ITPD20130292A1

ITPD20130292A1 - Gruppo di trazione per veicoli ibridi

Info

Publication number: ITPD20130292A1
Application number: IT000292A
Authority: IT
Inventors: Antonio Francisco Cesaroni
Original assignee: Antonio Francisco Cesaroni
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2015-04-24
Also published as: RU2016119352A3; WO2015059252A1; RU2016119352A; CA2927950C; RU2018128000A; BR112016008908A2; JP2017500518A; US10308106B2; BR112016008908B1; CN105848949A; CA3133539A1; CA2927950A1; JP6571096B2; EP3060421B1; ES2699784T3; CA3133539C; KR102258744B1; RU2018128000A3; KR20160089372A; EP3060421A1

Description

GRUPPO DI TRAZIONE PER VEICOLI IBRIDI

La presente invenzione ha per oggetto un gruppo di trazione per veicoli ibridi che include almeno una trasmissione a variazione continua di tipo toroidale di rapporto, del tipo descritto nel preambolo della rivendicazione principale e un metodo di azionamento di un gruppo di trazione per veicoli ibridi.

Nel settore automobilistico e delle macchine industriali sono noti una pluralità di sistemi di trazione ibrida, comprendenti un motore a combustione interna, un motore elettrico, una trasmissione per collegare i motori alle ruote di un veicolo e un dispositivo di controllo per la gestione dei motori e della trasmissione.

Fra i sistemi ibridi noti, alcuni applicano una trasmissione a variazione continua (CVT) di tipo toroidale. Solitamente, in tali sistemi, la CVT toroidale è del tipo con roller oscillante la cui direzione del carico sul punto di contatto oscilla in modo solidale con il roller stesso. Ciò rappresenta un enorme svantaggio in quanto il momento torcente trasmissibile di tale CVT toroidale diminuisce progressivamente in modo asintotico con l’aumentare della velocità dell’albero condotto e di conseguenza male si adatta alle sollecitazioni che arrivano dal veicolo, dal motore endotermico oppure dal motore elettrico. Per compensare tale deficienza tipica delle suddette CVT toroidali esistenti, alcuni costruttori sono stati costretti ad implementare alcuni molto costosi e poco affidabili sistemi ausiliari per la limitazione del momento torcente in ingresso alla CVT toroidale e altri sistemi per variare la forza normale fra gli elementi rotanti di tali CVT toroidali. In particolare, il sistema per la variazione del carico fra gli elementi di tali CVT toroidali prevedono l’applicazione di una pompa dell’olio, una valvola proporzionale e un complesso software di gestione. L’impiego della pompa idraulica è enormemente sfavorevole in quanto provoca un continuo consumo di energia.

Tipicamente, in tali sistemi esistenti di trazione ibrida, il motore elettrico è collegato alle ruote tramite un rapporto di trasmissione fisso, essendo quindi impossibile per il sistema di controllo gestire la velocità del motore elettrico indipendentemente dalla velocità del veicolo. Ciò rappresenta uno svantaggio per l’efficienza complessiva del veicolo dal momento che la velocità del motore elettrico dipende dalla velocità del veicolo e non può quindi essere mantenuta al valore corrispondente al rendimento massimo del motore elettrico.

Inoltre, negli stessi sistemi noti di trazione ibrida, il motore endotermico è collegato alle ruote con una serie di rapporti di trasmissione fissi, essendo di conseguenza necessario implementare un complesso sistema per la gestione del motore endotermico che sia in grado di controllare sia la velocità che il momento torcente erogato. Poiché il momento torcente erogato dal motore endotermico potrebbe danneggiare la CVT toroidale immediatamente a valle, ne consegue che entrambi i sistemi di controllo, quello del motore e quello di limitazione del momento in ingresso alla CVT, devono interagire e dialogare fra di loro. La complessità di tali sistemi ausiliari di controllo risulta inevitabilmente fonte di elevati costi e inaffidabilità.

Nei sistemi di trazione ibrida noti che non usano una CVT, un ulteriore svantaggio è determinato dal fatto che al motore a combustione interna è applicato un cambio a rapporti di trasmissione discreti, che determina una significativa dissipazione di energia durante le fasi di cambiata. Inoltre, il motore a combustione interna deve continuamente variare la sua velocità così da adattarsi alle condizioni di marcia del veicolo, operando quindi alla velocità corrispondente al minimo consumo specifico di carburante solo per limitati periodi. Ciò comporta un’ulteriore riduzione dell’efficienza complessiva del veicolo.

Inoltre, nei sistemi di trazione ibridi noti, sono previste condizioni di funzionamento, tipicamente a bassa velocità, in cui il motore a combustione interna si trova in marcia folle, ovvero sconnesso della trasmissione. In tali condizioni le ruote del veicolo ricevono potenza esclusivamente dal motore elettrico, il quale deve quindi essere opportunamente sovradimensionato, con conseguente aumento di dimensioni e costi.

