CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención de la presente solicitud está relacionada con un nuevo prototipo de transmisión continuamente variable (CVT) destinado a formar parte de sistemas que requieran la regulación de la posición, velocidad o aceleración como en aplicaciones automotrices, robótica industrial, máquinas-herramientas de control numérico computarizado, equipo industrial tal como extrusoras o inyectoras y plantas de generación de electricidad. Dentro de estas potenciales aplicaciones para esta invención se encuentra el control de velocidad de los vehículos automotores, en los cuales mediante el uso de una CVT permite mantener el motor de combustión en su punto de rendimiento más eficiente, al variar la velocidad del vehículo mediante la variación de la relación de transmisión.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se han identificado al menos cinco razones principales, aceptadas a nivel mundial, que justifican la investigación y desarrollo de transmisiones continuamente variable cualesquiera que sea su base conceptual: economía de combustible, disminución del impacto ambiental negativo, comodidad para el usuario, obtención del máximo rendimiento del motor en todo momento y simplicidad funcional. Los principales obstáculos a los que se enfrenta el desarrollo de estas transmisiones también se han identificado claramente: se requiere una alta tecnología para su fabricación, se requieren nuevos materiales tanto de aleaciones metálicas como de lubricantes resultando todo ello en altos costos iniciales y de mantenimiento.

Dentro de los diferentes tipos de CVT disponibles se encuentran las transmisiones hidrostáticas, las basadas en fricción y las Ratcheting CVT. Las CVT hidrostáticas consisten de una bomba hidráulica de desplazamiento positivo, un motor hidráulico de desplazamiento variable y del sistema de regulación del caudal en el motor hidráulico. Básicamente consisten en variar la capacidad volumétrica del motor hidráulico manteniendo un caudal constante en la bomba, y de esta forma varía la velocidad de giro del motor. Estas transmisiones son costosas debido a que requieren elementos hidráulicos de control como válvulas reguladoras de presión y servoválvulas de control de posición, a diferencia de la transmisión propuesta en esta invención, que no contiene ningún elemento de naturaleza hidráulica.

Las Ratcheting CVTS como en la publicación internacional WO 99/15812, no se basan en la fricción para su funcionamiento. Se destacan mejoras significativas tanto en la concepción teórica como en la realización práctica con respecto a sistemas existentes de transmisión basadas en mecanismos de fricción. En dicha invención, la relación de transmisión varía continuamente de forma lineal desde 0 hasta 1, no existen elementos de fricción que reduzcan la efectividad de la transmisión de par y es completamente mecánica. De igual manera, no existe la necesidad de embragar o desembragar para variar la relación de transmisión. Se basan en mecanismos oscilantes y utilizan tres subsistemas, uno para convertir el movimiento circular en oscilante, otro para variar las amplitudes de las oscilaciones y otro para cambiar el movimiento oscilante en circular. Poseen un mecanismo de trinquetes que sucesivamente acopla y desacopla el sistema conductor del sistema conducido produciendo un movimiento intermitente. El cociente de la transmisión es ajustado cambiando geometría del acoplamiento dentro de los elementos oscilantes. Sin embargo, este tipo de transmisiones son voluminosas, pesadas y poseen un gran número de elementos mecánicos, los cuales la hacen más vulnerable de fallar. En contraste, la transmisión propuesta en esta invención posee sólo dos subsistemas con pocas piezas, con elementos de diseño compacto como engranajes, ejes y tornillos sinfín.

