Campo técnico de la invención

La presente invención está dirigida a un sistema de transmisión, a un vehículo, y a un método de control para el sistema de transmisión, y más específicamente a un sistema de transmisión para un vehículo de ruedas que comprende un mecanismo multiplicador de velocidad, un volante de inercia, un acumulador elástico y un freno controlado por una unidad electrónica de control.

Antecedentes de la invención

La mayoría de vehículos de ruedas disponen de elementos de transmisión de potencia entre la fuente de potencia y el eje tractor; esto se verifica tanto en vehículos con motor de combustión como en vehículos de propulsión humana, como las bicicletas. Los sistemas de transmisión conocidos, si bien resultan efectivos, presentan aspectos y prestaciones mejorables, especialmente en el caso de su aplicación a bicicletas.

Puesto que en las bicicletas el esfuerzo y la velocidad aplicados al pedaleo están enmarcados dentro de unos límites, en los modelos de bicicletas con una sola relación de transmisión del plato integrado con los pedales al piñón integrado en la rueda de la bicicleta; el margen de utilización está limitado a una muy limitada variación de la velocidad y a una también muy limitada variación del par que aplica la rueda al suelo, además de otros problemas.

Para subsanar las diferentes limitaciones anteriores se utilizan diversos sistemas de cambio de la relación de transmisión. Los más utilizados son sistemas que utilizan una combinación de vahos platos y piñones con los que se puede seleccionar y cambiar la relación de transmisión y ampliar los márgenes de variación de velocidad de salida y par aplicado en la rueda.

Otra alternativa consiste en implementar sistemas de transmisión con almacenamiento energético. Este tipo de transmisiones, además de transmitir potencia, acumulan energía, y nos encontramos que será necesario aplicar de forma continua un cierto par a la entrada de la transmisión para poder mantener la carga del acumulador y transmitir movimiento a la rueda

Uno de los problemas conocidos en los sistemas de transmisión, en particular en bicicletas, es que dado que el par entregado por el ciclista durante el pedaleo es irregular y función del ángulo que forma la pierna con el pedal, nos encontramos con que en las zonas en las que el pedal está más avanzado la aplicación de la fuerza por parte del ciclista es más efectiva, mientras que cuando el pedal está más retrasado, la aplicación de fuerza por parte del ciclista es menos efectiva.

Para este problema se han planteado diversas soluciones, tales como sistemas de accionamiento con brazos oscilantes en vez de pedales que transmiten al árbol de la transmisión un movimiento de vaivén. El sistema permite al ciclista aplicar la máxima fuerza en cualquier momento, ya que el pedal se encuentra siempre adelantado, reduciendo las zonas donde la aplicación de fuerza es poco efectiva.

Sin embargo, el anterior sistema todavía presenta discontinuidades en la transmisión de par a la rueda como consecuencia del movimiento alternativo de los brazos y no permite una cadencia continua y suave como en el pedaleo convencional.

Por lo tanto, aún existe un amplio margen para la mejora en el campo de los sistemas de transmisión de potencia para vehículos de ruedas.

Descripción de la invención

La presente invención propone una solución a los anteriores problemas mediante un sistema de transmisión de potencia, un vehículo y un método de control del sistema de transmisión según se define en las reivindicaciones independientes.

En un primer aspecto inventivo, la invención proporciona un sistema de transmisión configurado para transmitir potencia desde un árbol de entrada a un elemento rodante, caracterizado por que comprende: un mecanismo multiplicador de velocidad, con una entrada y una salida, en donde la entrada está operativamente unida al árbol de entrada, un volante de inercia operativamente unido a la salida del mecanismo multiplicador de velocidad, un acumulador elástico, con una entrada y una salida, en donde la entrada está operativamente unida al volante de inercia, y la salida está operativamente unida al elemento rodante, un sensor de par configurado para emitir señales proporcionales al par de entrada del acumulador elástico, un freno, configurado para aplicar un par de freno a la salida del acumulador elástico, un sensor de velocidad de giro de entrada, configurado para emitir señales proporcionales a la velocidad de giro de la entrada del mecanismo multiplicador, un sensor de velocidad de giro de salida, configurado para emitir señales proporcionales a la velocidad de giro de la salida del acumulador elástico, y una unidad electrónica de control operativamente conectada al sensor de par, al sensor de velocidad de giro de entrada, al sensor de velocidad de giro de salida, y al freno, en donde la unidad electrónica de control está configurada para accionar el freno en función de una señal del sensor de par.

