ES2643067T3 - Motor de tracción toroidal total - Google Patents

Description

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Motor de traccion toroidal total Campo tecnico

La presente invencion se refiere a las transmisiones variables continuas, en particular, al tipo de motor de traccion con rodamiento toroidal total.

Antecedentes de la invencion

Existen varios tipos de transmision variable continua (CVT, por sus siglas en ingles) que se estan diseriando y fabricando con exito como transmision para vehiculos y otras maquinas, que requieren cambios en la relacion de marchas.

El mercado de estos motores dentro de la industria automovilistica, esta al menos y en general dividido entre los motores de correa y los motores de traccion. La presente invencion se refiere a los motores de traccion.

El mercado de los motores de traccion esta dominado por dos tipos de mecanismos similares. Uno suele denominarse motor toroidal intermedio, y el otro, motor toroidal total.

Ambos suponen el uso de discos dobles que estan mecanizados con la forma negativa de un toroide en caras opuestas. Entre los discos hay rodillos que ruedan contra la superficie de ambas cavidades toroidales, y que pueden transferir la fuerza y la potencia de un disco al otro. Los dos de estos motores utilizan un fluido especial denominado fluido de traccion para permitir la transmision de la fuerza desde los rodillos hasta los discos sin necesitar el contacto metal con metal.

Estos rodillos pueden rotar de modo que hagan contacto con los discos en distintos lugares, y haciendo esto, puede cambiar la relacion de marchas de una forma continua conforme se mueven.

En un motor "toroidal total", el centra de rotacion de los rodillos esta localizado en el centra de la cavidad toroidal. En un motor "toroidal intermedio", los rodillos estan situados fuera del centra del toroide hacia el centra de rotacion del toroide.

Ambos tipos tienen ventajas y desventajas entre si y ha de hacerse un balance en ambos casos utilizando la geometria, para asi aprovechar las ventajas y disminuir los efectos de las desventajas.

Un ejemplo de un variador toroidal total tipico se divulga en la patente estadounidense n.° 5989150. Se crean dos cavidades toroidales entre cuatro discos, que estbn sujetos en los rodillos, que trabajan sobre cojinetes de bola y que estan colocados generalmente en el centra de la cavidad toroidal formada entre los discos. El sistema de sujecion utiliza una disposicidn de leva de rodillo situada en la parte inferior del diagrama, y una arandela de resorte que proporciona una sujecion minima cuando no se esta transfiriendo ningun par de fuerza, o cuando se esta cambiando de un modo de aceleracidn a un modo de desaceleracion. La patente estadounidense n.° 5111710 divulga una cavidad toroidal tipica que contiene tres rodillos.

Un ejemplo de un variador toroidal intermedio tipico se divulga en la patente estadounidense n.° 4934206. El variador toroidal intermedio divulgado presenta la misma disposicion de cavidad doble que el documento US5989150 y una disposicidn de sujecion similar. El documento de patente estadounidense n.° 5048359 divulga una cavidad toroidal intermedia tipica que tiene tres rodillos montados descentrados de la cavidad toroidal.

Puede observarse que en ambos casos se utiliza una cavidad toroidal doble con cada cavidad, que normalmente contiene tres rodillos. Esta configuracion se adopta para que no exista la necesidad de soportar la fuerza de sujecion sobre un cojinete rotatorio. La fuerza de sujecion la proporcionan los dos discos toroidales externos, que normalmente realizan la funcion de la entrada. Esto requiere que la salida se lleve a cabo a traves de un eje conductor secundario desplazado de y que trabaja paralelo a los ejes rotacionales del disco principal.

Ya que la entrada y salida en un disefio de rodillo individual tipico rotan en direcciones opuestas, las velocidades diferenciales de la entrada y salida son muy grandes. La fuerza de sujecion requerida para mantener las fuerzas de traccidn tambien es muy alta. Sin el uso de la doble cavidad, la mayoria de los diseriadores consideran que la perdida de energla asociada al soporte de las cargas rotacionales utilizando los cojinetes es demasiado alta.

El numero viable maximo de rodillos en los motores toroidales intermedios y totales es de tres, despues de este numero, se vuelve imposible mantener un cambio de relacion suficiente. Los cambios de relacion y la apertura de relacion tipicos para ambos tipos es de 6:1, aunque 7:1 es posible con el toroide total.

Se han realizado considerables avances en la formulacion de los fiuidos de traccion, asociados a la introduccidn de

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motores de traccion al mercado general. Estos presentan una propiedad unica que hace que su viscosidad aumente en miles de millones de veces cuando se someten a presiones de, normalmente, por encima de los 1 GPa, y momentaneamente casi se solidifica cuando se encuentran bajo una alta presion. En un motor de traccion, este efecto de solidification se produce cuando una superficie rueda sobre la otra, y permite que se transfieran las fuerzas desde una parte mecanica a la otra a traves del fluido, pero no a travbs del contacto directo de las partes entre si, protegiendo a las partes metblicas del dario. El numero de patente estadounidense 4,392.973 describe una formulation para preparar un fluido de traccion utilizando ester borato, formuiado de una manera en particular. La patente reivindica el uso del fluido de traccion particular en los dispositivos de traccion para transferir la potencia.

