BRPI1106964A2 - transmissão automática inercial continuamente variável - Google Patents

Abstract

transmissão automática inercial continuamente variável. a presente invenção trata de um sistema de engrenagens de funcionamento automático destinado a transmitir o torque do motor de um veículo automotivo às suas rodas motrizes, cujo controle de mudança de velocidade do veículo ocorre em função do torque gerado pelo motor e do momento de inércia no qual o veículo se encontra.

Description

TRANSMISSÃO AUTOMÁTICA INERCIAL CONTINUAM ENTE VARIÁVEL

Campo da Invenção A presente invenção tem seu campo de aplicação dentre os sistemas de engrenagens destinados à transmissão de torque de um motor. Mais particularmente para transmitir o torque do motor de um veículo automotivo às suas rodas motrizes. Mais especificamente, um sistema de engrenagens de funcionamento automático.

Descrição do Estado da Técnica O sistema de engrenagens destinado a transmitir o torque do motor de um veículo automotivo às suas rodas motrizes também é conhecido como transmissão ou caixa de câmbio. Os principais tipos de transmissão para veículos automotores são: a transmissão manual, a transmissão automática e a transmissão do tipo CVT (Continuously Variable Transmission).

As transmissões manuais trabalham com engrenagens de tamanhos diferentes e são engatadas e desengatadas individualmente, já os sistemas de transmissão automática utilizam um sistema de engrenagens composto por um conjunto contendo engrenagens solares, engrenagens redução e engrenagens coroa em número variado, e tamanhos de engrenagens diferentes (número de dentes diferentes). Nestes sistemas as engrenagens são engatadas entre si e a relação de força/velocidade é dada de acordo com relação entre as engrenagens conectadas.

Existe ainda o sistema de transmissão tipo CVT (Continuously Variable Transmission) que simula uma quantidade infinita de relações de marcha, uma vez que funciona, geralmente, por um conjunto composto de uma correia que interliga um sistema de duas polias de tamanhos variáveis. Cones, esferas, toros e outras soluções engenhosas são utilizados nas transmissões tipo CVT para transmissão de torque de forma contínua e variável.

Nos veículos dotados de transmissão manual, a necessidade da troca de marchas efetuada pelo condutor é constante e o ato de conduzir o automóvel torna-se cansativo, apesar de se obter uma rápida resposta do veículo por ocasião de uma mudança de marcha. No caso dos veículos dotados de transmissão automática ou CVT essas respostas não são rápidas, porém o conforto no ato de dirigir é muito maior. A maioria dos sistemas CVT comerciais também baseiam-se na transmissão de torque por atrito entre partes com seções de geometria variável. Exatamente por dependerem do atrito, possuem confiabilidade e escalabilidade reduzidas se comparadas com soluções de engrenagens totalmente engatadas. Outro ponto fraco das CVTs é o processo de escolha da relação de marcha ideal para cada situaçáo, geralmente demorado e baseado em complexos sistemas eletrônicos. A técnica apresenta soluções para os três problemas mencionados: permite uma direção confortável, com todos os benefícios de uma CVT; elimina os problemas relacionados à transferência de torque por atrito; e implementa um mecanismo de retroalimentação simples, instantâneo e totalmente mecânico, otimizador da relação de marchas e baseado apenas na inércia do veículo. A técnica ainda apresenta diversos documentos com várias soluções aos problemas relacionados ao desconforto causado pela constante mudança de marchas dos câmbios manuais ou relacionados à demora nas respostas de veículos dotados de sistemas de transmissão automática ou CVT. O documento MU8500006-0 (André Luis A. Ribeiro) descreve um mecanismo eletro-magnético bi-articulado para transmissões semi-automáticas, que visa aumentar o conforto nas trocas de marcha sem prejudicar a retomada de velocidade, sendo indicado especialmente para motocicletas. Já o documento US 6,892,599 (Kongsberg Automotive ASA) descreve uma transmissão manual contendo cilindros hidráulicos que facilitam o engate e desengate das marchas amenizando parcialmente o desconforto existente nas trocas constantes de marchas. Já o documento CA 2 736 931 (Automatic Transmitions, LTD) descreve uma transmissão automática que utiliza dois ou mais estágios de mecanismos planetários para a mudança automática de marchas, que torna desnecessário o desengate de marchas e a presença de equipamentos de controle. Esta transmissão, entretanto, não resolve o problema da demora existente nas trocas de marcha. O documento US 7,951,039 (GM Global Technology Operations LLC) descreve uma transmissão automática contendo 8 marchas, que são engatadas conforme pequenas variações do torque do motor. Essa tecnologia visa melhorar a resposta do veículo pelo aumento do número de marchas.