Per ovviare al problema, alcuni sistemi di trazione ibridi prevedono un dispositivo per frenare l’uscita del motore a combustione interna così da evitare condizioni operative di marcia folle. Tale dispositivo presenta tuttavia lo svantaggio di dissipare energia cinetica tutte le volte che viene azionato; con conseguente riduzione dell’efficienza complessiva del veicolo. In altri sistemi di trazione ibridi in cui il motore a combustione è sempre connesso alla trasmissione, nelle suddette condizioni di funzionamento a bassa velocità fino all’arresto completo del veicolo, il ramo della trasmissione collegato al motore a combustione non include la condizione operativa in cui il rapporto di trasmissione del suddetto ramo è tale da determinare un valore nullo della velocità di detto ramo. In detti sistemi, viene applicata una frizione per scollegare il motore endotermico dal resto della trasmissione e un freno per arrestare il suddetto ramo nelle suddette manovre di arresto. Dall’impiego di una frizione e un freno ne consegue un significativo aumento dei costi, degli ingombri della trasmissione e della potenza dissipata senza compiere lavoro utile per la trazione del veicolo. In detti sistemi, se viene applicato un ulteriore dispositivo frenante collegato alle ruote del veicolo, quando il veicolo è spento, è possibile vantaggiosamente avviare il motore a combustione tramite l’azionamento e la rotazione del motore elettrico. Infatti, siccome il suddetto rapporto di trasmissione del ramo collegato al motore a combustione non assume mai il valore zero in nessuna condizione operativa e la velocità di detto ramo non è mai nulla, il moto del motore elettrico viene trasmesso direttamente al motore a combustione fino all’avviamento di quest’ultimo. Tali sistemi di trazione ibridi, tuttavia, presentano lo svantaggio che durante le fasi di decelerazione del veicolo, parte dell’energia cinetica del veicolo viene inevitabilmente trasmessa dalle ruote al motore a combustione tramite il ramo ad esso collegato perché detto ramo non assume mai un valore nullo della velocità rotazionale. Come noto, il motore a combustione non è invertibile e, di conseguenza, l’energia ad esso trasmessa durante le fasi di decelerazione del veicolo viene completamente dispersa per dissipazione e l’efficienza complessiva del veicolo risulta insoddisfacente.

Fra le CVT toroidali che presentano alcuni degli inconvenienti di cui sopra, si evidenzia in particolare, fra quelle in cui la direzione di rotazione dell’albero condotto e conduttore sono opposte, quella descritta nel brevetto EP1061286A1 della Torotrak Dev LTD avente per titolo “Drive mechanism for infinitely variable transmission”. In tale CVT toroidale, la direzione del carico fra gli elementi rotanti oscilla solidariamente con l’oscillazione del roller. Tale geometria determina un valore del momento torcente sull’albero condotto che diminuisce progressivamente e asintoticamente con l’aumentare della velocità di rotazione dello stesso albero e di conseguenza poco si adatta alle sollecitazioni derivanti dal veicolo, dal motore elettrico e dallo stesso motore endotermico.

Ulteriore esempio di motore ibrido provvisto di una CVT toroidale è anche descritto nella domanda di brevetto internazionale WO 2008/095116.

Il problema tecnico affrontato dalla presente invenzione è quello di mettere a disposizione un gruppo di trazione per veicoli ibridi includente almeno una CVT toroidale innovativo, privo di cambio a rapporti di trasmissione discreti, di frizione e di freni e strutturalmente concepito in modo da ovviare a tutti gli inconvenienti lamentati con riferimento alla tecnica nota citata, garantendo un miglioramento dell’efficienza complessiva del veicolo in tutte le condizioni di utilizzo.

Ulteriore problema affrontato dalla presente invenzione è quello di mettere a disposizione un metodo di azionamento di un gruppo di trazione per veicoli ibridi funzionalmente concepito in modo da garantire un’efficienza complessiva del veicolo ottimale in tutte le condizioni di utilizzo.

Questi e altri problemi, che meglio appariranno nel seguito, sono risolti dall’invenzione con un gruppo di trazione del tipo includente almeno una CVT toroidale realizzato in conformità con le rivendicazioni che seguono. Le caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata di alcuni esempi di realizzazione illustrato, a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento agli uniti disegni in cui:

- la figura 1 è un diagramma funzionale di un gruppo di trazione per veicoli ibridi che include almeno una CVT toroidale, secondo la presente invenzione;

- la figura 2 è una di vista schematica di una variante realizzativa di un gruppo di trazione per veicoli ibridi che include almeno una CVT toroidale, in cui alcune funzioni sono omesse rispetto alla figura 1;

- la figura 3 è una vista schematica di un gruppo di trazione per veicoli ibridi che include almeno una CVT toroidale, secondo la presente invenzione che comprende tutte le funzioni di figura 1; - la figura 4 è una vista schematica, secondo una vista frontale, della geometria della CVT toroidale secondo il presente trovato; - le figure da 5A a 5E sono viste schematiche, secondo una vista laterale, della geometria della CVT toroidale di figura 3 in vari rapporti di trasmissione; e

- le figure 6A e 6B sono due diagrammi che illustrano rispettivamente la correlazione tra coppia trasmessa e rapporto di trasmissione e tra potenza trasmessa e rapporto di trasmissione nella CVT toroidale secondo il presente trovato.

Nelle figure 1, 2 e 3, con 10 è complessivamente indicato un gruppo di trazione per veicoli. Il gruppo di trazione 10 comprende una prima sorgente di potenza 22, una seconda sorgente di potenza 18 e una trasmissione 100 collegata alla prima e alla seconda sorgente di potenza 22, 18.

La prima sorgente di potenza 22 è del tipo non invertibile, essendo ad esempio costituita, nelle varianti realizzative delle figura 2 e 3, da un motore a combustione interna collegato ad un albero 81 di trasmissione del moto previsto nella trasmissione 100.

In altre possibili varianti realizzative dell’invenzione la prima sorgente di potenza 22 è costituita da una turbina a gas, una turbina a vapore o altra sorgente di potenza non invertibile.

La seconda sorgente di potenza 18 è del tipo invertibile, essendo ad esempio costituita, nelle varianti realizzative delle figure 2 e 3, da un motore elettrico in corrente alternata, collegata alla trasmissione 100 mediante un albero di uscita del moto 14. In altre possibili varianti realizzative, la seconda sorgente di potenza 18 è costituita da un motore elettrico in corrente continua, oppure da un compressore ad aria o un assieme di motore e pompa fluidodinamici o qualsiasi altra sorgente di potenza invertibile. Opzionalmente, tra la seconda sorgente di potenza 18 e l’albero 14 è interposta una cascata di ingranaggi 26 (illustrata solo schematicamente in figura 1).

La seconda sorgente 18 è operabile sia per trasmettere potenza alla trasmissione 100, sia per ricevere potenza da essa, attraverso l’albero 14. In questa seconda modalità di funzionamento, la potenza trasmessa dalla trasmissione 100 alla seconda sorgente 18 è impiegata per ricaricare un accumulatore 54 di energia.