Ventajosamente, el sistema de transmisión de la presente invención permite obtener una salida de potencia controlada, preferiblemente con una salida de par y velocidad de giro adaptadas a las diferentes circunstancias de carga en la salida de forma independiente a la variación temporal e irregularidades de par y velocidad en el árbol entrada. Esto resulta especialmente ventajoso para un accionamiento por pedaleo por parte de un ciclista aplicado sobre un árbol de entrada del sistema de transmisión. Aunque la aplicación preferida del sistema de transmisión es una bicicleta, la presente invención es de aplicación a cualquier otro tipo de vehículos, motorizados o no, que requieran de una tracción controlada adaptada a la carga.

A lo largo del presente documento se debe entender que un elemento mecánico se une operativamente a otro elemento mecánico si existe una relación mecánica entre ellos tal que permite una transmisión de potencia o movimiento de un elemento a otro, ya sea por medio de una unión solidaria, o mediante la interposición de elementos convencionales tales como rodamientos, rodamientos unidireccionales, ruedas libres, piñones libres, cadenas, poleas o engranajes, entre otros. Además, se entenderá que una entrada o salida de un elemento mecánico que transmite o acumula potencia es la parte del elemento sobre la que se aplica potencia o la parte por la que el elemento entrega potencia al exterior, respectivamente; en una realización preferida, la entrada o la salida es un eje convencional.

El árbol de entrada del sistema de transmisión, o simplemente transmisión, al que se une la fuente de potencia, motor o plato de los pedales está operativamente unido a un mecanismo multiplicador de velocidad; este mecanismo multiplicador de velocidad, o mecanismo multiplicador, permite reducir el par y aumentar la velocidad de rotación respecto a la velocidad del árbol de entrada de la transmisión. El mecanismo multiplicador comprende, en una realización preferida, un conjunto de engranajes, o de engranajes y poleas, capaz de transmitir una rotación a una velocidad mayor que la velocidad de entrada del árbol, que normalmente se corresponde con la velocidad de pedaleo o de giro del motor.

El movimiento del mecanismo multiplicador se transmite a su vez a un volante de inercia o sistema acumulador de energía cinética. Se debe entender que el volante de inercia puede comprender elementos adicionales tales como rodamientos unidireccionales o sensores, con objeto de utilizar la energía almacenada según se requiera, y que no se limita a una masa en rotación. Ventajosamente, el hecho de aumentar la velocidad de entrada de la transmisión en el mecanismo multiplicador permite aumentar la energía cinética disponible en el volante de inercia.

Por su parte, el volante de inercia está operativamente unido a un acumulador elástico, acumulador principal, o sistema de almacenamiento de energía elástica, que almacena energía aplicando los principios de la ley de Hooke. Dicho acumulador elástico comprende una entrada y una salida diferenciadas y relacionadas entre sí por medio de un elemento con un comportamiento elástico, como por ejemplo un resorte. En una realización, el volante de inercia está operativamente unido a la entrada del acumulador elástico por medio de un mecanismo reductor de velocidad; ventajosamente, el mecanismo reductor de velocidad permite reducir la velocidad de giro del volante de inercia a una velocidad más adecuada.