En general, el toroide total es mas simple que el toroide intermedio, y no presenta cojinetes de empuje muy cargados, ya que la mayoria de las fuerzas estan equilibradas en el interior de los propios toroides. Tambien es mas simple de controlar, y puede emplear lo que se denomina el control del par de fuerza, que es una forma de control muy estable y fiable. El control del par de fuerza se basa en el equilibrio de las fuerzas de reaction ejercidas por los rodillos sobre un piston al que se le suministra aceite a una presion controlada. El piston esta dispuesto para moverse en una direction ligeramente desplazada del piano de los discos, denominado angulo "de arrastre", y conforme mueve el rodillo que esta conectado a! piston mediante una junta esferica, se ve obligado a orientarse hacia una nueva relation de una manera controlada. Los ejemplos de tal control se divulgan en las patentes estadounidenses n.° 5989150, 7160226 y 4186616.

Sin embargo, el variador toroidal total se ve afectado por un problems mecanico denominado "rotation". Por otro lado, el toroide intermedio ha de lidiar con los cojinetes de empuje muy cargados, pero no sufre tanto de la "rotacion", de forma que los puntos de contacto pueden ser mayores, y en cierta position particular, puede disenarse para no sufrir de rotacion en ningun momento, en donde las velocidades superficiales de los rodillos y de los discos toroidales casi coinciden perfectamente en los puntos de contacto.

Se han llevado a cabo esfuerzos considerables con el paso de los afios para combinar los metodos de control utilizados en e! toroide total, con las caracteristicas de rotacion baja del toroide intermedio. El numero de patente estadounidense 5.895.337 describe uno de esos metodos.

"Rotacion" es un termino que suele utilizarse cuando se describen los motores de traccion, y se refiere al efecto de rotacion que ocurre cuando dos superficies ruedan la una sobre la otra, de tal manera que las velocidades superficiales no coinciden exactamente entre si. Se puede comparar con el efecto de "frotacion” de un rodillo cilindrico que dobla continuamente una esquina.

Para apreciar este problema, vease la figura 1, que representa en forma de diagrama como se producen estas velocidades diferenciales. Las partes integrantes principals del variador consisten en discos de entrada 100 y 101 accionados por el arbol de entrada 108. Discos de salida 102 y 103. Rodillos 106 soportados en ejes 104 que trabajan sobre cojinetes 105. Una placa de sujecion 109 fijada de manera rigida al arbol 108 y que se apoya sobre el disco superior 100 con cilindros hidraulicos 107 para proporcionar una fuerza de sujecion. El disco 100 puede moverse axialmente hacia arriba y abajo sobre el arbol 108, pero no puede rotar.

Cuando el variador rota, puede verse que la superficie del rodillo, que tiene esencialmente forma cilindrica, adoptara una velocidad uniforme por toda su anchura de R1 x su velocidad angular. Sin embargo, la velocidad correspondiente de los rodillos de salida variara entre R4 x la velocidad angular de entrada y R5 x la velocidad angular de entrada. Se hace que el rodillo adquiera una buena velocidad en algun punto entre las dos velocidades de los discos. Solo una banda de contacto muy estrecha presenta la misma velocidad. Existe una situation similar en cuanto al parche de contacto de salida debido a una diferencia similar de las velocidades asociadas a los distintos radios R2 y R3. En cualquier caso, la variation de la velocidad de las superficies de contacto puede mantenerse sin dariar las partes metalicas gracias a la capacidad singular del fluido de traccibn de cizallar sin dariar, hasta una velocidad limite (y presibn), donde se desarrolla tanto calor que el fluido de traccion comienza a descomponerse, o las superficies metalicas endurecidas comienzan a recocerse y ablandarse.

Cuando dos superficies ruedan la una sobre la otra, de modo que no existe diferencia en las velocidades superficiales, el fluido de traccion trabaja bien y puede mantener coeficientes de traccion aparentes muy altos de hasta 0,1. Cuando se produce una rotacion relativamente alta, puede mantenerse el coeficiente de traccion, pero se produce un alto grado de deslizamiento (perdida de eficiencia), creando un descenso "aparente” del coeficiente de traccion. Cuando la rotacion sobrepasa ciertos limites, las altas temperaturas creadas bajo el parche dariaran el fluido de traccion. Estas altas temperaturas tambien pueden afectar a la dureza del acero, limitando los tipos de acero y los tipos de procesos de tratamiento termico utilizados para endurecer los componentes.

Muchos inventores han aplicado su talento para reducir los problemas asociados con el sobrecalentamiento de los parches de contacto, incluyendo la patente estadounidense n.° 7.211.024, que describe un mbtodo de pulverizacion del rodillo con un fluido de traccion enfriado previamente, adoptando cerramientos mecanicos para garantizar que el rodillo se lava en aceite y utiliza la radiacion para irradiar calor lejos del rodillo. La publicacion de soiicitud de patente estadounidense n.° 2007/0.204.940 describe un metodo para mejorar las propiedades, los metodos de endurecimiento y el tratamiento de la superficie, y asi permitir que los rodillos soporten temperaturas mbs altas.

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Tambien ha habido intentos de reducir ei tamano total del dispositivo simplificando el metodo del control del rodillo, tal como se describe en la publicacion de solicitud de patente estadounidense n.° 2008/0.254.933.