Sumário da Invenção É objeto da presente invenção uma transmissão automática inercial continuamente variável capaz de transmitir o torque de um motor às suas rodas, se tratando preferencialmente, de uma transmissão automática com controle de mudança de velocidade do veículo em função do torque gerado pelo motor e do momento de inércia no qual o veículo se encontra.

Este objeto é alcançado por intermédio de uma transmissão automática inercial continuamente variável que compreende um conjunto de engrenagens composto por um eixo de entrada, elementos de escalonamento, um eixo de saída e uma trava. O eixo de entrada é proveniente de um motor de um veículo e conduz a rotação gerada pelo motor aos elementos de escalonamento. Estes últimos farão a redução da rotação e transferência da força resultante a um eixo de saída, proporcionado assim movimento às rodas do veículo.

Breve Descrição das Figuras Com o intuito de facilitar a compreensão da invenção, as figuras em anexo ilustram representações de possíveis concretizações da presente invenção. A Figura 1 mostra a representação de uma vista em perspectiva expandida do conjunto de componentes da transmissão automática contínua inercialmente variável objeto da presente invenção. A Figura 2 mostra a representação de uma vista em perspectiva do mecanismo de encaixe dos eixos de entrada e saída ao sistema redutor. A Figura 3 apresenta uma vista das engrenagens do sistema de redução e suas partes componentes. A Figura 4 apresenta uma vista em perspectiva com detalhes dos elementos de escalonamento que são montados no interior do elemento satélite. A Figura 5 apresenta uma vista frontal dos elementos de escalonamento inseridos dentro da turbina. A Figura 6 apresenta um fluxograma representando a retroalimentação de forças que ocorre entre os componentes dos elementos de escalonamento.

Figura 7 mostra uma representação da vista expandida dos componentes da trava.

Figura 8 apresenta uma representação gráfica de um teste de desempenho de velocidade.

Descricão Detalhada da Invenção A presente invenção será melhor entendida a partir da descrição detalhada que se fará a seguir com o auxílio das figuras acima descritas e que são parte integrante do presente relatório. A presente invenção se trata de uma transmissão automática inercial continuamente variável (1) capaz de transmitir o torque de um motor às rodas de um veículo automotor. Conforme pode ser visto na figura 1, esta transmissão automática inercial continuamente variável (1) é compreendida de: - elementos de escalonamento (2); que servem para transferir o torque proveniente do motor, trazido pelo eixo de entrada (3) ao eixo de saída (4); - um eixo de entrada (3) que serve para levar o torque produzido pelo motor aos elementos de escalonamento (2); - um eixo de saída (4) que serve para levar a força produzida pelos elementos de escalonamento (2) às rodas do veículo automotor; - uma trava (12); - carcaças protetoras (1 Oa, 10b e 10c).

Os elementos de escalonamento (2) são um conjunto de engrenagens, que compreende: (i) um sistema de redução (5); (ii) um elemento satélite (6), (iii) uma turbina (7); (iv) uma estrutura aletada (8); (v) um primeiro anel de junção (9);

Os elementos de escalonamento (2) se encontram constantemente imersos em fluído lubrificante, como por exemplo, um óleo lubrificante. O sistema de redução (5) promove a redução da rotação, conduzida do motor aos elementos de escalonamento (2) pelo eixo de entrada (3), e transfere a força resultante desta redução ao eixo de saída (4).

Na figura 3 pode ser visto que o sistema de redução (5) apresenta uma estrutura rígida (5B); que interconecta as engrenagens (5A) que possuem movimento orbital. Preferencialmente, a estrutura rígida (5B) possui o formato triangular e interconecta três engrenagens (5A) do tipo planetária, as quais são posicionadas, preferencialmente, em ângulos de 120° uma da outra. O sistema de redução (5) apresenta ainda um orifício de entrada (5C) e um pinhão de saída (5D). O orifício de entrada (5C) serve para possibilitar o encaixe do eixo de entrada (3) no sistema de redução (5). Conforme pode ser visto na figura 4 o pinhão de saída (5D) serve para conectar o sistema de redução ao eixo de saída (4) ou a outro conjunto de engrenagens (5A).