Nelle varianti di figure 2 e 3, l’accumulatore 54 è costituito da una batteria elettricamente collegata al motore elettrico 18 mediante un inverter 20, tra loro interposto. In pratica il motore elettrico 18 è alimentato dalla batteria 54, attraverso l’inverter 20, quando trasmette potenza alla trasmissione 100 e funziona come generatore elettrico quando riceve potenza dalla trasmissione 100, ricaricando la batteria 54.

Nelle altre possibili varianti realizzative, l’accumulatore 54 è scelto in modo da essere compatibile con la seconda sorgente di potenza 18. Ad esempio, se la seconda sorgente di potenza 18 è un compressore ad aria oppure un assieme di motore e pompa fluidodinamici sarà impiegato un accumulatore fluidodinamico.

La trasmissione 100 include un primo dispositivo differenziale 34 con un primo ramo 50, collegato alla prima sorgente di potenza 22 attraverso un variatore di velocità 56, un secondo ramo 118, collegato alla seconda sorgente di potenza 18, e un terzo ramo 130, collegato a un assale 30 di un veicolo terrestre (non rappresentato).

In altre possibili varianti realizzative, il primo ramo 50 è collegato alla seconda sorgente di potenza 18, mentre il secondo ramo 118 è collegato alla prima sorgente di potenza 22.

L’assale 30 è collegato a una o più ruote motrici 38.

Ciascuno dei rami 50, 118 e 130 del differenziale 34 è impiegabile sia come ingresso che come uscita del moto per, rispettivamente, ricevere o trasmettere potenza da o verso l’albero a cui è collegato.

La trasmissione 100 comprende un variatore di velocità 56 interposto tra il primo ramo 50 del differenziale 34 e la prima sorgente di potenza 22. Attraverso il variatore di velocità 56 è possibile variare in modo continuo il rapporto di trasmissione tra l’albero 81 e il primo ramo 50 del differenziale 34. Il variatore di velocità 56, nella sua configurazione più completa, comprende almeno due trasmissioni 44 e 48 collegate in parallelo fra di loro, una trasmissione a variazione continua toroidale (a seguire indicata per brevità come CVT toroidale) 246 collegata in serie con la trasmissione 44 e di conseguenza in parallelo con la trasmissione 48 ed un secondo differenziale 42.

Il secondo ramo 118 è direttamente collegato all’albero 14.

Il terzo ramo 130 comprende una dentatura esterna 32 che ingrana con una ruota dentata 132 solidale all’assale 30.

Nell’esempio realizzativo delle figure 2 e 3, il differenziale 34 è di tipo epicicloidale in cui il primo ramo 50 è costituito da una corona provvista di una dentatura interna 122, il secondo ramo 118 è costituito da un pignone solare e il terzo ramo 130 da un planetario portasatelliti sul quale sono girevolmente supportati una pluralità di satelliti 126 dentati. I satelliti 126 ingranano sia con la dentatura interna 122 che con il pignone 118.

Il detto differenziale 34 è formato inoltre dal primo ramo 50 di collegamento fra la corona epicicloidale 122 e il motore a combustione 22, dal secondo ramo 118 di collegamento fra il pignone solare e il motore elettrico 18 e dal terzo ramo 130 di collegamento fra il planetario portasatelliti del differenziale stesso e l’assale 30, come rappresentato nelle figure 2 e 3. In una possibile variante realizzativa del differenziale 34 (non presente nelle figure 2 e 3), il primo ramo 50 è collegato al pignone solare, il secondo ramo 118 è collegato alla corona epicicloidale 122 e il terzo ramo 130 è collegato al planetario portasatelliti del differenziale stesso.

In entrambi le possibili varianti realizzative, il terzo ramo 130 collega il planetario portasatelliti del differenziale 34 all’assale 30.

In altre possibili varianti realizzative dell’invenzione, il differenziale 34 è di altro tipo realizzativo, ad esempio con ingranaggi conici oppure ingranaggi epicicloidali a più di un stadio.

Per note proprietà dei differenziali epicicloidali, le grandezze caratteristiche del differenziale 34 sono legate dalle relazione A, B, C, D e E, di seguito riportate:

A) Z118N118+ Z122N50= (Z118+ Z122)N130,

in cui:

Z118è il numero di denti del pignone 118,

Z122è il numero di denti della dentatura interna 122,

N118è la velocità di rotazione del pignone solare 118 e dell’albero 14,

N50è la velocità di rotazione della corona 50,

N130è la velocità di rotazione del planetario portasatelliti 130.

B) T130= T118(Z118+ Z122)/Z118,

C) T50= T130– T118,

D) T50= T118(Z122/Z118),

E) P50+ P118= P130

in cui:

T130è il momento torcente del planetario portasatelliti 130,

T50è il momento torcente della corona epicicloidale 50,

T118è il momento torcente del pignone solare 118,

P50è la potenza trasmessa dal ramo 50,

P118è la potenza trasmessa dal ramo 118,

P130è la potenza trasmessa dal ramo 130.

Nelle relazioni A, B, C e D il verso della velocità di rotazione e del momento torcente di ciascun ramo sono convenzionalmente considerati positivi in senso orario, per un osservatore disposto lungo gli assi di rotazione del ramo 50 e del ramo 118 che guarda verso il differenziale 34. La velocità di rotazione e il momento torcente del ramo 130 sono convenzionalmente considerati positivi in senso orario per un osservatore disposto lungo l’asse di rotazione 130 che guarda dal differenziale 34 verso il ramo 130. La potenza è considerata positiva quando trasmessa dal ramo 50 e dal ramo 118 al differenziale 34 e da questo al ramo 130.

