidad de giro del motor impulsor, adecuando la velocidad de salida. Esto significa, que el par de salida del motor propulsor se multiplica tantas veces como sea reducida la velocidad de salida del Dispositivo de Transmisión de Potencia y/o Variador de Velocidad (CVHT), por lo tanto, se obtienen elevadísimos torques n el eje de salida. Siendo este aspecto determinante cuando se trata de partidas de equipos que requieren mucha fuerza para vencer la inercia y resistencia de aquel instante. Con ésta ventaja, el dispositivo CVHT queda habilitado para funcionar como reductor de velocidad, con relaciones de transmisión elevadísimas que superan ampliamente los 1000: 1.

Consecuente con lo anterior, el dispositivo CVHT en su concepción de diseño y funcionalidad, posee numerosas y notables ventajas respecto a otros medios existentes de análogas finalidades, tales como: La velocidad angular de salida del Variador CVHT puede ser igual a cero, independientemente de la velocidad de giro del motor que genere la fuerza propulsora.

. Posee capacidad para trabajar con motores cuya potencia parten en las fracciones de HP hasta miles de HP, sin importar las velocidades angulares en que funcionen. Puede adaptarse a cualquier tipo de faena, altura geográfica, temperatura, o condición de trabajo específica, sin necesidad de hacer ninguna transformación al motor impulsor ni al Variador CVHT. Es capaz de mantener fija la velocidad de salida, cuando en la entrada se tienen velocidades angulares fijas o distintas.

^• s La capacidad de Invertir el sentido de giro del eje de salida, sin invertir el sentido de giro el eje motriz, manteniendo todas las cualidades anteriores, pero ahora en sentido contrario.

Otra cualidad que aporta esta solución, debido al pequeño número de piezas móviles, la sencillez en la fabricación de éstas y la forma de trabajo en su interior. El M.U Variador de Velocidad CVHT necesita un mantenimiento reducido.

Otra característica ventajosa, es que el Variador de Velocidad CVHT en su funcionamiento, puede reemplazar algunos componentes que configuran las plataformas de transmisión de potencia y control de velocidad aplicados a los procesos productivos, esto es:

^• s Elimina el reductor de velocidad mecánico (engranajes). Elimina el variador de frecuencia. Elimina el partidor suave.

A modo ejemplo, El M.U., Variador de Velocidad CVHT aplicado en correas transportadoras:

• El M.U. , Variador de Velocidad CVHT, funciona como Variador de

Velocidad continuo. Es decir, entrega velocidad variable desde cero hasta un máximo de velocidad diseñada, y todas las velocidades intermedias que se requieran. En términos prácticos, si una correa transportadora funciona a 60 r.p.m., y por necesidades de mantenimiento, carga, demanda del momento, etc., es necesario reducir la velocidad a 1 r.p.m. u otro valor intermedio entre 0 y 70 r.pm.

(suponiendo que ése es el valor máximo de diseño), el MU Variador de Velocidad CVHT lo realiza de forma permanente si se requiere, sin causar inconveniente al motor eléctrico impulsor.

• El M.U., Variador de Velocidad CVHT actúa como reductor de velocidad para el momento de la partida de ü na correa transportadora, que es donde se requiere el torque más elevado. La capacidad que tiene el M.U., Variador de Velocidad CVHT de reducir la velocidad en su eje de salida, hace que en ése instante, el par entregado por el motor eléctrico, se multiplique tantas veces como sea la reducción de su velocidad. En términos prácticos, si se supone que el motor eléctrico opera a 750 r.p.m., y la velocidad de la correa transportadora en un instante de la partida es de 0,5 r.p.m., entonces él torque. en ese instante, será 1.500 veces (resultado de cálculo teórico) respecto del que está entregando el motor eléctrico. Cálculo realizado de acuerdo a: 750 r.p.mJ0,5 r.p.m. = 1.500.