Por último están las transmisiones basadas en fricción, las cuales ejercen grandes fuerzas de empuje para transmitir la fuerza de rozamiento desarrollada. Dentro de este grupo se encuentran las toroidales y las de poleas separables. En las CVT toroidales como en JP6185590, la energía es transmitida entre dos discos por medio de dos rodillos, los cuales permiten modificar los puntos de contacto con los discos y así los radios de giro. Variando la posición de los rodillos se logra un cambio de marchas continuo y suave. Cuando los rodillos se inclinan hacia el centro del disco del motor, se logra la mayor reducción de velocidad y cuando se inclinan en sentido contrario, se va disminuyendo esta relación. Estas CVT utilizan la fuerza de fricción para transmitir la potencia entre sus elementos. Esto presenta un gran inconveniente, ya que sólo se puede aprovechar un pequeño porcentaje de la fuerza total disponible, el cual queda determinado por el coeficiente de fricción. Al aumentar las cargas aplicadas en los elementos sujetos a esfuerzos de contacto, se requieren materiales más resistentes y se reduce drásticamente la vida útil de los componentes. Además, no pueden transmitir altos torques y suele presentarse un fenómeno de desgaste superficial denominado "pitting". Esto se debe a la falla por fatiga causada por los intensos esfuerzos de contacto superficial que se presentan en el material debido a la fuerza normal, la cual es necesaria para transmitir el torque. Como consecuencia de lo anterior, se tendría un aumento desfavorable en el costo inicial y de operación debido al aumento en la frecuencia de cambio de repuestos. En contraste, la presente invención no presenta un límite de capacidad de torque, ya que no utiliza la fricción para transmitir la potencia entre sus elementos, presenta un fácil mantenimiento debido al poco número de piezas y a la sencillez de las mismas.

El otro tipo de CVT basado en fricción son las CVT de poleas separables, como en el caso de la patente US 6068564. Éstas están formadas por un par de poleas de diámetro ajustable y una banda metálica. Parten del concepto de seccionar una polea en dos partes, una cara fija y la otra móvil. Variando la distancia entre las poleas, la banda metálica se encaja en diferentes posiciones radiales alrededor del eje de rotación y de este modo se modifica la relación de transmisión. Estas bandas constan de numerosos eslabones cuidadosamente ajustados a una serie de bandas de acero. Al ejercer una gran tensión sobre la banda metálica, los eslabones se presionan contra las poleas y es posible transmitir el torque gracias a la fricción desarrollada entre los elementos. Estas transmisiones presentan problemas de confiabilidad debido al gran número de elementos de la cadena y, debido a que también se basan en la fricción, incurren en los mismos problemas que en el caso toroidal. En ambos casos, toroidal y de poleas separables, debido a las grandes fuerzas de empuje involucradas, se hace preciso el uso de mecanismos hidráulicos de alta presión y sistemas de control servo-hidráulicos. Ya que la presión de trabajo suele sobrepasar los 50 bares, se presentan pérdidas hidráulicas que constituyen un una disminución importante en el rendimiento total de la transmisión. La presente invención no requiere de complejos mecanismos ni sistemas hidráulicos de alta presión para el control de la relación de transmisión, evitando con esto las pérdidas de potencia presentes e inherentes al tipo de tecnología utilizada, disminuyendo de esta manera los costos de operación, fabricación y mantenimiento.

Otra transmisión utilizada es la descrita en WO 95/14183, en la cual se combina un mecanismo epicicloidal con una CVT toroidal. Esta configuración es utilizada debido a que las dos entradas de velocidad del sistema de planetarios requieren de torques elevados, razón por la cual alimentan una entrada directamente desde el motor de combustión y la otra mediante una CVT toroidal que es impulsada a su vez por una derivación del motor. Este tipo de CVT tiene la desventaja de ser más compleja y su costo se incrementa dado los componentes especializados que posee, caso contrario de la CVT propuesta en la presente invención, que es conceptualmente más sencilla y donde se usa un mecanismo de tornillo sinfín comandado por un actuador rotativo de control, en el cual se minimiza el torque neto presente en el eje del tornillo con el fin de disminuir la potencia requerida para variar la relación de velocidad.

Por otro lado, en la publicación internacional WO2010/053920 A2 describe una CVT que no utiliza embrague ni convertidor de torque. En ésta, se utiliza un sistema planetario comandado por un motor eléctrico para variar la relación de transmisión y conectados en forma directa mediante engranajes; sin embargo, la potencia requerida por este motor eléctrico es similar a la potencia del motor de combustión debido al alto torque generado en el mecanismo epicicloidal. En contraste, el objeto de la invención reclamada posee un mecanismo de sinfín-corona que permite reducir la potencia requerida y no requiere embrague o desembrague para variar la velocidad en la salida en un rango continuo, eliminándose las constantes pérdidas de energía debido a la fricción del disco de embrague y por ende las altas temperaturas que requieren de la presencia de un lubricante capaz de mantener su viscosidad frente a elevadas temperaturas.