La transferencia de carga mecanica de un motor de traccibn es completamente diferente a la transferencia de carga mecanica sobre los engranajes de friccibn, tales como ruedas de ferrocarril, donde practicamente no se permite el deslizamiento, pues dariaria las ruedas y los rieles. Sin embargo, antes de la aparicion de los motores de traccion, que se hizo posible debido al desarrollo de los fluidos de traccion, existieron muchos motores de friccion, incluyendo los motores de friccion toroidal total o intermedia, que utilizaban la friccion de trabajo seca para transferir la potencia. Debido a los problemas de rotacion descritos anteriormente y asociados con los motores de friccion toroidal total, aunque podian soportar una gran potencia y eran relativamente eficientes, estaban sometidos a la fatiga, y las partes moviles necesitaban sustituirse a menudo. El documento de patente estadounidense n.° 2.595.367 (Picanol) propuso un metodo para resolver, al menos parcialmente. este problema de la fatiga, al sustituir un rodillo individual con rodillos dobles, y divulga un motor de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.

No parece que se haya implementado el sistema Picanol formalmente en ninguna transmision comercialmente disponible. Se entiende que el sistema Picanol sufria de dificultades mecanicas asociadas con el montaje de los rodillos.

La patente francesa n.° 796188 describe un metodo para aplicar un concepto de doble rodillo a un tipo de motor de traccion toroidal intermedio.

El sistema Picanol se diseno para resolver el problema de la fatiga que afectaba gravemente a los primeros motores de friccion. Su diseno parece haberse basado en el hecho de que el coeficiente de friccion del acero seco sobre el acero, o sobre el acero en un aceite de viscosidad baja, es mayor que 0,3. A pesar de que no existen calculos asociados a la divulgacion, el experto en la materia de los motores de traccion puede entender que la disposition de sujecion es muy ligera, y que no seria capaz de llevar a cabo la sujecion lo suficiente para permitir una transferencia de potencia efectiva cuando se utilice el aceite de traccion con un coeficiente de traccion (coeficiente de friccion) de aproximadamente 0,05.

El sistema Picanol se diferencia de la invention francesa precedente en que los rodillos utilizaban dos superficies de contacto separadas. Una para hacer contacto con el disco toroidal, y otra para hacer contacto con el otro rodillo. La patente francesa utilizaba la configuracion toroidal intermedia descrita anteriormente, mientras que la patente de Picanol utilizaba la configuracion toroidal total.

El sistema Picanol dispuso dos rodillos en el interior de la cavidad toroidal, sustituyendo al rodillo individual. Inclinando sus ejes rotacionales, fue posible hacer coincidir minuciosamente las velocidades superficiales de los rodillos y los discos, y por lo tanto, de evitar el problema de la rotacion.

La presente invencion se preocupa especificamente por el concepto de motor de traccion toroidal total. En este sentido, se refiere especificamente a la sustitucion del rodillo individual con un rodillo doble.

El sistema Picanol se diserib para resolver un problema distinto del problema al que se refiere la presente invencion. Se propuso reducir las velocidades diferenciales de los parches de contacto, de modo que el motor o los engranajes de friccibn, como se les denominaba en 1947, estuvieran sometidos a menos desgaste. Debido a que el coeficiente de friccibn seca, asociado a los motores de friccibn, es mucho mayor que la friccibn "humeda", asociada a los motores de traccion, las fuerzas de sujecion aplicadas en el sistema Picanol eran pequerias, y los sistemas de soporte asociados eran ligeros.

Un variador toroidal total tipico puede absorber 10-20 Nm de par de fuerza por litro de volumen mecanico. Parece que el sistema Picanol estb diseriado para absorber un nivel similar cuando trabaja como un motor de friccibn, pero si trabajase en un fluido de traccibn, solo podrla absorber el 25 % del mismo.

El doble rodillo, tal y como se describio en el documento de Picanol, describia una forma en la que podia mejorarse la durabilidad de un engranaje de friccibn variable toroidal total, sin embargo, no describia una forma en la que pudiera mejorarse la densidad de potencia del motor de traccibn mas modemo, funcionando en un fluido de traccibn. Si tal motor se convirtiera en un motor de traccion, se hallarian problemas con la mayor parte de su disposicion mecanica si se llevara a cabo el intento de aumentar la densidad de potencia mas alia del nivel actual.

Picanol exigia que los rodillos se soportaran en un soporte de eje doble rigido y con forma de "V". Este soporte confirmo que los ejes rotacionales de los rodillos se ajustaron en los angulos que garantizaban que las velocidades superficiales entre los discos y los rodillos en los puntos de contacto permanecieran tan igual como fuera posible.

Para aumentar las densidades de potencia de un motor de traccion, donde e! coeficiente de friccibn, o mas apropiadamente, el coeficiente de traccibn es normalmente de solo el 20 % del coeficiente de friccibn seca, es necesario aumentar la fuerza de sujecion varias veces. Sin tales aumentos, el diseno de doble rodillo permaneceria con una densidad de potencia menor que el diseno mucho mas simple del rodillo individual.