• Existe además la capacidad de limitar el par, de forma automática, si es que fuere necesario en un momento o periodo determinado.

• El .U., Variador de Velocidad CVHT, reduce el consumo energético. En éste caso, la capacidad que tiene el M.U., Variador de Velocidad CVHT de funcionar como reductor de velocidad en el momento de la partida, permite la utilización de motores eléctricos de menor potencia, ya que el cálculo de estos actualmente, se basa en lograr vencer la inercia del conjunto-correa transportadora cuando está en reposo. En la actualidad, cuando la correa transportadora funciona a velocidad óptima, se desperdicia energía eléctrica en un motor eléctrico que entrega más potencia de la requerida para aquel periodo, con el M.U., Variador de Velocidad CVHT, se podría utilizar motores eléctricos de aproximadamente 20% menos potencia para una misma correa transportadora actual, configurando un menor consumo energético del conjunto y siendo un aporte positivo al medio ambiente. • El cambio de velocidad en el M.U., Variador de Velocidad CVHT, es instantáneo, respondiendo inmediatamente al requerimiento del comando de control de velocidad.

• El M.U., Variador de Velocidad CVHT, permite "velocidad cero", sin detener el motor eléctrico impulsor, permitiendo el mantenimiento de la correa transportadora con seguridad, ya que está detenida.

• El M.U., Variador de Velocidad CVHT, puede funcionar bajo cualquier condición climática, sin requerir un habitáculo especial para tal efecto, también, puede trabajar en distintas alturas geográficas.

• El M.U., Variador de Velocidad CVHT, permite invertir el sentido de giro de la correa transportadora, con la misma capacidad de entregar velocidad variable, ahora en sentido contrario.

• El M.U., Variador de Velocidad CVHT, permite "velocidad neutra", como en una caja de velocidades automotriz, dejando libre a la correa transportadora, para temas de mantenimiento u otros, sin necesidad de detener el motor eléctrico impulsor.

• El M.U., Variador de Velocidad CVHT, se instala entre el motor eléctrico impulsor y el tambor de tracción de la correa transportadora.

Por otra parte, en lo que respecta a transmisión de potencia mecánica, tomaremos como referencia los equipos o dispositivos utilizados en la industria automotriz. Existiendo los siguientes desarrollos : I) La Cajas de cambios manual o mecánica, que es un sistema de transmisión de potencia más utilizado en la actualidad y en su evolución ha llevado a la aparición de cajas de velocidades por sobre siete relaciones hacia adelante y una en reversa, el cual lo complementa un sistema de embrague que conecta potencia del motor hacia la caja de cambios. El conductor tiene que accionar el pedal de embrague para poner en movimiento el vehículo y realizar los cambios. La caja de cambios está compuesta por tres ejes (entrada, intermedio y salida), engranajes, sincronizadores y un comando que permite realizar los cambios desde el exterior. II) La Caja de cambios pilotada o robotizada, el cual se caracteriza por que el sistema de embrague y el paso de los cambios se efectúa a través de un sistema robotizado de acuerdo a la necesidad del usuario o de un programa computacional instalado en el vehículo en función de las revoluciones por minuto del motor y las condiciones de manejo y carga del momento. Dicho sistema, elimina el pedal de embrague en la cabina del conductor, pero existe la alternativa que se puede controlar desde la cabina con aspas o levas de cambio detrás del volante o en la misma palanca de cambios.