La salida del acumulador está unida operativamente a un elemento rodante, que en una realización preferida es una rueda tractora, o trasera, de una bicicleta. Esta unión se puede establecer bien directamente por medio de un eje rígido, bien mediante la interposición de elementos tales como engranajes o rodamientos unidireccionales. Preferiblemente, la salida del acumulador elástico está unida operativamente a un elemento rodante a través de un rodamiento unidireccional. También unido operativamente a la salida del acumulador hay un freno que permite bloquear selectivamente, o aplicar un par de freno selectivamente, a dicha salida. En una realización, el freno comprende medios de fricción que permiten presionar un árbol de salida del acumulador o un elemento unido rígidamente a dicho árbol.

Para controlar duración del par de frenado, el freno se acciona por medio de señales de activación emitidas por parte de una unidad electrónica de control. La unidad electrónica de control, unidad de control, o controlador, comprende en una realización preferida un computador, configurado de forma que emite señales de accionamiento al freno en función de unas señales procedentes de una pluralidad de sensores; preferiblemente, el controlador está configurado para decidir el tiempo de aplicación del par de freno que se debe aplicar comparando unos valores de velocidad de giro y par obtenidos de respectivos sensores.

Los valores de par proceden al menos de un sensor de par configurado para emitir una señal al controlador proporcional al par en la entrada del acumulador. Los valores de velocidad de giro proceden al menos de un sensor de velocidad de entrada y de un sensor de velocidad de salida, en donde dichos sensores están configurados para emitir respectivas señales al controlador en función de los valores de velocidad de giro medidos preferiblemente en el árbol de entrada de la transmisión y en la salida del acumulador. En otras realizaciones la velocidad de giro se mide en el elemento rodante. Tanto los sensores de par como los sensores velocidad son, en una realización, sensores convencionales capaces de determinar las respectivas magnitudes por medios conocidos, y de emitir una señal interpretable por parte de un dispositivo electrónico, en particular por parte de una unidad electrónica de control.

En una realización particular, el sensor de par es un sensor de par dinámico. Ventajosamente, el sensor de par dinámico permite una lectura continua del par transmitido mientras la transmisión se encuentra en movimiento, sin frenar o alterar el movimiento.

En una realización particular, el freno comprende un freno de disco. Ventajosamente, el disco del freno de disco se une a la salida del acumulador, y permite aplicar sobre el mismo un par de frenado de forma controlada. En una realización alternativa, el freno comprende un freno de tambor. Ventajosamente, el freno de tambor permite integrar el freno en el cubo de una rueda.

En una realización particular, el sistema de transmisión comprende además un mecanismo reductor de velocidad operativamente unido a la salida del acumulador elástico. El mecanismo reductor de velocidad a la salida del acumulador permite reducir la velocidad de giro a la salida; de esta forma se logra una mejor adaptación de la velocidad y el par de salida de la transmisión a las demandas del vehículo, así como reducir el esfuerzo necesario para aplicar un par de frenado a la salida del acumulador elástico del sistema de transmisión.

En una realización particular, el acumulador elástico comprende un resorte en espiral. El acumulador elástico, o principal, acumula energía por medio de un material con un comportamiento elástico, que en esta realización particular es un resorte en espiral, preferiblemente un resorte espiral de acero. El resorte comprende un primer extremo unido a la entrada del acumulador, un cuerpo alargado con un comportamiento elástico, y un segundo extremo unido operativamente a la salida del acumulador. En una realización, el acumulador comprende una estructura de tambor dentro de la cual está montado el resorte; el tambor está unido al primer extremo del resorte, y puede girar libremente alrededor de un eje de entrada unido al segundo extremo del resorte. En una realización, el acumulador elástico y el volante de inercia están dispuestos de forma coaxial dentro de un alojamiento con configuración cilindrica o de tambor.