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Cuando las presiones de sujecion aumentan, el mecanismo de soporte de rodillo que (leva dos ejes conectados, descrito en Picanol, se vuelve inviable.

Cuando las secciones conicas de los rodillos estan sometidas a presion sobre sus superficies de coincidencia, se producen desviaciones muy pequenas. El tamafio de estas desviaciones varia dependiendo de que cantidad de la carga portan, y del radio variable de los propios conos y de la estructura de los propios rodillos. Cuando se sujetan fuertemente, los rodillos intentaran adoptar posiciones donde el angulo incluido de sus ejes rotacionales no es exactamente igual al angulo incluido descargado entre los conos. En un mecanismo de trabajo, esto cargara los cojinetes de soporte que intentaran resistir la posicion desviada. Cuando las fuerzas de sujecion son altas y la anchura de los contactos conicos es grande en proporcion, en el mejor de los casos, se perdera eficacia, y en el peor de los casos, se hundiran los cojinetes con rapidez.

De forma similar, la desviacion sobre las superficies conicas de los rodillos reducira la distancia entre los ejes de los rodillos. A no ser que los ejes conectados con forma de "V" puedan desplazarse lateralmente en el piano que los contiene, esto cargara los cojinetes e inhibira la fuerza Nevada por las superficies conicas, necesaria para transferir la carga, o danara los cojinetes, o doblara los ejes.

Puede ser posible disefiar una forma, en tomo a esto, estudiando cuidadosamente el angulo verdadero de los conos sujetos y ajustando en consecuencia el angulo incluido por los ejes de soporte. Sin embargo, en los motores de traccion modernos, la fuerza de sujecion suele ajustarse hacia arriba y hacia abajo, dependiendo de cuanta potencia o par de fuerza esta pasando a traves de la mbquina. Cualquier angulo fijo solo trabajara inmediatamente en un estado de sujecion En otras posiciones existira el mismo problema.

Un objeto de la presente invencibn es adoptar el disefio de dobie rodillo de Picanol para su uso en un motor de traccion que presenta mejoras que eliminan los problemas de soporte del rodillo presentes en Picanol. Ademas, tal disefio de dobie rodillo puede presentar densidades de potencia mucho mayores que un motor toroidal total de rodillo individual, y puede controlarse de una forma similar a la filosofta de control moderna, y con unas expectativas de durabilidad consistentes con los motores de traccibn modernos.

El documento GB 649.711 A divulga un engranaje de friccion de velocidad variable con disco torico que tiene un disco de accionamiento y un disco accionado, dispuestos coaxialmente y formados cada uno con una superficie torica, y al menos un par de rodillos interpuestos entre los dos discos para transmitir el accionamiento, en el que los ejes de los dos rodillos del par, o cada par, se entrecruzan con cada uno, y cada rodillo del par tiene una superficie de rodamiento que hace contacto con una superficie de rodamiento similar en el rodillo asociado, y una segunda superficie de rodamiento que hace contacto con la superficie torica del disco asociado.

Sumario de la invencion

De acuerdo con la presente invendbn, se proporciona un motor de traccibn toroidal de velocidad variable que comprende un disco de accionamiento y un disco accionado, teniendo dichos discos un eje en comun; una pluralidad de pares de rodillos de contacto interpuestos entre dichos discos; se hace que se junten los discos contra los pares de rodillos mediante una fuerza de sujecion; teniendo cada uno de los rodillos una primera superficie de rodamiento por la que rueda sobre el otro rodillo del par, y una segunda superficie de rodamiento por la que rueda sobre la superficie toroidal de un disco correspondiente; cada rodillo esta montado sobre un eje de soporte sobre el que puede rotar; los ejes rotacionales de los rodillos en un par estbn soportados en un piano que contiene los dos puntos donde los rodillos del par hacen contacto con los discos; al menos uno de los rodillos de cada par esta adaptado para moverse y adoptar una posicion estable en dicho piano por la fuerza de reaction ejercida sobre el mismo por el otro rodillo del par.

Preferentemente, la primera superficie de rodamiento es sustancialmente cbnica. El angulo de las superficies conicas de los rodillos de un par puede ser de tal manera, que los ejes rotacionales de los rodillos adoptan una posicion en la que las velocidades superficiales de los puntos de contacto de los rodillos y los discos coinciden sustancialmente entre si, durante al menos una posicion rotacional del par de rodillos.

En realizaciones preferidas, cada par de rodillos estb montado en un soporte de munon respectivo que tiene un par de ejes de soporte. El soporte de munon puede ser rotatorio, cuyo centro de rotation se encuentra en un piano que es paralelo al piano rotacional de los discos y es tangente al centro de la cavidad toroidal definida por las superficies toroidales de los discos. Los discos pueden moverse en una direction paralela al eje en comun hacia o lejos del centro de rotacion de los soportes de munon bajo la influencia de la fuerza de sujecion. Al menos uno de los ejes de soporte del soporte de munon puede montarse en el soporte de mufion en un soporte deslizante que permite que el eje se mueva en un piano que contiene dos puntos donde los pares de rodillos hacen contacto con los discos.

En realizaciones a modo de ejemplo, el motor de velocidad variable se lubrica con un fluido de traccion que aumenta su viscosidad cuando se encuentra bajo presion, y la superficie de los rodillos y los discos estan dispuestas de tal modo que no se produce el contacto metal con metal entre los rodillos y los discos, cuando funcionan a velocidades mayores de 500 rpm.