En general, sistemas tales como las transmisiones manuales y las convencionales automáticas son pesadas y contribuyen de manera al peso total. Además, son capaces únicamente de permitir relaciones de cambio discretas. Para el caso concreto de las transmisiones automáticas, éstas son ineficientes debido a los requerimientos del sistema hidráulico utilizado para el cambio de velocidades que requieren una elevada potencia con el fin de mantener o alcanzar la presión del fluido hidráulico aún en casos en donde no se requiere cambio de velocidad alguno. De lo anterior, se deduce que un sistema que requiera de una transmisión para entregar diferentes velocidades o potencias, es deseable disponer de una transmisión continuamente variable con una mayor eficiencia, un rango continuo de variación de cambios de velocidades, así como un tamaño y peso reducido; igualmente, es deseable que este nuevo dispositivo requiera de una tecnología no especializada tanto en su fabricación como en su mantenimiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La CVT del presente invento consiste en el uso de un actuador rotativo de control acoplado a un mecanismo sinfín-corona para modificar la relación de transmisión mediante la variación de la velocidad en la corona del mecanismo epicicloidal. La presente invención podrá utilizarse en cualquier equipo que requiere una transmisión para disminuir, mantener, incrementar o transmitir potencia, y de igual forma para disminuir, mantener o incrementar velocidad de una manera continua disminuyendo con ello la pérdida de energía que cuando se utiliza la caja de transmisión convencional. La CVT propuesta se caracteriza por ser un sistema mecánico combinado con un motor de baja potencia, el cual sirve como posicionador, siendo éste motor una de sus principales diferencias con las transmisiones continúas variables descritas en los antecedentes. El diseño conceptual de esta invención está basado en el uso de un actuador rotativo de control sinfín-corona en lugar de la tradicional transmisión variable continua de poleas o la transmisión variable continua toroidal, para modificar la relación de transmisión mediante la variación en la velocidad de la corona del mecanismo epicicloidal. Esta transmisión continuamente variable no requiere de embrague alguno para poder variar la relación de cambio o transmisión en todo su rango de operación. Debido a su diseño, el invento reclamado no utiliza las fuerzas de fricción intencionales con el objetivo de transmitir la potencia de entrada a la salida distinguiéndose de las ya existentes que se basan en elevadas fuerzas de fricción como medio para lograr transmisión de torque o velocidad; es decir, en esta invención no existe entre sus componentes fuerzas de fricción que impidan o faciliten la transmisión de potencia o velocidad desde una planta motriz hacia su salida tal como un sistema de tracción, diferentes a las ocasionadas por el contacto natural existente entre engranajes, piñones, tornillos sinfines, etc.

Mediante la selección de un ángulo de hélice del tornillo sinfín adecuado se consigue compensar el torque debido al componente tangencial de la fuerza de empuje normal presente en la hélice del tornillo con los torques de fricción que aparecen debido al rozamiento en el diente y en los cojinetes de empuje. Como resultado, el elevado torque presente en la rueda dentada del mecanismo es mantenido mediante la acción autobloqueante del tornillo sinfín, a la vez que se desvía la fuerza tangencial de la rueda axialmente hacia la estructura a lo largo del tornillo sinfín. Esto permite controlar el tornillo sinfín mediante un actuador rotativo de control que posee una potencia mucho menor que la del actuador rotativo principal. Las anteriores características abren un amplio horizonte de aplicación para esta invención principalmente en las máquinas de control numérico computarizado de varios grados de libertad, pero más extensamente en las aplicaciones de automoción, donde es muy importante la confiabilidad, el costo y la facilidad de mantenimiento. La invención aquí relacionada presenta las siguientes ventajas:

^■ No presenta un límite de capacidad de torque.