Il valore della potenza trasmessa da ciascun ramo risulta positivo quando la velocità di rotazione e il momento torcente hanno lo stesso senso. Ad esempio, quando N130e T130hanno entrambi senso orario oppure entrambi senso antiorario, la potenza trasmessa dal differenziale 34 al ramo 130 è positiva. Quando invece, N130ha senso opposto rispetto a T130, la potenza trasmessa dal ramo 130 al differenziale 34 è negativa, ovvero è trasmessa dall’albero 30 al differenziale 34. Si noti che il primo modo di operare si verifica tipicamente quando le sorgenti di potenza 18 e 22 complessivamente cedono potenza al veicolo per la sua accelerazione, mentre il secondo modo di operare si verifica quando il veicolo, durante una manovra di rallentamento, cede la sua energia cinetica ricaricando l’accumulatore 54.

Analoghe considerazioni possono essere applicate ai rami 50 e 118, ovvero quando la velocità di rotazione e il momento torcente hanno lo stesso segno, la potenza trasmessa dal singolo ramo entra nel differenziale 34, al contrario quando la velocità di rotazione e il momento torcente hanno senso opposti, la potenza trasmessa da ciascun ramo esce dal differenziale e va verso le sorgenti di potenza 22 e 18.

Come si può osservare in figura 2, la CVT toroidale 246 è collegata all’albero 81 il quale, rispetto alla CVT 246, agisce come albero di ingresso o uscita del moto.

Il variatore di velocità 56 comprende inoltre una trasmissione 44 collegata in serie con la CVT toroidale 246. Detta trasmissione 44 è preferibilmente del tipo con solo un rapporto di trasmissione discreto.

Il variatore di velocità 56 comprende una trasmissione 48 collegata in parallelo con il ramo costituito dal collegamento in serie fra la trasmissione 44 e il dispositivo 246. Detta trasmissione 48 è del tipo con solo un rapporto di trasmissione discreto.

Nelle forme di realizzazione di figure 2 e 3 la CVT toroidale comprende almeno un primo disco toroidale di attrito 266 meccanicamente collegato all’albero 81 ed un secondo disco toroidale di attrito 270 collegato al primo disco toroidale di attrito 266 tramite almeno due elementi di rotolamento con superficie sferica 268 del tipo a posizione oscillante. Il secondo disco toroidale di attrito 270 è collegato ad un albero 272 per la trasmissione della potenza in ingresso oppure in uscita, a seconda delle modalità operative del variatore 56. I dischi toroidali di attrito 266 e 270 sono disposti coassialmente e hanno direzione di rotazione opposta fra di loro. Il dispositivo 246 è in grado di variare il rapporto di trasmissione tra gli alberi 81 e 272 in modo continuo con le oscillazioni degli elementi di rotolamento con superficie sferica 268. Il dispositivo 246 è invertibile, ovvero in grado di trasmettere potenza sia dall’albero 81 all’albero 272 che, viceversa, dall’albero 272 all’albero 81.

Nella variante realizzativa più completa di figura 3 il variatore di velocità 56 comprende una trasmissione 44 a rapporto discreto di trasmissione, disposto in serie con il dispositivo 246, includente almeno una prima ruota dentata 90, un albero 92 ed una seconda ruota dentata 94 collegate in serie all’albero 272 e atte a trasmettere la potenza in ingresso oppure in uscita dall’albero 272, a seconda delle modalità operative del variatore 56.

Come già accennato in precedenza, la figura 1 illustra in maniera schematica il dispositivo illustra schematicamente il gruppo secondo la presente invenzione nella variante più completa, in cui la trasmissione 48, che è sempre del tipo a rapporto discreto di trasmissione, è disposta parallelamente ai dispositivi 246 e 44, collegata all’albero 81 ed atta a trasmettere la potenza in ingresso oppure in uscita dall’albero 81, a seconda delle modalità operative del variatore 56.

Le trasmissioni 44 e 48 sono invertibili ovvero in grado di trasmettere potenza sia dal dispositivo 246 oppure dall’albero 81 al differenziale 42 che, viceversa, dal differenziale 42 al dispositivo 246 oppure all’albero 81.

Come già accennato, la variante di figura 3 è un caso particolare della figura 1 del presente trovato in cui i dispositivi 26 e 48 sono ommessi.

La variante di figura 2 è invece un caso particolare della figura 1 del presente trovato in cui i dispositivi 26, 44 e 48 sono ommessi.

Analogamente alla convenzione adottata per il differenziale 34, la trasmissione della potenza dalla CVT toroidale 246 verso il differenziale 42 avviene quando i versi della velocità di rotazione e del momento torcente dell’albero 272 sono sincroni, e viceversa, dal differenziale 42 verso la CVT toroidale 246 quando i suddetti versi sono opposti.

Con riferimento alle relazioni B, C e D sopra riportate, risulta che il momento torcente sul ramo 112 del differenziale 42 è positivo quando la vettura è in accelerazione o a velocità costante, ed è negativo quando essa è in moto di rallentamento. Nello stesso modo, il momento torcente sull’albero 272 risulta positivo nelle due prime condizioni operative e negativo nella terza condizione operativa della vettura.

Nelle varianti costruttive delle figure 2 e 3, il verso di rotazione dell’albero 272 è sempre opposto a quello dell’albero 81 e del disco toroidale di attrito 266. Ne consegue che il verso di rotazione del ramo 98 è sempre opposto a quello del ramo 102.

Negli esempi di tutte le figure 1, 2, 3, 4 e 5, la CVT toroidale 246 inverte la direzione del moto del disco toroidale di attrito 270 rispetto al disco di attrito toroidale 266.

Negli esempi delle figure 2 e 3, il secondo differenziale 42 è di tipo epicicloidale ed è provvisto di tre rami 98, 102, 112 rispettivamente collegati alla trasmissione 44 (all’albero 272 nell’esempio di figura 2), all’albero 81 e al primo ramo 50 del differenziale 34. La trasmissione 44 comprende due ruote dentate 90, 94, solidali alle contrapposte estremità assiali di un albero 92 che ingranano rispettivamente con una ruota dentata 272, solidale al disco toroidale di attrito 270, e con una dentatura 97 prevista sul ramo 98 del differenziale epicicloidale 42.