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En realizaciones preferidas, el motor de velocidad variable se lubrica con un fluido de traccion que presents un coeficiente de traccibn mayor que 0,05, cuando se somete a una tension de mas de 1 GPa.

Preferentemente, la segunda superficie de rodamiento es una superficie toroidal.

Breve descripcion de los dibujos

A continuation, se describira una realizacion preferida de la invencidn en relacidn con los dibujos que acompafian, en los que:

la figura 1 muestra una ilustracion esquematica de un disefio de rodillo individual de la tecnica anterior de un motor de traccion toroidal total;

la figura 2 es una ilustracion esquematica de un disefio de rodillo doble de acuerdo con una realizacidn preferida de la invention;

la figura 3 ilustra las breas de contacto entre el rodillo y el disco del disefio de la figura 2;

la figura 4 muestra un numero de vistas de un motor de traccion toroidal total de acuerdo con una realizacion

preferida de la invencidn.

Descripcion detallada de la invencidn

Un primer objetivo de la invencidn es reducir las velocidades diferenciales que existen entre los rodillos y los discos a casi cero, en al menos una posicion de la relacion.

Para conseguir este primer objetivo, se selecciona un variador toroidal total que incluye los discos de entrada y salida, los cojinetes del arbol y e! dispositivo de sujecion. La figura 2 muestra en forma de diagrama tal disposicion. Dos rodillos 112 y 113 sustituyen a los rodillos individuales convencionales. Estos rodillos estan hechos con una superficie 114 de rodamiento generalmente conica, sobre la que ruedan el uno sobre el otro, y una superficie 115 generalmente toroidal, sobre la que ruedan en los discos.

La superficie conica tambien podria formarse con un radio de corona muy grande o con bordes curvados, de modo que se reduzcan las concentraciones de tensidn en los bordes de las superficies conicas. Esta modification suele asociarse con el diseno de los motores de traccidn de relacion fija que tmplican cilindros o conos. A pesar de que no son exactamente conicas, las superficies contralaran el angulo real adoptado por los rodillos con respecto el uno al otro, permitiendo ciertas pequefias variaciones asociadas con la desalineacion de las trayectorias de carga reales.

El angulo del montaje del cono y el rodillo asociado se dispone de forma que, cuando se sujetan con los discos, los ejes rotacionales de los rodillos 111 yacen en un piano que pasa a traves del eje en comun, y se desplazan el uno del otro por la influencia, unicamente, de las superficies cbnicas y de las reacciones de sujecion, pero discurren a traves del eje de rotation comun de los discos 116. El grado de desplazamiento es tal, que en al menos una posicion, un rodillo experimenta (no necesariamente de forma simultanea) un estado donde las velocidades diferenciales a traves de las superficies de contacto son menores que 0,5 % y donde la tangente del disco y de la superficie 110 del rodillo en el centra del punto de contacto, el eje rotational 111 del rodillo, y el eje rotational 116 del disco pasan, por lo general, a traves del mismo punto 117.

Cuando los discos estan sujetos entre si pos los pistones hidraulicos 107, se desarrolla un parche de contacto, de acuerdo con las leyes que rigen los contactos Hertzianos. Entre una superficie metalica deformada y la otra, se forma una capa de fluido de traccidn que presenta propiedades similares a un solido, con una resistencia de cizalla relativamente alta similar a la de los solidos. La pelicula de fluido presenta un grasor medible menor que 0,1 mm. El resultado es que una superficie hace que la otra superficie se mueva mediante esta pelicula de fluido solidificada. El indice de movimiento relativo esta relacionado con las propiedades del fluido, y con la fuerza que se transfiere y la fuerza que soporta el parche. No esta directamente relacionado con el tamafio del parche. El tamano del parche determina la fuerza permitida en los limites de tension de los materiales del rodillo y el disco. Por lo general, estos fluidos pueden permitir una transferencia de al menos el 90 %, pero preferentemente de mas del 97 % de las velocidades, cuando la fuerza que se esta transfiriendo es menor que el 10 % de la fuerza que esta siendo soportada por el parche, pero preferentemente entre el 5 % y el 10 % de la fuerza que se esta transfiriendo.

La anchura de este punto de contacto, que se encuentra a traves de la superficie de rodamiento, y la longitud, que se encuentra en la direction de rodamiento (menor que la anchura), se rigen por:

1) el modulo de Young del material,

2) el coeficiente de Poisson del material,

3) el radio toroidal del rodillo (R11 en la figura 2),

4) el radio toroidal del disco (R10 en la figura 2),

5) el radio del rodillo en el punto de contacto,

6) el radio del disco en el punto de contacto,

7) las leyes de la fisica que controlan la distribution de la tension en un contacto (herciano) de este tipo,

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8) la fuerza de sujecion,

9) el nurnero de pares de rodillos en una cavidad,

10) el angulo de rotation (indice) de los pares de rodillos.

La adoption de estos numeros y formulas especificos y reales definira las dimensiones del parche de contacto.