^■ No requiere embrague.

^■ Permite obtener una respuesta dinámica mejor que la típica observada en un motor principal.

^■ Manteniemiento económico.

^■ Otorga flexibilidad en cuanto al tipo de actuador rotativo de control, pudiendo obtener una respuesta más rápida cuando se une a un servomotor, y gran flexibilidad cuando se utiliza un motor DC.

" No requiere de complejos mecanismos, ni sistemas hidráulicos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS FIG.1 vista en sección del dispositivo desprovista de su carcaza.

FIG.2. explosión tridimensional del dispositivo indicando sus principales componentes.

FIG.3. esquema cinemático de la modalidad preferida del invento

FIG.4. muestra una primera configuración alternativa para la presente invención.

FIG.5. muestra una segunda configuración alternativa para la presente invención.

FIG.6. muestra una tercera configuración alternativa para la presente invención.

FIG.7. muestra una cuarta configuración alternativa para la presente invención.

FIG.8. muestra una quinta configuración alternativa para la presente invención.

FIG.9. muestra una sexta configuración alternativa para la presente invención.

FIG.10. muestra una séptima configuración alternativa para la presente invención.

FIG.1 1. muestra una octava configuración alternativa para la presente invención.

FIG.12. muestra una novena configuración alternativa para la presente invención.

FIG.13. muestra una décima configuración alternativa para la presente invención.

FIG.14. muestra una décima primera configuración alternativa para la presente invención.

FIG.15. muestra una décima segunda configuración alternativa para la presente invención.

FIG.16. muestra una décima tercera configuración alternativa para la presente invención. LISTA DE ELEMENTOS.

A continuación se detalla la lista de elementos:

1 Eje de entrada

2 Eje de Planetarios

3 Eje de Planetarios

4 Eje de control

5 Eje de Salida

6 Sol

7 Planeta primera etapa

8 Planeta primera etapa

9 Planeta segunda etapa

10 Planeta segunda etapa

1 1 Corona de dientes externos 1 1 ' Corona de dientes internos

12 Rueda dentada conectada al brazo

13 Engranaje de salida

14 Rueda dentada del mecanismo sinfín.

15 Brazo

16 Tornillo sinfín.

17 Actuador rotativo de control

18 Engranaje eje de entrada.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En esta patente se describe el diseño de un nuevo prototipo de transmisión continuamente variable que simplifica el concepto de diseño y controlabilidad de una CVT y presenta ventajas sobre el estado de la técnica. Requiere de dos entradas de potencia externas, un actuador rotativo principal (no mostrado en las figuras) y un actuador rotativo de control 17. El sistema, del cual se muestra una modalidad preferida en la FIG.l y una vista en explosión en la FIG.2, consta de sólo dos subsistemas como se describe a continuación: a. Un sistema de engranajes planetarios o epicicloidales que, como se muestra en la FIG.l, está dispuesto de tal manera que sus dos entradas de velocidad son por el sol 6 y por la corona 11, y la salida es por el portasatélites o brazo 15. Su función es restar las entradas de velocidad en la corona 11 y en el sol 6 afectadas por una constante de ponderación que depende de la relación de dientes por etapa entre el engranaje impulsado y el impulsor {ni), como se muestra en la ecuación (1): <¾5 = - ^■ <JÚ ₆ + b ^■ 0 _x (Ecuación 1) Siendo:

O[ ₅ : velocidad angular del brazo.

m : relación de dientes por etapa entre el engranaje impulsado y el impulsor.

0 ₆ : velocidad angular del sol.

⁽ 0 _\ i : velocidad angular de la corona.

De la anterior ecuación se puede derivar la relación de velocidad angular transmisión para el sistema epicicloidal RV como (ver Equación 2):

<¾ 1

RV = -

° s - a + b (Ecuación 2)

ω ₆

De donde se observa cómo la relación de velocidad puede asumir un rango continuo de variación dependiendo de la velocidad de la corona.