Negli esempi di figure 2 e 3, il variatore 246 è collegato alla corona epicicloidale del differenziale 42 e il planetario portasatelliti è l’elemento di collegamento fra il secondo differenziale 42 ed il primo differenziale 34.

In altre possibili varianti realizzative (non rappresentate) degli esempi di figure 2 e 3, il ramo 98 del differenziale 42 è collegato all’albero 81, mentre il ramo 102 è collegato alla trasmissione 44 (all’albero 272 nell’esempio di figura 2).

In queste altre possibili varianti realizzative (non rappresentate) degli esempi di figure 2 e 3, il variatore 246 è collegato al pignone solare del differenziale 42, mentre il planetario portasatelliti rimane comunque l’elemento di collegamento fra il differenziale 42 e il differenziale 34.

Negli esempi delle figure 2, e 3, il ramo 98 del secondo differenziale epicicloidale 42 è costituito da una corona coassiale all’albero 272 e comprendente ad una sua estremità assiale, una superficie cilindrica esterna, sulla quale è realizzata la dentatura esterna 97 e una superficie cilindrica interna, da parte assialmente contrapposta alla dentatura esterna 97, una dentatura interna 106. Il ramo 102 è costituito da un pignone solare solidale all’albero 81 e il ramo 112 è costituito da un planetario portasatelliti sul quale sono girevolmente accoppiati una pluralità di satelliti 110. I satelliti 110 ingranano sia con il pignone 102 che con la dentatura interna 106.

In altre possibili varianti realizzative (non rappresentate) il differenziale epicicloidale 42 può essere di un tipo costruttivo diverso come, ad esempio, con gli ingranaggi conici oppure del tipo epicicloidale a più stadi.

Per note proprietà cinematiche dei differenziali epicicloidali, le grandezze caratteristiche del differenziale 42 sono legate dalla relazione F, di seguito riportata:

F) Z102N102+ Z106N98= (Z102+ Z106)N112,

in cui:

Z102è il numero di denti del pignone solare102,

Z106è il numero di denti della dentatura interna 106,

N102è la velocità di rotazione del pignone solare 102,

N98è la velocità di rotazione della corona 98,

N112è la velocità di rotazione del planetario portasatelliti 112.

Il primo ramo 50 del differenziale 34 comprende una dentatura esterna 124 che ingrana con una dentatura esterna 114 prevista sul planetario portasatelliti 112 del differenziale 42. Mediante il ruotismo comprendente le dentature 114, 124 il primo ramo 50 riceve o trasmette il moto rispettivamente da o verso il variatore 56 tramite il differenziale 42.

Le figure 4 e 5A-E, illustrano la CVT toroidale 246 in maggiore dettaglio. La CVT toroidale 246 è in grado di variare il rapporto di trasmissione tra gli alberi 81 e 272 in modo continuo tramite le oscillazioni dei elementi di rotolamento con superficie sferica 268.

Nelle figure da 5A a 5E, con 301 e 303 sono indicati due raggi di curvatura principali della superficie sferica degli elementi di rotolamento 268 sul punto di contatto rispettivamente con il disco toroidale di attrito 266 e 270. Poiché la superficie di attrito degli elementi di rotolamento 268 è del tipo sferico, i due raggi principali 301 e 303 risultano di uguale dimensione. Nelle stesse figure, con 302 e 304 sono rappresentati i due raggi di curvatura principali della superficie di contatto del disco toroidale di attrito 266 (corrispondenti anche a quelli del disco 270) sul punto di contatto con gli elementi di rotolamento 268. Il raggio 302 è del tipo convesso, mentre il raggio 304 può essere concavo (come indicato nelle figure) oppure convesso oppure assumere valore infinito quando la superficie del/i disco/hi toroidale/i di attrito 266 e/o 270 è del tipo conico.

Nell’esempio di figura 4 e 5, i dischi toroidali di attrito 266 e 270 hanno superficie di attrito simmetriche, per cui i raggi 302 e 304 risultano con uguali dimensioni e concavità per entrambi i dischi toroidali di attrito 266 e 270. In altre possibili varianti della CVT toroidale 246 (non rappresentata nelle figure), i raggi 302 e 304 possono essere di diverso valore se i dischi toroidali di attrito 266 e 270 hanno una superficie di attrito con diversa geometria.

Nella figura 4, con 306 è rappresentato l’angolo s1 fra la retta tangente alle superficie di attrito sul punto di contatto e l’asse di rotazione del disco toroidale di attrito 266. Con 308 è indicato l’angolo s2 fra la retta tangente alle superficie di attrito sul punto di contatto e l’asse di rotazione del elemento di rotolamento 268.

Per un osservatore disposto lungo l’asse di rotazione del disco toroidale di attrito 266 che guarda la CVT toroidale 246, la rotazione del suddetto disco 266 è convenzionalmente considerata positiva se il disco 266 ruota in senso orario. Per un secondo osservatore disposto sul vertice dell’angolo 308, poiché non c’è slittamento fra la superficie a contatto del disco 266 e l'elemento di rotolamento 268, ad un verso positivo di rotazione del disco 266, corrisponde un senso positivo, cioè senso orario di rotazione dell'elemento di rotolamento 268. Per lo stesso primo osservatore lungo l’asse di rotazione del disco toroidale di attrito 266 che guarda la CVT toroidale 246, poiché non c’è slittamento fra le superficie a contatto dell'elemento di rotolamento 268 e il disco 270, ad un verso positivo di rotazione dell'elemento di rotolamento 268, corrisponde un senso negativo, cioè senso antiorario di rotazione del disco 270. Poiché i dischi 266 e 270 sono disposti coassialmente, risulta una caratteristica funzionale della presente CVT toroidale 246, che i suddetti dischi hanno direzione di rotazione opposte fra di loro.

Nelle figure 5A-E, con 310 è rappresentata la forza applicata al punto di contatto fra il disco 266 e l'elemento di rotolamento 268. Nella CVT toroidale 246 del presente trovato, la forza 310 è assunta di entità costante indipendentemente dal variare del rapporto di trasmissione del dispositivo 246.