La dimension de la "anchura" definira los radios R6, R7, R8 y R9 de la figura 2, y a su vez, determinarb el grado de rotation. Para determinar el radio del rodillo y el radio del disco en el punto de contacto, es necesario mirar mucho mas que el radio real.

La figura 3 representa en forma de diagrama c6mo desarrollar una aproximacibn de estos radios R13 y R12, representando los circulos reales R14 y R15 de los circulos de contacto, como una elipse vista en el angulo 122 de inclination del piano 124, que se encuentra en la linea de los dos contactos tangenciales con respecto al circulo de contacto R14, que corta la superficie toroidal a lo largo de la linea 120, y e! angulo de inclination de los rodillos 121.

El punto mas cargado y el punto en el que se experimenta el par de fuerza de entrada maximo se encuentran en una position de la relation extremadamente baja. En esta position, el radio de! disco es el mas pequefio, el efecto de las velocidades diferenciaies es el peor, y el brazo de palanca necesario para soportar una entrada del par de fuerza es el m^s pequefio, para ambos mecanismos.

La reduction de tamario de los rodillos permite instalar mas pares de rodillos en la misma cavidad toroidal. Es posible instalar de dos a, como mucho, ocho, aunque preferentemente de tres a seis, que es lo que se adopta en la mayoria de los disehos practicos.

Para mover los rodillos dobles hacia diferentes posiciones y cambiar la relation, se aplica una fuerza rotational al soporte de munon de montaje de los rodillos, que sea suficiente para producir que los puntos de contacto se deslicen progresivamente hacia los lados dentro de la cavidad toroidal. Esto es, en tierta medida, lo opuesto a la notion actual de que los rodillos en los variadores toroidales totales han de dirigirse hacia nuevas relaciones, desplazando sus ejes rotacionales por fuera del eje en comun de los discos. Esto fue el caso, sin duda, del diseho de Picanol, ya que el dispositivo utilizaba la friction seca para transferir potencia. El uso del fluido de traction y su capacidad unica para permitir un grado de deslizamiento, incluso bajo una fuerza pequeha sin dano, permite utilizar una disposition directamente rotada.

Para crear un indice de deslizamiento o arrastre mayor, es posible reducir la fuerza de sujecion durante un cambio de relatibn, de modo que el indice de deslizamiento aumenta sin permitir que los rodillos caigan en un estado de deslizamiento excesivo que pudiera producir dahos. Este ajuste de la fuerza de sujecion podria conseguirse utilizando la electronica o la retroalimentacion obtenida de la comparacion del indice del cambio de relation con respecto a la fuerza que se esta aplicando.

Tambien es posible montar los rodillos de tal manera que, cuando el soporte de rnuribn rota, los rodillos se desplazan y sus ejes rotacionales no pasan mas a traves del eje en comun, y se orientan hacia una nueva position de relation que reduce el par de rotation requerido sobre el soporte de munon.

Cuando la potencia esta pasando a traves de un sistema de rodillos dobles, se aplica una fuerza de reaccibn del par de fuerza a cada rodillo en distinta direction. Las fuerzas de reaction del par de fuerza se crean a medida que la fuerza se transfiere del disco al rodillo y del rodillo al disco, y tambien al hacer contacto rodillo con rodillo. Estas fuerzas son normalmente del 10 % a 16 % de la fuerza de sujecion, y han de ser resistidas por los cojinetes y los ejes que pasan a traves de los rodillos. Las fuerzas de reaction del par de fuerza actuan en una direction que se encuentra, por lo general, en un piano que es paralelo al piano rotational de los discos, y en angulos rectos con respecto a la linea que conecta los dos puntos de contacto de los rodillos con los discos.

Estas fuerzas de reaction han de ser soportadas completamente en la direction en la que actuan, y de una forma que se permita la libertad de movimiento de los rodillos en otras direcciones. Si los rodillos y/o los discos no pueden moverse ligeramente en la direction de las fuerzas de sujecion, entonces los ejes de soporte y los cojinetes "se cargaran" con una parte de o con toda la fuerza de sujecion, a medida que se produce la desviacion del sistema.

Las fuerzas de reaction del par de fuerza, que actuan sobre los rodillos, actuan en direcciones opuestas para cada rodillo. Esto significa que no hay fuerzas desequilibradas en una direction tangential al centra de los discos toroidales. Sin embargo, si los rodillos estbn soportados en esta direction por un soporte de mufion, hay un momento rotational sustancial transferido a tal soporte.

Un segundo objetivo de la presente invention es desarrollar una forma de soportar los rodillos en el interior de la cavidad toroidal, de forma que las fuerzas de reaction del par de fuerza sean soportadas de manera adecuada, a la vez que se permite que las fuerzas de sujecion sean soportadas solo sobre los rodillos y los discos, de una manera en la que el eje de rotation de los rodillos quede alineado, para reducir o eliminar las velocidades diferenciaies de los contactos de los rodillos con los discos, durante al menos una position de relation.

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Este segundo objetivo se consigue de la siguiente forma:

1) proporcionando ejes de soporte de rodillo y cojinetes asociados que esten rigidamente soportados en un piano que incluya la linea que conecta los puntos donde los rodillos hacen contacto con los discos,

2) proporcionando un soporte de munon que recoja y resista las fuerzas rotacionales de estos ejes, de manera que esta linea permanezca sustancialmente en un piano que incluya el eje en comun,

3) permitiendo al menos que uno de los ejes de cada par se mueva libremente en el piano en el que estA soportado.