En una realización particular, el sistema de transmisión comprende además un segundo volante de inercia operativamente unido a la salida del acumulador elástico. A fin de mejorar todavía más la transmisión de potencia, se dispone un segundo volante de inercia a continuación del acumulador que ventajosamente actúa como un filtro adicional de posibles discontinuidades en la transmisión de potencia. En una realización, el segundo volante de inercia está unido operativamente a la salida del acumulador elástico por medio de un rodamiento unidireccional.

En una realización particular, al menos dos de: el mecanismo multiplicador de velocidad, el volante de inercia, el acumulador elástico, y el sensor de par están dispuestos coaxialmente. Ventajosamente, los elementos se disponen sobre uno o vahos ejes alineados o concéntricos para formar un sistema de transmisión compacto y práctico, que se puede instalar fácilmente en vehículos, en particular bicicletas, ya existentes. En otra realización, al menos uno del mecanismo multiplicador de velocidad, el volante de inercia, el acumulador elástico, y el sensor de par están dispuestos en ejes paralelos.

En una realización particular, el sistema de transmisión comprende además sensores de par adicionales. Ventajosamente, los sensores de par adicionales permiten transmitir a la unidad electrónica de control valores de par correspondientes a otros puntos de la cadena de transmisión de potencia, distintos a la entrada al acumulador elástico, y que ayudan a la unidad de control a establecer una transmisión de potencia más precisa.

En un segundo aspecto inventivo, la invención proporciona un vehículo de ruedas que comprende un sistema de transmisión según el primer aspecto inventivo. Ventajosamente, el vehículo equipado con un sistema de transmisión según se ha descrito previamente lograr una transmisión de potencia continua y homogénea desde un árbol de entrada de la transmisión hasta un elemento rodante. En una realización particular, el vehículo de ruedas es una bicicleta.

En un tercer aspecto inventivo, la invención proporciona un método de control de un sistema de transmisión según el segundo aspecto inventivo, que comprende ejecutar por parte de una unidad electrónica de control las etapas de: recibir un valor de par de referencia TR, recibir un valor de velocidad de entrada de referencia WR¡ _n , recibir un valor de velocidad de salida de referencia WR _Ou t, recibir un valor de par T de al menos un sensor de par, recibir un valor de velocidad de entrada w¡ _n del sensor de velocidad de giro de entrada, recibir un valor de velocidad de salida w _O ut del sensor de velocidad de giro de salida, y comparar los valores recibidos, de forma que si el valor de velocidad de entrada w¡ _n es superior a un valor de velocidad de entrada de referencia WR¡ _n , y si el valor de velocidad de salida w _O ut es superior a un valor de velocidad de salida de referencia WR _Ou t, y si el valor de par T es inferior a un valor de par de referencia TR, entonces el método comprende la etapa de emitir una señal de accionamiento del freno.

El método de control se implementa ejecutando una pluralidad de etapas por medio de una unidad electrónica de control conectada operativamente a una pluralidad de sensores de par y de velocidad de giro. Se debe entender por conexión operativa una conexión entre al menos dos elementos que permite transmisión de información; esta conexión es, en una realización una conexión por medio de cables; en otra realización es una conexión inalámbrica, por ejemplo mediante señales de radiofrecuencia.

Así, tras recibir unos valores de referencia de par y de velocidad de giro, valores predeterminados o definidos por parte de un usuario, la unidad de control recibe señales proporcionales al par y a la velocidad de giro. La señal transmitida del sensor al controlador puede corresponder, por ejemplo, a un valor específico de la magnitud o a un porcentaje del valor de la magnitud medida, entre otros. En una realización, los valores de referencia se modifican dinámicamente en función de la velocidad y cargas del vehículo.

Una vez recibida la información, el controlador compara las magnitudes recibidas frente a las magnitudes de referencia, y en función de si son mayores o menores que los respectivos valores de referencia, el controlador emite o interrumpe la emisión de una señal de activación al freno. Ventajosamente, de esta forma es posible controlar la transmisión de potencia al elemento rodante al menos en función de los valores de velocidad de giro a la entrada y a la salida de la transmisión y de par a la entrada del acumulador de energía elástica.