Para realizar el paso de los cambios de velocidades, el sistema robotizado los ejecuta sincronizadamente, a su vez que se ha incorporado otro embrague, o sea el sistema trabaja con doble embrague, lo que ha permitido aumentar el número de relaciones hasta siete. Estas cajas de cambio se utilizan especialmente en vehículos automotores de alta gama debido a su elevado precio y sofisticación. III) La Caja de cambios automática con convertidor de par, que es un sistema que elimina el pedal de embrague, en vez de ello, entre el motor y el resto de caja de velocidades tiene un convertidor de par, el cual actúa como un embrague hidráulico. La caja de cambios automática, funciona con la combinación de una serie de engranajes tipo planetario, el cual dependiendo de la combinación de estos algunas .de sus partes se sitúan en posición fija, el resto gira y entrega una velocidad diferente a la salida. Para activar los distintos conjuntos de engranajes planetarios, se tiene una serie de embragues de disco en el interior, como los sincronizadores. Los cambios se realizan mediante un sistema mecatrónico, el cual está previamente programado para realizar el cambio de velocidad a determinadas revoluciones del motor y en función al tipo de manejo del momento. En la actualidad las cajas automáticas más modernas entregan hasta nueve velocidades en su eje de salida. La extrema sofisticación de tal sistema, posee un costo elevado en fabricación y por ende, un elevado precio de comercialización. Sin embargo, cabe destacar que su eficiencia no es tan alta como la caja de cambios manual. IV) La Caja de cambios de Variación Continua (CVT), la cual consiste en un conjunto de correa-polea o cadena-polea dependiendo 'del diseño. Básicamente, consta de un convertidor de torque, dos poleas, una conectada al motor impulsor a través del convertidor dé torque y la otra al eje de salida, ubicándose una correa entre ellas. Si se varía el diámetro efectivo de cada polea dónde se apoya la correa, la velocidad de salida será diferente a la de entrada. El sistema provee velocidad continua entre una velocidad determinada equivalente a la primera velocidad y quinta o sexta velocidad de una caja manual.

En atención a lo expuesto, el Dispositivo de Transmisión de Potencia y/o Variador de Velocidad (CVHT) en tal ámbito, establece ciertas ventajas y diferencias, siendo una de ellas la transmisión de potencia de infinitas velocidades en el eje de salida, tanto hacia delante como para atrás. A contraria data, los sistemas actuales de transmisión automotriz necesitan que varíen obligatoriamente las revoluciones por minuto del motor del vehículo para poder, aumentar o variar la velocidad de éste. Otra parte de los beneficios en la utilización de la tecnología del M.U., CVHT en dicha área de la industria, es contribuir a un menor consumo de combustible, a una menor contaminación, mejorando el aprovechamiento de las cualidades del motor y disminuyendo su eventual desgaste. Además, contribuiría al desarrollo de motores de vehículos más pequeños y de menor tope de revoluciones por minuto, aprovechando la cima de eficiencia de estos (régimen de giro óptimo); para desempeños equivalentes en vehículos con sistemas de transmisión actuales (caja mecánica y automática). Todo esto sin mecanismo de embrague ni engranajes.

A continuación, se presentan ciertas ventajas del M.U CVHT en el ámbito descrito en el siguiente cuadro: TIPO DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA

DISPOSITIVO

CARACTERÍSTICA ' 0 APARATO TM DDCT TA CVT

CVHT

Infinitas hacia

Infinitas

Número de 6 hacia 7 hacia Θ hacia adelante en hacia adelante

Velocidades adelante adelante adelante un rango

Infinitas

1 hacia atrás 1 haca atrás 1 hacia atrás limitado hacia atrás

1 hacia atrás

Si, embrague

Si, tipo

Requiere sistema multidisco o

Si, convertidor

de embrague No Si convertidor robotizado de par

de par

No.

Requiere Utiliza engranajes Si, sistema

No Si . Si

engranajes correa-polea planetarios o cadena- polea

Costo de

Bajo Medio lto Muy Alto Muy Alto Fabricación

Costo de

Bajo Medio Alto Muy Alto Muy Alto Mantenimiento

Tamaño del Pequeño a Pequeño a

Pequeño Grande Mediano Dispositivo mediano mediano

Rango de Amplio

Vehículos Vehículos Vehículos Vehículos Aplicación (Maquinaria

pequeños pequeños pequeños pequeños Motocicletas,

hasta Barcos y medianos a grandes y medianos Vehículos,

Barcos)