Un actuador rotativo de control 17, que en el caso de la modalidad preferida es un motor-reductor de velocidad acoplado al mecanismo sinfín-corona, que tiene la finalidad de ejercer la acción de control sobre la relación velocidad de transmisión mediante la variación regulada de la velocidad en el tornillo sinfín 16.

En la modalidad preferida, detallada en la FIG.l y en vista esquemática en la FIG.3, el sistema permite modificar la velocidad angular de salida en el eje 5 mediante la acción sobre la velocidad angular en el tornillo sinfín 16. La transmisión mantiene un torque elevado en el eje de salida 5 mediante la acción autobloqueante del tornillo sinfín 16 y ejerce control sobre la velocidad angular de salida debido a la acción aditiva de las velocidades angulares de entrada del sol 6 ( ) y de la corona 11 ( _\ ) del mecanismo epicicloidal. Con un ángulo de hélice adecuadamente diseñado, se minimiza el torque neto en el tornillo sinfín 16, lo que permite el uso de un actuador rotativo de control 17 de una potencia mucho menor que la del actuador principal dada por la velocidad angular de entrada ( ^ _e nt ) y el torque de entrada ( T _ent ). La reducción del torque en el tornillo sinfín 16, así como también una menor inercia equivalente en el eje del eje de control 4, permite obtener una mejor respuesta dinámica que la del actuador principal que se conecte al eje de entrada 1. Como resultado, se obtiene una transmisión con un torque en el eje de salida 5 comparable al torque de entrada ( T _ent ), pero con las características dinámicas propias del actuador rotativo de control 17.

El sistema recibe la potencia a través del eje 1, el cual impulsa el sol 6 del sistema epicicloidal y transmite la potencia hacia los ejes 2 y 3 por medio de los planetarios 7 y 8. El planetario 9 se encuentra solidario al eje 2 y gira a la misma velocidad que el planeta 7. De igual modo, el planetario 10 está acoplado al planetario 8 por medio del eje 3 al que es solidario. Los ejes 2 y 3 se encuentran apoyados mediante rodamientos en el brazo 15 y pueden girar libremente con respecto a éste. Los planetarios 9 y 10 están acoplados a la corona 11, la cual es solidaria a la rueda dentada 14 por medio del eje 4. La rueda dentada 14 engrana con el tornillo sinfín 16, el cual está comandado por una actuador rotativo de control 17. El ángulo del tornillo está diseñado de tal forma que cumple varias restricciones de diseño:

El mecanismo sinfín-corona, integrado por el tornillo sinfín 16 y la rueda dentada o corona 14, debe ser autobloqueante y girar en un sentido tal que se presente la condición de torque de bajada, similar a como sucede en el caso de los tornillos de potencia, que es una condición en la cual el movimiento se realiza en el mismo sentido en el que tiende a hacerlo la fuerza aplicada. Con ello, a pesar de que el tornillo sinfín 16 se encuentre girando a velocidad constante, su efecto sobre la corona 11 del tren epicicloidal será equivalente a cuando se encuentra anclada a la estructura.

El ángulo debe ser tal que minimice el torque neto en el tornillo sinfín 16. Cuando todos los torques aplicados sobre el tornillo sinfín se encuentran en equilibrio, un pequeño impulso del actuador rotativo de control saca al tornillo momentáneamente de su posición de equilibrio y éste puede girar pero, manteniendo las fuerzas aplicadas. 3. Para este diseño la velocidad de deslizamiento entre la hélice del tornillo sinfín 16 y los dientes de la rueda 14 es mínima, de forma tal que se cumplen las anteriores especificaciones.

Bajo estas condiciones, el torque aplicado en el sol 6 es transmitido hacia la corona li a través de los ejes de planetarios 2 y 3. Sin embargo, dado que la corona 11 se comporta como si estuviera anclada a la estructura, el torque es retransmitido hacia el brazo a través de los ejes planetarios 2 y 3 mediante un efecto de palanca. Este efecto de palanca se crea debido a la participación de un punto de aplicación de la carga (punto de contacto entre el sol 6 y el planetario 7), un punto de reacción (puntos de apoyo del eje 2 en el brazo 15) y un pivote (punto de contacto entre el planetario 9 y la corona 11). De modo que el torque aplicado en el eje de salida 5 está correlacionado con el torque disponible en el eje de entrada 1, siempre que el eje de control 4 esté girando en una condición de equilibrio autobloqueante a través del mecanismo sinfín - corona, cumpliendo las restricciones previamente descritas.

