BRPI1102937A2 - sistema de transmissço hidrÁulico - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE TRANSMISSçO HIDRÁULICO. A presente invenção está relacionada a um sistema de transmissão hidráulico, aplicável especialmente em veículos urbanos, dotado de um circuito principal, fechado, compreendendo uma bomba (1) reversível e variável que impulsiona pelo menos uma motor hidráulico (4) que está conectados à pelo menos uma roda do veículo. Esse circuito fechado ainda compreende uma segunda bomba (3), reversível e variável, que é conectada a uma terceira bomba (5) que provê fluxo hidráulico a um outro circuito responsável pelo armazenamento de energia proveniente da frenagem do veículo para posteriormente utilizá-la quando da necessidade de se acelerar o veículo.

Description

"SISTEMA DE TRANSMISSÃO HIDRÁULICO" CAMPO TÉCNICO

A presente invenção está relacionada a sistemas de transmissão hidráulicos de veículos. Em particular, a presente invenção está relacionada um circuito hidráulico capaz de tracionar as rodas de um veículo de forma que este tenha torque e rotação compatíveis com sua aplicação, e ainda capaz de acumular a energia proveniente da frenagem utilizando-a posteriormente quando da necessidade de se acelerar o veículo.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

Os sistemas hidráulicos podem se equiparar a transmissões mecânicas no que diz respeito a transferência de torque e rotação devido às características de incompressibilidade do óleo hidráulico.

Estes sistemas são largamente utilizados em equipamentos especiais para gerar torque e rotação nas rodas ou outro elemento de tração (tal como esteira, por exemplo). Em geral, esses sistemas são utilizados em máquinas industriais, máquinas de construção civil, equipamentos agrícolas e viaturas militares.

Os sistemas hidráulicos podem ser fechados ou abertos. Os sistemas ditos abertos são aqueles em que o elemento gerador de fluxo hidráulico, tal como uma bomba hidráulica, gera um fluxo de óleo que é confinado em um circuito, onde será direcionado pelas válvulas controladoras para os atuadores, sendo que a resistência à operação dos atuadores acarretará no aumento da pressão do sistema até os níveis de trabalho calculados para cada projeto. Estes sistemas não são reversíveis e possuem linha de pressão e retomo definidas.

Já os sistemas hidráulicos fechados ou iiClosed-Ioop circuif\ como ilustrado na figura 1, possuem um elemento gerador de fluxo hidráulico, tal como uma bomba hidráulica, do tipo reversível e variável, sendo sua reversão de sentido de fluxo hidráulico promovida por mecanismo interno. Portanto, não é necessária a alteração do sentido de giro do motor 100 que

r t

traciona a bomba 110. E importante mencionar que este tipo de circuito não possui uma alimentação direta via reservatório para a bomba principal. Uma vez que o circuito é fechado, a bomba principal capta apenas o retorno do próprio atuador.

Esta bomba 110 está conectada diretamente ao atuador 160, que via de regra é um motor hidráulico de deslocamento fixo também reversível, sendo que este motor inverte o sentido de giro quando o fluxo de óleo é invertido pela bomba 110. Assim sendo, a bomba 110 é acionada unidirecionalmente, ou seja, apenas em um sentido de giro de seu rotor. Entretanto, pela sua construção, que normalmente para este caso são bombas de pistões axiais, a bomba 110 pode reverter o sentido do fluxo de óleo fazendo com que o atuador 160 inverta seu sentido de giro. Ainda, por resultado de sua construção, este tipo de bomba varia seu fluxo hidráulico (quantidade de óleo deslocada por revolução), o que torna possível, para uma mesma rotação da bomba 110, diferentes rotações do atuador 160.

Por esta razão, a bomba 110 possui internamente uma bomba auxiliar 120 que recebe óleo hidráulico de um tanque 130 e alimenta continuamente ambos os ramais do circuito fechado, através de um conjunto de válvulas de controle 140 de fluxo unidirecional. Neste tipo de circuito hidráulico, sempre um dos ramais ligados à bomba 110 funciona como lado pressurizado e o outro como lado de retomo. Assim sendo, a alimentação do circuito é feita sempre no ramal que está funcionando como lado de retorno, isto é, só recebe o óleo da bomba auxiliar 120 o lado que estiver operando como retomo. Na figura 1, o retângulo tracejado representa a bomba 110 e todos os seus componentes internos (a bomba auxiliar 120 e as válvulas de controle 140).