Deve inoltre essere osservato che nella CVT toroidale 246 del gruppo secondo la presente invenzione, l'angolo 306 fra la retta tangente alle superficie di attrito sul punto di contatto e l’asse di rotazione del disco toroidale di attrito 266 rimane costante per ogni rapporto di trasmissione della CVT, mentre l'angolo 308 fra la retta suddetta e l’asse di rotazione dell'elemento di rotolamento 268 varia al variare del rapporto di trasmissione della CVT.

Nelle figure 5A-5E, con 312 è rappresentato il diametro di contatto fra il elemento di rotolamento 268 e il disco toroidale 266 o 270 posto sul disco stesso, il quale non varia al variare del rapporto di trasmissione della CVT toroidale.

Poiché i raggi principali 301, 302, 303 e 304, così come la forza di contatto sul punto di contatto delle superficie di attrito 310 rimangono invariati con il variare del rapporto di trasmissione della CVT toroidale 246, come sopra descritto, risulta evidente che la sollecitazione di Hertz (pressione specifica sul punto di contatto) sul punto di contatto rimarrà costante a qualunque valore del rapporto di trasmissione che la CVT toroidale 246 assuma. Ne consegue che, vantaggiosamente, ad un valore costante di forza di contatto 310 corrisponderà ad una sollecitazione di Hertz costante e opportunamente dimensionata al di sotto del limite di fatica del materiale dell'elemento di rotolamento 268 e dei dischi toroidali di attrito 266 e 270; dispensando, come sopra spiegato, l’impiego di complessi e costosi dispositivi ausiliari per la variazione della forza 310.

Nelle CVT toroidali note e anche nel presente trovato 246, esiste un coefficiente di attrito ammissibile fra le superficie di contatto che rimane fondamentalmente invariato. Il suddetto coefficiente di attrito stabilisce il massimo carico tangenziale e momento torcente trasmissibile dai dischi toroidali di attrito 266 e 270. Ne consegue da quanto sopra che tale massimo valore di momento torcente trasmissibile dai dischi toroidali di attrito 166 e 270 rimane costante indipendentemente dal rapporto di trasmissione della CVT toroidale 246.

Nell’esempio delle figure 5A-5E, i rapporti di trasmissioni indicati fra R = 0,38693 e R= 1,0 indicano una riduzione della velocità di rotazione del disco toroidale di attrito 270 rispetto al disco 266. Per la legge della conservazione della potenza, il momento torcente trasmesso dal disco 270, rispetto a quello trasmesso dal disco 266, è inversamente proporzionale al rapporto di trasmissione di cui sopra, per cui più elevato in valore assoluto. Ne consegue che il massimo momento trasmissibile dalla CVT toroidale 246, misurato sul disco 270, corrisponde al massimo momento torcente trasmissibile dallo stesso disco toroidale 270. Nell’esempio del diagramma di figura 6A dove viene riportato il momento torcente in Nm sul disco 270 in funzione del rapporto di trasmissione della CVT toroidale 246 del presente trovato, per i valori di rapporto di trasmissione in riduzione (da R = 0,38 a R = 1,0), il valore del momento torcente risulta costante e uguale al massimo ammissibile sul disco 270 stesso.

Analoghe considerazioni possono essere applicate per i rapporti di trasmissione compresi fra R = 1,0 a R = 2,5844, che indicano tuttavia una moltiplica della velocità di rotazione del disco toroidale di attrito 270 rispetto al disco 266. Per la legge della conservazione della potenza, il momento torcente trasmesso dal disco 270, rispetto a quello trasmesso dal disco 266, è inversamente proporzionale al rapporto di trasmissione di cui sopra, per cui più basso in valore assoluto. Ne consegue che il massimo momento trasmissibile dalla CVT toroidale 246, misurato sul disco 270 corrisponde al massimo momento torcente trasmissibile dal disco toroidale 266 diviso per il rapporto di trasmissione R di cui sopra. Nell’esempio del diagramma di figura 6A per i valori di rapporto di trasmissione in riduzione (da R = 1,0 a R = 2,59), il valore del momento torcente sul disco 270 risulta decrescente in modo inversamente proporzionale al rapporto di trasmissione R.

In altre possibili varianti della CVT toroidale 246 (non rappresentate), i rapporti di trasmissione R possono assumere valori numerici diversi.

Come rappresentato sulla figura 6A, il momento torcente trasmissibile dalla CVT toroidale del presente trovato ha un primo tratto a valore costante, detto di rapporto in riduzione, e un secondo tratto a potenza costante, cioè a momento torcente decrescente, detto di rapporto in moltiplica.

Rappresenta un significativo vantaggio del presente trovato che la forma del diagramma di momento torcente ammissibile della CVT toroidale 246 indicato sulla figura 6 sia vantaggiosamente dello stesso tipo dei tipici sforzi che ci arrivano a partire dal momento torcente erogato dal motore elettrico AC 18 e a partire dallo stesso tipico modo di impiego di una vettura ibrida, cioè con un primo tratto a momento torcente costante e un secondo tratto a potenza costante. Ne consegue che la CVT toroidale 246 del presente trovato ha una curva di momento torcente ammissibile con un coefficiente di sicurezza costante rispetto agli sforzi che arrivano.

Con riferimento nuovamente alla figura 1, il gruppo di trazione 10 comprende un dispositivo di controllo 62 della trasmissione 100 e delle sorgenti di potenza 18, 22.

Il dispositivo di controllo 62 agisce, sui parametri di funzionamento della seconda sorgente di potenza 18, tramite l’inverter 20, e della prima sorgente di potenza 22, stabilendone esclusivamente la velocità di rotazione. Il dispositivo di controllo 62 agisce sui parametri della seconda sorgente di potenza invertibile 18 stabilendone la velocità di rotazione, il momento torcente e anche il senso della velocità di rotazione.