En una realización particular, si el valor de velocidad de entrada w¡ _n no es superior a un valor de velocidad de entrada de referencia WR¡ _n , o si el valor de velocidad de salida w _O ut no es superior a un valor de velocidad de salida de referencia WR _Ou t, o si el valor de par T no es inferior a un valor de par de referencia TR, entonces, el método comprende volver a ejecutar al menos las etapas de: recibir un valor de par T de al menos un sensor de par, recibir un valor de velocidad de entrada w¡ _n del sensor de velocidad de giro de entrada, recibir un valor de velocidad de salida w _O ut del sensor de velocidad de giro de salida, comparar los valores recibidos.

Si al menos uno de los valores de las magnitudes medidas no cumple la relación respecto al correspondiente valor de referencia, la unidad de control no activa el freno o interrumpe la emisión de la señal de activación del freno, y ejecuta de nuevo las etapas correspondientes a recibir los valores medidos por los sensores y compararlos, de forma que las etapas del método se ejecutan cíclicamente. En otra realización, la unidad de control ejecuta de nuevo las etapas correspondientes a recibir los valores medidos por los sensores y compararlos tras emitir una señal de activación del freno.

Estas y otras características y ventajas de la invención resultarán evidentes a partir de la descripción de las realizaciones preferidas, pero no exclusivas, que se ¡lustran a modo de ejemplo no limitativo en los dibujos que se acompañan.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1 Esta figura muestra una realización del sistema de transmisión.

Figura 2 Esta figura muestra un diagrama de bloques del método de control del sistema de transmisión.

Descripción detallada de un ejemplo de realización

En la siguiente descripción detallada se exponen numerosos detalles específicos en forma de ejemplos para proporcionar un entendimiento minucioso de las enseñanzas relevantes. Sin embargo, resultará evidente para los expertos en la materia que las presentes enseñanzas pueden llevarse a la práctica sin tales detalles.

La Figura 1 muestra un ejemplo de realización del sistema de transmisión configurado para su uso en una bicicleta; así el árbol de entrada de la transmisión está conectado directa o indirectamente, por ejemplo mediante una cadena y/o un rueda libre, a las bielas de los pedales de la bicicleta, y transmite la potencia a la rueda trasera de la bicicleta.

En esta realización el mecanismo multiplicador (1) de velocidad comprende un conjunto de engranajes dispuestos en tres ejes o árboles paralelos, y que transmiten la potencia al volante de inercia (2) por medio de una polea y una correa, no mostrada en la figura. De acuerdo con esta realización, el árbol de entrada de la transmisión, no mostrado en la figura, es accionado por el pedaleo de un usuario, en este caso un ciclista, que mueve el eje mostrado más abajo en la Figura 1.

La velocidad se incrementa empleando engranajes con cada vez menor número de dientes: del plato dispuesto en el primer eje se pasa a un piñón más pequeño solidario a otro piñón mayor, dispuesto en el segundo eje, o eje intermedio, y de éste se pasa a otro piñón menor dispuesto en el tercer eje, mostrado en la parte superior de la Figura 1. Éste último piñón es solidario a una polea que transmite el movimiento al volante de inercia (2) dispuesto en el primer eje por medio de una correa. El volante de inercia (2) no se encuentra operativamente unido al plato del mecanismo multiplicador (1) y ambos elementos pueden girar de forma independiente.

El volante de inercia (2), o acumulador de energía cinética, está unido a la entrada del acumulador elástico (3), e interpuesto entre ambos elementos se encuentra un sensor de par (4) dinámico convencional que permite la lectura del par a la entrada del acumulador elástico (3) mientras el volante de inercia (2) y acumulador elástico (3) se encuentran girando. En otras realizaciones, no mostradas en las figuras, el volante de inercia (2) está montado en el eje de entrada del acumulador elástico (3).