As ilustrações aqui contidas apresentam 2 sistemas de redução (5), no entanto, aquele versado na arte, facilmente percebe que pode existir um número variável de sistemas de redução (5), conforme a necessidade de redução do torque que se almeje alcançar. A redução do torque efetuada pelo sistema de redução (5), no exemplo da figura 4, ocorre em uma escala compreendida entre 1:5 a 1:25, conforme o número de sistemas de redução (5) contidos na transmissão automática inercial continuamente variável (1) desta invenção. O elemento satélite (6) apresenta a face interior denteada e sua face exterior é lisa. Este elemento satélite (6) é fixado ao interior de uma estrutura aletada (8) e ao seu redor a turbina (7) é posicionada sem ser fisicamente fixada a esta. A função primária do elemento satélite (6) é promover o aumento da velocidade do movimento giratório do sistema de redução (5) posicionado em seu interior. A turbina (7) se conecta ao eixo de saída (4) por intermédio de um primeiro anel de junção (9). Portanto, a turbina (7) apresenta movimento giratório solidário ao eixo de saída (4), porém este movimento pode ter uma proporcionalidade ao eixo de saída (4), não sendo necessariamente 1:1. A estrutura aletada (8) é conectada a estrutura satélite (6) e à carcaça 10b. Esta estrutura aletada (8) é movimentada pela força gerada pela turbina (7). Sua função é auxiliar na transferência de força ao eixo de saída (4), fazendo as relações de marchas variarem continuamente. O primeiro anel de junção (9) liga a turbina (7) ao eixo de saída (4), possibilitando o movimento da turbina (7) solidário ao eixo de saída (4). A turbina (7) apresenta em sua face externa estruturas pertencentes ao grupo compreendido de aletas, ímãs ou ranhuras. Preferencialmente a face externa da turbina (7) apresenta aletas (como na figura 1). A estrutura presente na face externa da turbina gera uma força extra, que pode ser hidráulica, magnética ou de tração, a qual será transferida à estrutura aletada (8).

Desta forma, a conversão da rotação produzida pelo eixo de entrada (3) e sua transferência para o eixo de saída (4) ocorre devido tanto à força transferida diretamente ao sistema de redução (5), como pela força gerada pela turbina (7) sobre a estrutura aletada (8).

De forma exemplificada, nas figuras aqui apresentadas, a turbina (7) possui aletas em sua face externa. Devido a todos os elementos de escalonamento (2), ficarem imersos em fluído lubrificante, as aletas da turbina (7) geram uma força hidráulica que promove o giro da estrutura aletada (8). Desta forma, como o elemento satélite (6) se encontra fixado na estrutura aletada (8), este elemento satélite (6) gira conjuntamente. O movimento giratório do elemento satélite (6) é transferido ao sistema de redução (5) que passa a girar mais rapidamente e transfere este aumento do número de giros para o eixo de saída (4) e consequentemente, para a turbina (7), criando assim uma retroalimentação de forças dentro desta transmissão automática inercial continuamente variável (1).

Como pode ser visto no fluxograma da figura 6, a retroalimentação gerada pela ação da turbina (7) sobre os demais componentes dos elementos de escalonamento (2) altera a redução da rotação efetuada pelo sistema de redução (5) para uma escala compreendida entre 1:25 a 1:1, conforme a variação do momento de inércia do veículo.

As carcaças (10a, 10b e 10c) servem para revestir e conferir proteção à transmissão automática inercial continuamente variável (1). Estas carcaças apresentam orifícios que possibilitam que os eixos de entrada (3) e saída (4) as atravessem.