En la figura 4 se muestra una realization preferida de la invention.

Hay cuatro conjuntos de rodillos dobles A soportados en cuatro soportes de munon B y dispuestos en una carcasa 13. Los rodillos estan soportados sobre ejes 4 que tienen extremos aplanados 14, que se deslizan en ranuras 8 y 9 en los cuerpos del soporte de munon.

Los rodillos estan equipados con cojinetes de bola 5 y 6 de ranura profunda que se deslizan sobre los ejes y encajan, con una distancia muy pequena, en el espacio del interior del soporte de munon entre las ranuras. Asi, cada rodillo puede moverse hacia arriba y hatia abajo en el interior del soporte de munon y, hasta cierto punto, rotar. Esto garantiza que la position y el angulo, al menos en el piano que contiene el eje en comun, y el centra del punto de contacto del rodillo adoptado por cada rodillo. se crean solo por las superficies cbnicas sobre los rodillos, la superficie toroidal de los discos, y la fuerza de sujecibn.

Tambien puede observarse que uno de los ejes podria fijarse con solo un flotante, y podria conseguirse el mismo resultado siempre que los soportes de munon o los discos pudieran moverse libremente en la direction de los ejes rotacionales principales. El conjunto C muestra tal disposition, pudiendo moverse el eje 48 en el interior del soporte de munon en orificios ranurados, y estando fijado el eje 49 en el soporte de munon en orificios circulares. Cuando los soportes de munon rotan, el eje fijo hace que el rodillo inferior se mueva, lo que a su vez hace que el rodillo superior siga el movimiento a traves de fuerzas ejercidas sobre las superficies cbnicas.

Los soportes de munon B estan instalados en el cuerpo 13 sobre ejes cortos 10 montados sobre cojinetes de agujas 39. El extremo del eje esta equipado con una section de rueda dentada 50 que se engrana al soporte de munon adyacente en un punto 40, de modo que se obliga a que todos los soportes giratorios roten de forma sincronizada.

Uno de los soportes de munon esta equipado con una horquilla 11 que se conecta, gracias a un brazo de biela 29, a un vastago de piston 30, que se mueve hacia arriba y hacia abajo por la presion de un cilindro 12 que actua contra un piston 31 situado en el cilindro.

Los rodillos estAn sujetos entre dos discos toroidales 15 y 16. El disco 15 se acciona por el Arbol de entrada 41, soportado sobre una rosea de tomillo 26, trabado al Arbol por una tuerca de bloqueo 27. El disco 16 trabaja sobre los cojinetes 25 contra el arbol de entrada, y sale hacia un cuerpo de salida 42 con forma de campana que se encaja en e! disco de salida sobre estrias 47. El arbol de salida hueco trabaja sobre cojinetes 43 y 44 y esta provisto de sellos 33 y 32 que contienen el fluido de traction.

El Arbol de entrada 41 esta equipado con una placa de sujecion 20 que recoge fluido de alta presion a traves de una galeria 28 perforada a traves de la misma. Una galena anular esta formada en la placa de sujecibn en la que se ajusta un piston anular 19, que hace tope sobre un conjunto de cojinete 18, situado entre el mismo y el disco 16. Preferentemente, el ajuste de la presibn del fluido mantiene la presion de sujecion correcta sobre los pares de rodillos.

El arbol de entrada 41 esta montado en el extremo opuesto a la entrada, en un cojinete 36. El arbol dirige una serie de engranajes 35 conectados a bombas hidrauiicas, dos de las cuales son 34 y 38. Una de estas bombas proporciona aceite de baja presion para la lubrication a traves de las galerias de los soportes de munon 45, que dirigen el aceite hacia los rodillos. Una segunda bomba proporciona aceite para el sistema de sujecion. Una tercera bomba proporciona aceite al accionador. El aceite requerido para la sujecibn pasa hacia arriba desde un sello 37, a traves de una galeria 28 perforada en el arbol de entrada, y despues a traves de un sello 22, hasta la galeria 46 perforada en la placa de sujecibn 20.

El sistema de control esta provisto de sehales electronicas que representan una medida del par de fuerza de entrada y de la position del rodillo de entrada con respecto al eje en comun de los discos. Uttlizando estos dos numeros, la fuerza de sujecion requerida se calcula y se convierte en presion. El control de la presion electrbnica adaptado a una de las bombas proporciona la presion de sujecibn requerida. Esta presion puede modularse ademAs segun el tipo de fluido de traction, la temperatura del fluido, la rotation angular de los rodillos, y el grado de "rotation" estimado que se producirA en los parches de contacto.

Cuando el sistema de control exige un cambio de relation en la CVT, proporcionara aceite presurizado a uno u otro lado del pistbn 31, haciendo que el accionador se mueva hasta una position predisehada donde despues, pararA.

5

10

15

20

25

La veiocidad de movimiento del par de rodillos se regira por la fuerza aplicada por el piston y el coeficiente de traccidn de funcionamiento durante el cambio de relacion, Hasta cierto punto, se ve afectada por el grado de "rotation" que esta presente durante un cambio de relacion.