Como muestra la Figura 1 el acumulador elástico (3) comprende un tambor que aloja un resorte en espiral. La entrada del acumulador elástico (3) está unida al tambor, y éste está unido al primer extremo del resorte en espiral, que en la Figura 1 queda oculto por el tambor. El resorte es una tira de acero configurada para enrollarse sobre sí misma, y tiene un coeficiente elástico y longitud conocidas que se emplean para determinar los valores deseados de par y velocidad de giro. En otras realizaciones, no mostradas en las figuras, el volante de inercia (2) y el acumulador elástico (3) están montados en un alojamiento cilindrico.

En una realización, no mostrada en las figuras, el sistema de transmisión está alojado en una cubierta cilindrica. El freno (5) comprende además unas pinzas de freno, no mostradas en la Figura 1 , que hacen las veces de actuador del freno (5). El eje de salida del acumulador elástico (3) está a su vez unido operativamente a la rueda de la bicicleta, por ejemplo por medio de un rodamiento unidireccional.

Además de los anteriores elementos, el sistema de transmisión comprende un sensor de velocidad de giro de entrada, un sensor de velocidad de giro de salida, y una unidad electrónica de control, no mostrados ninguno en la Figura 1. Los sensores de velocidad de giro de entrada y de salida son de tipo convencional, por ejemplo sensores ópticos, y están dispuestos en, o junto a, el árbol de entrada de la transmisión, y el eje de salida del acumulador elástico, respectivamente.

Ambos sensores de velocidad de giro, junto al sensor de par (4) están conectados por medio de cables a la unidad electrónica de control, que a su vez está conectada a un actuador del freno (5).

De esta forma, la unidad electrónica de control está en situación de ejecutar las etapas del método de control de la transmisión, según se muestra en la Figura 2. El método comprende ejecutar las etapas de: recibir (101) un valor de par de referencia TR, recibir (102) un valor de velocidad de entrada de referencia WR¡ _n , recibir (103) un valor de velocidad de salida de referencia WR _Ou t, recibir (104) un valor de par T de al menos un sensor de par (4), recibir (105) un valor de velocidad de entrada w¡ _n del sensor de velocidad de giro de entrada, y recibir(106) un valor de velocidad de salida w _O ut del sensor de velocidad de giro de salida. Estas etapas pueden ejecutarse secuencialmente en el orden mostrado o en otro orden.

Por su parte, la recepción de valores de referencia, TR, WR¡ _n , WR _Ou t, se puede realizar obteniendo dichos valores de una unidad de memoria del controlador, o por introducción manual en una interfaz de comunicación con un usuario. Alternativamente, los valores de referencia, una vez introducidos por el usuario pueden modificarse dinámicamente en función de la velocidad del vehículo y condiciones del terreno por el que circula.

Una vez se dispone tanto de los valores de referencia como de los valores medidos, el controlador procede a comparar (107) los valores recibidos, y verifica que si se cumplen las tres condiciones:

W¡n > Rin, Wout •* WRout, T < T _R , entonces el controlador emite (108) una señal de accionamiento al freno (5), que aplica un par de frenado a la salida del acumulador elástico (3).

Además, resulta conveniente realizar esta comparación cíclicamente para obtener una sensación de respuesta prácticamente continua, y por tanto si la unidad de control detecta que no se cumple alguna de las condiciones, ¡n > WR¡n,

Wout •* WRout,

T < T _R , entonces el controlador o bien no realiza acción alguna o bien interrumpe la señal de activación del freno, y repite al menos las etapas de lectura de datos y comparación, es decir: recibir (104) un valor de parT de al menos un sensor de par (4), recibir (105) un valor de velocidad de entrada w¡ _n del sensor de velocidad de giro de entrada, recibir(106) un valor de velocidad de salida w _ou t del sensor de velocidad de giro de salida, y comparar (107) los valores recibidos.