Desde

Motorizaciones fracción de HP

Idem a 150 a 400

en HP hasta 80 a 400 HP 80 a 300 HP

CVHT HP

miles de HP

Idem a

Eficiencia 0,95 Idem CVHT 0,90 0,90 - 0,95

CVHT

Dónde los tipos de transmisión de potencia del cuadro son: Dispositivo o aparato CVHT; TM, Caja de Cambios Manual o Mecánica; DDCT, Dual Dry Clutch Transmission o Caja de Velocidades de Doble Embrague Robotizada; TA, Transmisión Automática; CVT, Transmisión Continuamente Variable.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención, habida consideración a que se trata en la especie de un modelo de utilidad, se presenta como un dispositivo o aparato de transmisión de potencia y/o variador de velocidad CVHT; el cual, en su diseño estructural y configuración de partes y piezas permite anexarse a cualquier tipo de motor impulsor entregando una velocidad y torque variable en su eje de salida. Se compone de un armazón (1); una tapa frontal (2) y una tapa posterior (3) formando un nicho cerrado adecuado y funcional para alojar en su interior partes y piezas , una bomba hidráulica de flujo variable (4) y un motor hidráulico (5) . En su parte frontal se observa un eje de entrada (6) que va conectado a una fuente motriz que entrega potencia al dispositivo mediante un eje estriado. El otro extremo del eje es solidario con el rotor de la bomba (7) el cual integra diez aspas deslizantes de la bomba (8). Se ha previsto que cuando el eje transfiere la potencia desde la fuente motriz hacia la bomba, según sea el requerimiento o necesidad, se regula el flujo de ésta, a través del control del regulador de flujo que es controlado por una manivela-tornillo sin fin (9), el cual mueve una cremallera tallada en la cara exterior del anillo excéntrico de la bomba (10) correspondiente, girando el anillo excéntrico de la bomba (10) concéntricamente al eje central de la superficie de la circunferencia interior del armazón (1), el cual permite que la bomba impulse un flujo de fluido determinado en función a la posición del anillo (10) en un instante determinado.

El fluido es impulsado y obligado a dirigirse desde la bomba a través de la cavidad de comunicación de flujo de fluido ladc A (A1) hacia la admisión del motor hidráulico (5) ya que es contenido dentro del armazón (1), las tapas (2) y (3), las piezas cola de milano de la tapa frontal (11), cola de milano tapa posterior (13) y cola de milano central (12) todas ellas extendidas hasta hacer contacto con la superficie interior del armazón (1), sumando a ello la contención que provocan las aspas de la bomba hidráulica de flujo variable (8) y las aspas del motor hidráulico (15) cuando se trasladan desde el lado A hacia el lado B o viceversa mientras traspasan la cavidad generada en las respectivas colas de milano, más el rotor de la bomba (7) y el rqtor del motor hidráulico (16), formando una cavidad que impide que el fluido pueda trasladarse del lado A hacia el lado B o viceversa.

Cuando el fluido enviado desde la bomba es obligado a dirigirse hacia el motor hidráulico (5), éste se encarga de transformar la energía hidráulica disponible en potencia que se transfiere a un eje de salida (14) a través de las aspas deslizantes del motor hidráulico (15), rotor motor hidráulico (16) y el anillo excéntrico del motor hidráulico (24) respectivoSj permitiendo obtener distintas velocidades en el eje de salida (14) en función al flujo enviado por la bomba hidráulica (4). De esta manera, se produce un efecto re-circulante del fluido en el interior de la armazón, que obliga al fluido a trasladarse desde la salida del motor hidráulico a través de la cavidad de comunicación lado B (B1) hacia la admisión de la bomba (4), al no poder salir al exterior ya que se encuentra confinado dentro del armazón (1), las tapas (2) y (3), las piezas cola de milano de la tapa frontal (11), cola de milano tapa posterior (13) y cola de milano central (12) todas ellas extendidas hasta hacer contacto con la superficie interior del armazón (1), sumando a ello la contención que provocan las aspas de la bomba hidráulica de caudal variable (8) y las aspas del motor hidráulico (15) cuando se trasladan desde el lado B hacia el lado A o viceversa mientras traspasan la cavidad generada en las respectivas piezas colas de milano, más el rotor de la bomba (7) y el rotor del motor hidráulico (16), formando una cavidad que impide que el fluido pueda trasladarse del lado B hacia el lado A o viceversa.