Durante el funcionamiento normal, el sistema de control puede utilizar un coeficiente de traccion que mantendra la relacidn de rodamiento deslizante por debajo de un limit© aceptable. Sin embargo, durante un cambio de relacion, el coeficiente de traccion que se esta utilizando para calcular la presion de sujecion requerida puede elevarse, permitiendo que la relacidn de rodamiento deslizante de aproximadamente un 1 % aumente a 3 %-4 %. Esto disminuifa significativamente la fuerza requerida y/o la veiocidad hasta el indice de cambio de relacion,

El accionador propuesto es hidraulico, aunque puede observarse facilmente que tambien seria adecuado utilizar una forma electrdnica de accionador para este tipo de control. Tambien puede observarse facilmente que pueden aplicarse otros metodos para conseguir el mismo resultado, incluyendo pero no limitandose a un sistema de control y disposicion hidraulica diferentes. Tambien es posible un control manual.

Puede observarse facilmente que esta disposicion tambien incorpora el diseho de doble cavidad adoptado normalmente para los disenos toroidales totales e intermedios, eliminando la necesidad de cojinetes de empuje.

Se hallara que el niimero de conjuntos de rodillos puede oscilar de dos a ocho, ya que la disposicion es fundamentalmente muy compacta.

Podria acordarse que la fuerza de sujecion fuera una constante aplicada por un resorte o variable, utilizando un dispositive de carga en rampa, que aumentase segun variara el par de fuerza de entrada o el par de fuerza de saiida.

Puede observarse facilmente que algun experto en la materia de los motores de traccion de relacion variable podria diseriar otras realizaciones de esta invention, incluyendo metodos de orientation de los rodillos que eviten la gran fuerza requerida para moverlos sin tal disposicion de orientation.

Claims (10)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   REIVINDICACIONES

   1. Un motor de traccibn toroidal de velocidad variable que comprende un disco de accionamiento (15) y un disco accionado (16), teniendo dichos discos un eje en comun (28); una pluralidad de pares de rodillos de contacto (A) interpuesta entre dichos discos; haciendo que se junten los discos contra los pares de rodillos mediante una fuerza de sujecion; teniendo cada uno de los rodillos una primera superficie de rodamiento (114) por la que rueda sobre el otro rodillo del par, y una segunda superficie de rodamiento (115) por la que rueda sobre una superficie toroidal de un disco correspondiente; estando montado cada rodillo sobre un eje de soporte (4) sobre el que puede rotar; caracterizado por que:

   los ejes rotacionales (111) de los rodillos de un par estan soportados en un piano que contiene los dos puntos (110) donde los rodillos del par hacen contacto con los discos;

   al menos uno de los rodillos de cada par esta adaptado para moverse y adoptar una posicion estable en dicho piano por la fuerza de reaccion ejercida sobre el mismo por el otro rodillo del par.
2. 2. El motor de traccion toroidal de velocidad variable de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicha primera superficie de rodamiento es sustancialmente conica.
3. 3. El motor de traccion toroidal de velocidad variable de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que el angulo de las superficies cbnicas de los rodillos de un par es tal que los ejes rotacionales de los rodillos adoptan una posicion en ta que las velocidades superficiales de los puntos de contacto de los rodillos y los discos coinciden sustancialmente entre si, durante al menos una posicion rotacional dei par de rodillos.
4. 4. El motor de traccion toroidal de velocidad variable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada par de rodillos esta montado en un soporte de mufion (B) respectivo que tiene un par de ejes de soporte (48, 49).
5. 5. El motor de traccion toroidal de velocidad variable de acuerdo con la reivindicacibn 4, en el que dicho soporte de munon es rotatorio, cuyo centra de rotacion se encuentra en un piano que es paralelo al piano rotacional de los discos y es tangente al centra de la cavidad toroidal definida por las superficies toroidales de los discos.
6. 6. El motor de traccibn toroidal de velocidad variable de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que los discos pueden moverse en una direccibn paralela al eje en comun hacia o lejos del centra de rotacibn de los soportes de munon bajo la infiuencia de la fuerza de sujecion,
7. 7. El motor de traccibn toroidal de velocidad variable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que al menos uno de los ejes de soporte del soporte de munon esta montado en el soporte de mufton en un soporte deslizante, que permite que el eje se mueva en el piano que contiene los dos puntos donde el par de rodillos hace contacto con los discos.
8. 8. El motor de traccibn toroidal de velocidad variable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el motor de traccibn toroidal de velocidad variable se lubrica con un fluido de traccibn que aumenta su viscosidad cuando se encuentra bajo presion, y la superficie de los rodillos y los discos estan dispuestas de tal modo que no se produce el contacto metal con metal entre los rodillos y los discos, cuando funcionan a velocidades mayores de 500 rpm.
9. 9. El motor de traccibn toroidal de velocidad variable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el motor de traccibn toroidal de velocidad variable se lubrica con un fluido de traccibn que presenta un coeficiente de traccibn mayor que 0,05, cuando se somete a una tension de mas de 1 GPa.
10. 10. El motor de traccibn toroidal de velocidad variable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la segunda superficie de rodamiento es una superficie toroidal.