Per le note proprietà dei differenziali 34 e 42 impiegati nella trasmissione 100, una volta che il valore di momento torcente della seconda sorgente di potenza invertibile 18 è stabilito dal dispositivo di controllo 62, il valore del momento torcente sollecitante sulla CVT toroidale 246 e sul motore endotermico 22 risulta automaticamente definito. Analogamente, la stessa forma del diagramma caratteristico del motore elettrico AC 18, cioè un primo tratto a momento torcente costante e un secondo tratto a potenza costante, viene proporzionalmente riprodotto come diagramma di sforzo sulla CVT toroidale 246 e sul motore endotermico 22. Deriva da quanto descritto ulteriori due vantaggi della presente trasmissione 100 per veicoli ibridi: non occorre controllare il momento torcente erogato dal motore endotermico 22 e viene completamente dispensato l’utilizzo di qualunque dispositivo oneroso ed inaffidabile per la limitazione del momento torcente in ingresso alla CVT toroidale 246.

Il dispositivo di controllo 62 è inoltre attivo sul variatore 56 per impostare il rapporto di trasmissione tra la prima sorgente di potenza 22 e il primo ramo 50 del primo differenziale epicicloidale 34.

Nell’esempio delle figure 2 e 3, il dispositivo di controllo 62 agisce sulla coppia di elementi di rotolamento 268 per variarne la posizione e il punto di contatto con i dischi toroidali di attrito 266 e 270. Varia di conseguenza la velocità dell’albero 272 ad esso collegato.

È quindi possibile, mediante il dispositivo di controllo 62 agire sul variatore 56 in modo tale da impostare un valore della velocità dell’albero 272 indipendentemente dal valore della velocità dell’albero 81 collegato alla prima sorgente di potenza 22.

Il dispositivo di controllo 62 riceve come segnali di ingresso:

- la posizione di un pedale di acceleratore 138 azionabile dall’utente;

- la posizione di un pedale del freno 58 azionabile dall’utente;

- la posizione oppure il rapporto di trasmissione del variatore di velocità 246;

- la carica di energia dell’accumulatore 54;

- i parametri di funzionamento dell’inverter 20;

- la velocità di rotazione della sorgente di potenza non invertibile 22.

Il pedale acceleratore 138, attraverso il quale il conducente comunica l’intenzione di accelerare, rallentare o mantenere il veicolo in condizione di velocità costante, è collegato al dispositivo di controllo 62 mediante un collegamento elettrico, meccanico, idraulico o di altra natura.

Il pedale freno 58, attraverso il quale il conducente comunica l’intenzione di frenare o mantenere il veicolo in condizione di velocità costante, è collegato al dispositivo di controllo 62 mediante un collegamento elettrico, meccanico, idraulico o di altra natura.

In altre possibili varianti realizzative, il controllo 62 riceve come segnale di entrata complementare anche la velocità di rotazione degli alberi e rami. Secondo un metodo di gestione del gruppo di trazione 10 è possibile azionare il variatore 56 tramite il dispositivo di controllo 62 in modo da impostare un valore della velocità del solare 102 pari a:

G) N102= - (Z106/ Z102)N98

Tale valore, dipendente esclusivamente dalla velocità della corona N98, determina un valore della velocità N112del planetario portasatelliti 112 nulla, come risulta evidente dalla sostituzione della relazione G all’interno della relazione F.

Quando il planetario portasatelliti 112 è fermo anche il primo ramo 50 del differenziale 34 che ingrana direttamente con esso ha velocità nulla e di conseguenza non trasmette potenza.

Risulta evidente dalla sostituzione del valore nullo della potenza trasmessa dal ramo 50 all’interno della relazione E, la relazione H, di seguito riportata: H) P118= P130

In questa situazione nel differenziale 34 la potenza viene trasmessa dal secondo ramo 118 al terzo ramo 130, o viceversa. In particolare, nel caso in cui il veicolo stia decelerando, la potenza frenante trasmessa dalle ruote 38 all’assale 30 viene trasmessa interamente, al netto delle perdite meccaniche, all’albero 14 e da questo alla seconda sorgente 18 invertibile e all’accumulatore 54. In fase di decelerazione del veicolo è quindi possibile impiegare tutta la potenza frenante per ricaricare l’accumulatore 54.

Affinché il planetario portasatelliti 112 possa rimanere fermo indipendentemente dalla velocità di rotazione della sorgente non invertibile 22, è necessario che il pignone solare 102 posto sul medesimo ramo 102 possa assumere un senso di rotazione opposto a quello della corona epicicloidale 106 posta sul ramo 98, come si evince chiaramente dalla relazione G.

Vantaggiosamente, il gruppo secondo la presente invenzione permette di realizzare tale caratteristica in quanto le caratteristiche della CVT toroidale 246 precedentemente descritta la rendono capace di invertire il senso di rotazione del disco 270 rispetto al disco 266. L’opposto senso di rotazione dei rami 102 e 98 d’ingresso del differenziale 42, che determina velocità nulla del planetario portasatelliti 112, si verifica per un determinato valore discreto di rapporto di trasmissione del variatore continuo 246. I rami 102 e 98 assumono tuttavia senso opposto di rotazione anche per valori di rapporto di trasmissione del variatore continuo 246 diversi da quello per cui il planetario portasatelliti 112 rimane fermo. In quest’ultima condizione operativa, dall’analisi delle relazioni da A a F applicate al differenziale 42, risulta evidente, poiché i momenti torcenti nei rami 102 e 98 sono sincroni, che anche i valori delle potenze di detti rami hanno senso opposto. Ne consegue, dalla relazione E applicata al differenziale 42, che almeno uno dei due rami di ingresso 102 e 98 trasmette un valore di potenza superiore a quella trasmessa dal ramo in uscita 112. La potenza in uscita dal ramo 112 rimane tuttavia della stessa entità della potenza erogata dalla sorgente non invertibile 22, per cui ne risulta che almeno uno dei due rami 102 e 98 trasmette un valore di potenza superiore a quello erogato dalla sorgente 22. Nel caso delle figure 2 e 3, indipendentemente dalle loro diverse varianti realizzative, il variatore continuo 246, posto in collegamento con il ramo 98, trasmette un valore di potenza superiore a quello erogato dalla sorgente 22. Di conseguenza, affinché il ramo di uscita 112 del differenziale 42 possa rimanere fermo in una determinata condizione operativa corrispondente ad un rapporto di trasmissione del variatore continuo 246, è condizione necessaria che la geometria del variatore 56 consenta l’opposto senso di rotazione dei rami 102 e 98 e che il variatore continuo 246 trasmetta un valore di potenza superiore a quello erogato dalla sorgente 22.