Cuando la bomba hidráulica de flujo variable no entrega flujo de fluido, el eje de salida (14) no transmite potencia. Si el eje de salida (14) comienza a girar más rápido de lo que espera para un caudal determinado de la bomba, en ése instante el motor hidráulico (5) comienza a impulsar fluido como si fuera una bomba hidráulica, por lo tanto el fluido excedente en la zona de admisión de la bomba hidráulica (4) la convierte en ése instante en motor hidráulico, forzando a ésta, a girar más rápido, trasladando la potencia al eje de entrada el cual obliga al motor impulsor (por ejemplo, un motor a combustión interna) a elevar su régimen de giro de ése momento. Esto permite que en los casos que suceda tal evento, se produzca un efecto de freno-motor similar al que tienen los vehículos automotores con caja de cambios manual. La diferencia es que, con éste sistema de trasmisión de potencia, el eje de entrada de potencia y el de salida están constantemente conectados a través del fluido, lo que significa además que el vehículo, maquinaría o equipo podría frenar desde una velocidad máxima hasta cero utilizando el control de flujo de fluido de la bomba hidráulica de flujo variable (4).

El eje de entrada de potencia (6) y el eje de salida (14) van montados sobre unos rodamientos (17) y/o bujes (18) apoyados tanto en la tapa frontal (2) y la tapa posterior (3) como en la cola de milano central (12). En este caso, el eje de entrada de potencia (6) y el eje de salida (14) son colineales, lo que facilita la fabricación del dispositivo y reduce el tamaño del mismo.

Las tres colas de milano (11), (12) y (13) se mantienen fijas en su posición respecto de la armazón (1) independientemente de las velocidades en los ejes de entrada y salida.

El eje de la manivela-tornillo sinfín (9) se apoya sobre rodamientos o bujes. Los ejes (6) y (14) y el conjunto manivela-tornillo sinfín (9) tienen retenes y/o sellos hidráulicos (19) que impiden que el fluido pueda fugarse al exterior y que partículas extrañas ingresen al sistema. Para aislar los rodamientos (17) y los retenes (19) del medio externo al sistema, se ubica una tapa sobre rodamiento bomba (20) y una tapa sobre rodamiento motor hidráulico (21), situadas concéntricamente sobre los ejes respectivos.

Ya sea que el sistema se utilice como transmisión de potencia o variador de velocidad, el armazón puede ser fabricado con distintos tipos de formas de sujeción a otros dispositivos o máquinas con los que debe trabajar en conjunto, tal como con una campana en la parte frontal de ésta (22), un pedestal (23) en la parte inferior, u otro sistema para facilitar su instalación, o cualquier otra forma que le asegure su posición. Para el ingreso del fluido al dispositivo CVHT sé ubica un tapón de ingreso de fluido hidráulico (25) en la parte superior del armazón (1) y para extraerlo se ubica un tapón de salida de fluido hidráulico (26) en la parte inferior de éste. Descripción de dibujos

Figura No. 1. Vista isométrica del dispositivo Transmisión de Potencia o Variador de Velocidad tipo CVHT.

Figura No. 2. Vista en perspectiva del dispositivo. Se observa un corte de parte del armazón y tapas de rodamientos, con- los componentes del interior intactos.

Figura No. 3 (a-b). (a) Vista lateral del dispositivo (b) Vista superior en corte del interior del dispositivo.