Os elementos de escalonamento (2), portanto, são responsáveis pela conversão da rotação produzida pelo eixo de entrada (3) e sua transferência para o eixo de saída (2) devido tanto à força transferida diretamente pelo sistema de redução (5), como pela força gerada pela turbina (7) sobre a estrutura aletada (8). O eixo de entrada (3) tem a função de levar o torque produzido pelo motor aos elementos de escalonamento (2). Uma das extremidades do eixo de entrada (3) é conectada ao motor do veículo e a outra extremidade é inserida no interior dos elementos de escalonamento (2). Conforme indicado na figura 4, a extremidade do eixo de entrada (3) que é inserida nos elementos de escalonamento (2) possui um pinhão (11), dotado de dentes que se encaixam com precisão dentro do sistema de redução (5), movendo as engrenagens (5A). O eixo de saída (4) se liga ao sistema de redução (5), à turbina (7) e às rodas motrizes do veículo. A função do eixo de saída (4) é transferir a força produzida pelos elementos de escalonamento (2) às rodas do veículo automotor. O resultado desta conversão pode ser velocidade, força, e ainda uma combinação de velocidade e força, de acordo com o momento inercial em que o veículo se encontra, combinado com o torque promovido pela rotação do motor. O momento de inércia do veículo é importante para esta transmissão automática inercial continuamente variável (1) pois, a turbina (7) é fixada diretamente sobre o eixo de saída (4), portanto, a rotação do eixo de saída (4) tem uma relação direta com a força que a turbina (7) produz sobre a estrutura aletada (8). A força produzida pela turbina (7) sobre a estrutura aletada (8), e consequentemente ao elemento satélite (6), é transferida de volta ao sistema de redução (5) que por fim, promove um aumento da rotação do eixo de saída (4). Essa sucessão de transferência de forças entre os componentes desta transmissão automática inercial continuamente variável (1) ocorre de forma rápida e sem os costumeiros solavancos produzidos pelos sistemas de transmissão automática pertecentes ao estado da técnica. A figura 7 ilustra a trava (12), que é um componente da transmissão automática inercial continuamente variável (1) e, que compreende os seguintes elementos: (i) Uma engrenagem (13); (ii) Um tambor (14); (iii) Pinos e molas (15); (iv) Anéis de junção (16a e 16b). A engrenagem (13) que é dentada internamente e deve ser introduzida no interior do tambor (14), possui a função de controlar o sentido da rotação deste tambor. O tambor (14) é responsável pela frenagem dos elementos de escalonamento (2), sendo fixado à estrutura aletada (8).

Os pinos e molas (15) funcionam de forma conjunta e servem para causar a frenagem do tambor (14).

Os anéis de junção (16a e 16b) são inseridos sobre o tambor (14) e servem para evitar o desgaste gerado pelo contato entre o tambor (14) e a estrutura aletada (8).

Como o tambor (14) é fixado ao elemento satélite (6) ambos giram sempre no mesmo sentido. Assim, quando a engrenagem (13) permite que o sentido de rotação do tambor (14) seja o mesmo sentido de rotação do eixo de entrada (3) a transmissão automática inercial continuamente variável (1) promove o escalonamento contínuo de marchas no veículo, possibilitando que a trocas de marchas ocorram de forma rápida e sem trancos; no entanto, quando a engrenagem (13) possibilita que o tambor (14) gire no sentido contrário ao eixo de entrada (3) a transmissão automática inercial continuamente variável (1) permanece engatada, sem, no entanto, transmitir o movimento giratório ao eixo de saída (4), atuando desta forma como uma embreagem embutida.

Como pode ser percebido pelos versados na técnica, a transmissão automática inercial continuamente variável (1) desta invenção, apresenta um número reduzido de componentes mecânicos, fato que reduz o custo de produção do objeto desta patente quando comparado às transmissões automáticas anteriores.

Além disso, embora preferivelmente as aplicações desta transmissão automática inercial continuamente variável (1) se destinem a transmissão de torque do motor de um veículo automotivo às suas rodas motrizes; ela também pode ser aplicada, de forma não limitativa, ao eixo de um motor elétrico de um veículo elétrico, nos motores elétricos de ferramentas e eletrodomésticos, em turbinas eólicas, em bicicletas elétricas e convencionais, bem como em motocicletas.

Embora tenham sido apresentadas formas específicas de realização da invenção, todos aqueles que forem razoavelmente versados no estado da técnica compreenderão a possibilidade de alterações em tais formas de realização, sem fugir ao espírito e ao escopo da invenção, que é a retroalimentação.

Portanto, as formas de realização acima descritas devem ser dotadas de um caráter ilustrativo, e não restritivo. A invenção não deve ser interpretada como sendo restrita às suas formas peculiares de realização acima descritas. Assim, variações complementares às formas de realização descritas acima deverão ser levadas em consideração por todos aqueles versados no estado da técnica.

Os exemplos que serão fornecidos apresentam caráter meramente ilustrativo da concretização da invenção, e são baseados em testes realizados. Estes exemplos, portanto, também não devem ser empregados na delimitação dos direitos dos inventores.

Exemplo 1 Teste de Desempenho de Aceleração Foi realizada uma simulação de um teste de desempenho de aceleração de 0 a 100 km/h. O gráfico da figura 8 apresenta o resultado desta simulação, onde: cinza = transmissão padrão do automóvel, preto = transmissão automática objeto desta invenção.