Nella condizione in cui il primo ramo 50 è fermo, la prima sorgente di potenza 22, ad esso collegata attraverso il variatore 56 può essere spenta senza che il veicolo subisca variazioni delle sue condizioni di moto.

Secondo un altro metodo di gestione del gruppo di trazione 10, la velocità dell’asse 14 e del primo ramo 50 sono impostate in modo tale che il motore elettrico 18 operi il più possibile vicino alla velocità di massimo rendimento del motore elettrico 18, dell’inverter 20 e della batteria 54, con evidente beneficio per l’efficienza complessiva del gruppo 10.

Secondo un ulteriore metodo di gestione del gruppo di trazione 10, quando l’accumulatore 54 ha un livello di carica alto il dispositivo di controllo 62 agisce in modo da aumentare la potenza erogata dalla seconda sorgente di potenza 18. Viceversa, quando l’accumulatore 54 ha un livello di carica basso il dispositivo di controllo 62 agisce in modo da aumentare la potenza erogata dalla prima sorgente di potenza 22 e diminuisce la potenza erogata dalla seconda sorgente 18. In particolare la prima sorgente di potenza 22 può essere spenta quando l’accumulatore 54 ha un livello di carica elevato. Tale metodo di gestione favorisce la minimizzazione delle oscillazioni di carica dell’accumulatore 54 con conseguente allungamento della sua vita utile.

Il gruppo di trazione 10 riesce a garantire la decelerazione del veicolo senza dover ricorrere a meccanismi di dissipazione, come ad esempio i freni.

Il gruppo di trazione della presente invenzione risolve quindi i problemi proposti con riferimento alla tecnica nota citata, avendo al contempo molteplici vantaggi.

Tra questi la possibilità di gestire la velocità del primo ramo 50 del differenziale 34 in maniera indipendente dal motore endotermico, solitamente impiegato come prima sorgente di potenza non invertibile 22, in maniera tale che questo funzioni il più possibile in prossimità del suo punto di massima efficienza e minor consumo di carburante. Tale caratteristica, abbinata all'uso di una CVT toroidale in grado di invertire il moto consente di gestire in maniera ottimale la trazione del veicolo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Gruppo di trazione (10) per veicoli comprendente: - una prima sorgente (22) di potenza di tipo non invertibile; - una seconda sorgente (18) di potenza di tipo invertibile; - una trasmissione (100) collegata a dette prima (22) e seconda sorgente (18) e includente un primo dispositivo (34) differenziale collegato o collegabile a dette prima (22) e seconda (18) sorgenti di potenza e ad un assale (30) di un veicolo; in cui detta trasmissione (100) comprende un variatore di velocità (56), interposto tra detta prima sorgente (22) di potenza e detto primo dispositivo differenziale (34), che comprende: - un dispositivo a variazione continua di velocità (246) - un secondo dispositivo differenziale (42) collegato a detto dispositivo a variazione continua di velocità (246), a detta prima sorgente (18) e a detto primo dispositivo differenziale (34); caratterizzato dal fatto che detto dispositivo a variazione continua di velocità (246) è del tipo a ruote toroidali di attrito e comprende: - un disco laterale di ingresso del moto (266) collegato a detta prima sorgente (18), - un disco laterale di uscita del moto (270) collegato a detto secondo dispositivo differenziale (42), - almeno due elementi di rotolamento oscillanti oziosi di attrito (268); detti dischi laterali di ingresso e uscita del moto (266, 270) presentando una superficie di attrito di forma toroidale e detti elementi di rotolamento oscillanti oziosi (268) presentando una superficie di attrito conformata a calotta sferica.
2. Gruppo di trazione (10) secondo la rivendicazione 1, in cui la superficie di attrito di detto disco laterale di ingresso del moto (266) e detto disco laterale di uscita del moto (270) presentano una superficie di attrito di forma toroidale.
3. Gruppo di trazione (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti elementi di rotolamento oziosi (268) sono a contatto con il disco laterale di ingresso del moto (266) e il disco laterale di uscita del moto (270) in corrispondenza di punti di contatto disposti in posizioni opposte fra di loro rispetto all’asse di rotazione di detto elemento di rotolamento ozioso (268).
4. Gruppo di trazione (10) secondo la rivendicazione 3, in cui l'asse di rotazione di detti elementi di rotolamento oziosi (268) è sostanzialmente perpendicolare all'asse di rotazione di detti dischi laterali di ingresso e uscita del moto (266, 270) quando detto dispositivo a variazione continua di velocità (246) è a rapporto di trasmissione 1.
5. Gruppo di trazione (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti dischi laterali di ingresso e uscita del moto (266, 270) sono collegati ad un rispettivo ramo (102, 110) di detto secondo dispositivo differenziale (42).
6. Gruppo di trazione (10) secondo la rivendicazione 5, in cui detto primo dispositivo differenziale (34) presenta un primo ramo (50) collegato a detto secondo dispositivo differenziale (42), un secondo ramo (118) collegato a detta seconda sorgente (18) ed un terzo ramo (130) collegato all'assale (30) del veicolo.
7. Gruppo di trazione (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un dispositivo di controllo (62), operativamente associato a detto dispositivo a variazione continua di velocità (246), in maniera tale da variare il rapporto di trasmissione tra detti dischi laterali di ingresso e uscita del moto (266, 270) in funzione delle condizioni di moto del veicolo.