SISTEMAS ALTERNATIVOS

Basados en los mismos principios que la configuración presentada a manera de modalidad preferida de esta invención en la FIG.l, pueden obtenerse mecanismos alternativos en donde las diferentes versiones del mecanismo propuesto se obtienen cuando se usa una configuración alternativa para el tren de engranajes planetarios. Las FIGS. 4 a 16 muestran el esquema correspondiente a cada configuración o mecanismo alterno. Se considera otra modalidad de la presente invención toda disposición de los sistemas de engranaje planetarios en la que una de las entradas del sistema epicicloidal sea comandada por un actuador rotativo de control 17 y el mecanismo sinfín-corona, y la otra, esté conectada al actuador que suministra la potencia principal en la máquina o dispositivo. De este modo, se consiguen tres subgrupos de Sistemas Alternativos I, II y III, según sea el eje que se defina como salida del sistema.

^■ Sistemas alternativos I: Corresponde a las FIGS. 4 a 8. Corresponden a sistemas alternos en los que se dispone el brazo 15 como salida del sistema de planetarios. Las FIGS. 4 y 6 muestran la configuración para tren de doble etapa comprendiendo un sol 6 y 2 grupos de planetarios comprendiendo los engranajes 7, 8 9 y 10. Las FIGS. 7 a 8 ilustran las variantes de esta configuración para tren de una sola etapa, en la que se muestran los diferentes modos de disponer el eje de salida 5 y su conexión al sol 6 según sea que se use una corona con dientes internos 11' o externos 11, o diferentes modos de acoplar la rueda 14 del mecanismo sinfín-corona con el sistema de planetarios.

En la configuración para tren de una sola etapa, el torque aplicado en el eje de entrada 1, el cual impulsa al sol 6, es transmitido hacia la corona de dientes internos 11' a través de los dos planetarios 7 y 8. Dado que la corona 11' se comporta como si estuviera anclada a la estructura, el torque es retransmitido hacia el brazo 15 a través de los ejes 2 y 3 mediante un efecto de palanca. ■ Sistemas alternativos II: En las FIGS. 9 a 12 se dispone la salida de la transmisión por la corona 11. La entrada al sistema puede ser a través del sol 6 (FIGS. 9 y 10) o a través del brazo 15 (FIGS. 11 y 12). En cada caso, se muestran las configuraciones para el caso con dientes externos 11 e internos 11' de la corona.

En la configuración para tren de una sola etapa de la FIG. 10, el torque aplicado al eje de entrada 1 es transmitido al sol 6. Este torque es transmitido a su vez del sol 6 a los planetarios 7 y 8 que lo redirecciona hacia la corona 11'. En otra configuración, FIG 12, el torque aplicado en 1 es transmitido al brazo 15 mediante el engranaje eje de entrada 18. El brazo 15 transmite entonces, el torque a los planetarios 7 y 8 mediante los ejes 2 y 3. Por efecto del mecanismo sinfín se ocasiona que el sol 6 se ancle, permitiendo que se transmita el torque del eje de entrada 1 hacia la corona 11' y esta a su vez lo transmita al eje de salida 5.

^■ Sistemas alternativos III: Las FIGS. 13 a 16 muestran el caso cuando la salida del sistema epicicloidal es a través del sol 6. En las FIGS. 13 y 14 se ejerce control sobre el brazo 15 y la entrada del sistema de planetarios es a través de la corona. El primer caso con dientes externos en la corona 11 y el segundo con dientes internos 11'. Las FIGS. 15 y 16 ilustran el caso para una entrada a través del brazo 15 y control sobre la corona 11. Las FIGS 13 y 15 muestran los casos para dientes externos, mientras que las FIGS 15 y 16 muestran para dientes internos de la corona 11 h.