Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
REGENERATIVE BRAKING AND TRANSMISSION SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/016646
Kind Code:
A1
Abstract:
The regenerative braking and transmission system is a mechanism for converting acceleration and braking torque, called SPHERE MODIFICATION SYSTEM, consisting of bridge discs with pinions and spheres interspersed with pinions which transmit the rotation, wherein the spheres are inclined at a certain angle of between 1° and 89° to change the torque reception and delivery diameter ratio in each sphere, increasing or reducing the speed-torque ratio, thereby distributing the total torque transmission loads proportionally in each of the spheres (2), reducing the individual loads on each pinion.

Inventors:
ARISTIZABAL ARISTIZABAL LUIS ALBERTO (CO)
ARISTIZABAL NAVARRO JORGE AUGUSTO (CO)
Application Number:
PCT/IB2012/053832
Publication Date:
January 30, 2014
Filing Date:
July 26, 2012
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
ARISTIZABAL ARISTIZABAL LUIS ALBERTO (CO)
ARISTIZABAL NAVARRO JORGE AUGUSTO (CO)
International Classes:
F16H3/36; B60K17/08; B60L7/18; F16H3/34
Domestic Patent References:
WO2009099354A12009-08-13
Foreign References:
DE1625111A11970-06-18
Attorney, Agent or Firm:
MAYA RODRIGUEZ, Carlos Orlando et al. (CO)
Download PDF:
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.

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 7 6 = 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 = R n"1 Wi

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 = 2,4R 4"1 x 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 = 0,42 4"1 x 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 89 s , 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.