Eixo das abcissas: A = Fiat Palio, B = Audi A1, C = Honda Civic, D = Hyundai Vera Cruz.

Eixo das ordenadas: Tempo em segundos. A tabela 1 abaixo apresenta os dados retirados da análise do gráfico da figura 8, onde pode ser visto que todos os veículos testados apresentaram ganho de desempenho durante a utilização da transmissão automática inercial continuamente variável (1) desta invenção em comparação com a utilização da transmissão original do veículo.

Tabela 1 Desempenho de aceleração (0 a 100 km/h) % segundos.

Exemplo 2 Teste de Desempenho - Rotações Por Minuto (RPM) A rotação máxima durante estes primeiros testes foi mantida em 5000 RPM, inferior à rotação de potência máxima dos motores da maioria dos automóveis simulados. A tabela 2 abaixo apresenta os resultados deste teste.

Claims (20)

1. Transmissão automática inercial continuamente variável caracterizada oor compreender: - elementos de escalonamento (2), que servem para transferir o torque proveniente do motor ao eixo de saída (4); - um eixo de entrada (3), que serve para levar o torque produzido pelo motor aos elementos de escalonamento (2); - um eixo de saída (4), que serve para levar a força produzida pelos elementos de escalonamento (2) às rodas do veículo automotor; e - uma trava (12).

2. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelos elementos de escalonamento serem um conjunto de engrenagens compreendidos de: (i) um sistema de redução (5); (ii) um elemento satélite (6); (iii) uma turbina (7); (iv) uma estrutura aletada (8); (v) um primeiro anel de junção (9).

3. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo sistema de redução promover a redução da rotação em uma escala compreendida entre 1:5 a 1:25 e transferir a força resultante desta redução ao eixo de saída, e apresentar uma estrutura rígida; que interconecta engrenagens do tipo planetária que possuem movimento orbital.

4. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelas engrenagens serem posicionadas em ângulos de 120° uma da outra.

5. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo sistema de redução apresentar um orifício de entrada que possibilita o encaixe do eixo de entrada e um pinhão de saída que conecta o sistema de redução ao eixo de saída ou a outro conjunto de engrenagens planetárias.

6. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo elemento satélite ser fixado ao interior da estrutura aletada e ao seu redor ser posicionada a turbina, girando o elemento satélite e promovendo o aumento da velocidade do movimento giratório do sistema de redução posicionado em seu interior.

7. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pela turbina ser conectada ao eixo de saída por intermédio de um primeiro anel de junção, e apresentar em sua face externa estruturas pertencentes ao grupo compreendido de aletas, ímãs ou ranhuras.

8. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pela estrutura aletada ser conectada a estrutura satélite e a uma carcaça.

9. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo primeiro anel de junção ligar a turbina ao eixo de saída possibilitando o movimento da turbina (7).

10. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pela estrutura presente na face externa da turbina gerar uma força extra, que pode ser hidráulica, magnética ou de tração, a qual será transferida à estrutura aletada.

11. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelos elementos de escalonamento estarem imersos em um fluído lubrificante.

12. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pela força gerada pelas estruturas presentes na face externa da turbina promoverem o giro da estrutura aletada, que promove o giro do elemento satélite.

13. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo giro do elemento satélite ser transferido ao sistema de redução que passa a girar mais rapidamente e transfere este aumento do número de giros para o eixo de saída e consequentemente, para a turbina.

14. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pela retroalimentação alterar a redução da rotação efetuada pelo sistema de redução para uma escala compreendida entre 1:25 a 1:1 conforme a variação do momento de inércia do veículo.

15. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela trava, que compreende os seguintes elementos: (i) Uma engrenagem (13); (ii) Um tambor (14); (iii) Pinos e molas (15); (iv) Anéis de junção (16a e 16b).

16. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pela engrenagem ser introduzida no interior do tambor, e possuir a função de controlar o sentido da rotação do tambor.

17. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo tambor ser responsável pela frenagem dos elementos de escalonamento, e ser fixado à estrutura aletada.

18. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pela engrenagem permitir que o sentido da rotação do tambor seja o mesmo sentido da rotação do eixo de entrada e, promover o escalonamento contínuo de marchas no veículo.

19. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pela engrenagem possibilitar que o tambor gire no sentido contrário ao eixo de entrada e, permanecer engatada sem, no entanto, transmitir o movimento giratório ao eixo de saída, funcionando como uma embreagem embutida.

20. Transmissão automática de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelos pinos e molas frearem o tambor da trava.