A alimentação de óleo por uma bomba auxiliar se faz necessária pelo fato de que tanto a bomba principal quanto o atuador permitem vazamentos de parte do óleo do circuito hidráulico para controles internos de pressão e suas próprias lubrificações. O óleo utilizado para estes fins retorna ao tanque 130 através de uma linha de dreno 150, indicada na figura 1 por uma linha tracejada que liga o atuador 160 à bomba 110, e a bomba 110 ao tanque 130.

O sistema fechado também é chamado de "Circuito de Torque Constante", pois como o torque do sistema depende fundamentalmente da pressão do sistema e do deslocamento unitário do atuador, então para uma mesma pressão sempre teremos um mesmo torque no atuador, independentemente de sua rotação, que varia de acordo com o fluxo emitido pela bomba hidráulica.

A fórmula abaixo descreve o cálculo do torque em função do deslocamento e da pressão do sistema:

Torque = Deslocamento Unitário χ Pressão

2 χ π

Por esta razão, esse sistema é bastante utilizado em máquinas e

veículos que necessitam de um torque alto e constante, o que dificulta sua utilização em veículos urbanos em geral devido às limitações de velocidade.

São conhecidos também do estado da técnica sistemas que armazenam energia proveniente da frenagem de um veículo para posterior reaproveitamento dessa energia quando da necessidade de acelerar o veículo, tal como descrito no documento JP 07144617.

Esse documento revela uma bomba hidráulica acoplada ao sistema mecânico do veículo através de uma engrenagem que, quando acionada durante a frenagem, bombeia fluido em direção aos acumuladores. Esse sistema, no entanto, não permite um sistema eficiente de recuperação da energia na medida em que está ligado a um sistema mecânico de eixo acoplado às rodas de tração do veículo. Isso significa que, além da perda de eficiência inerente ao sistema mecânico de transmissão, o sistema é aplicado em apenas um eixo do veículo, regenerando apenas a energia de frenagem proveniente deste eixo. Por conseqüência, é gerado um baixo acúmulo de energia de frenagem para posterior regeneração.

A aplicação do sistema de regeneração em mais de um eixo do

veículo demandaria um sistema bastante complexo de transmissão mecânica, aumentando significativamente o peso e o custo do mesmo. OBJETIVOS DA PRESENTE INVENÇÃO

É um dos objetivos da presente invenção, o de prover um sistema hidráulico capaz de funcionar como um sistema de transmissão veicular, o qual substitui o tradicional sistema de transmissão mecânica (eixo mecânico). Outro objetivo da presente invenção é prover um sistema capaz de acumular eficientemente boa parte da energia de frenagem para posterior regeneração quando da necessidade de acelerar o veículo. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De forma a alcançar os objetivos acima, o sistema da presente invenção compreende: (i) um circuito principal que compreende, um primeiro meio atuador/gerador de fluxo hidráulico reversível e variável que alimenta um circuito fechado com pelo menos um segundo meio atuador/gerador de fluxo hidráulico, sendo que este último é conectado à pelo menos uma roda de um veículo, e um terceiro meio atuador/gerador de fluxo hidráulico reversível e variável, em paralelo com o pelo menos um segundo meio atuador/gerador de fluxo hidráulico conectado à pelo menos uma roda do veículo; e (ii) um circuito regenerador que compreende um quarto meio atuador/gerador de fluxo hidráulico que vai trabalhar na regeneração do sistema de freio e pelo menos um acumulador que armazena o fluido hidráulico sob pressão para posterior regeneração.

Portanto, o sistema da presente invenção promove, pelo fato de ser hidráulico, uma excelente eficiência de transmissão e uma enorme simplificação mecânica. Este sistema de transmissão ainda provê uma eficiente recuperação da energia de frenagem pelo fato da regeneração poder ser aplicada independentemente em cada uma das rodas do veículo. Consequentemente, tal sistema promove uma significativa economia de combustível, uma vez que consegue movimentar o veículo, utilizando o circuito regenerador, durante um determinado tempo sem o uso do motor. Isso só é atingido eficientemente através do acoplamento de dois circuitos hidráulicos distintos. DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A vantagem acima e outras adicionais, bem como a constituição do sistema da presente invenção, ficarão mais claras para os versados na técnica a partir da descrição abaixo e das figuras anexas, as quais:

- a figura 1 ilustra um circuito hidráulico fechado como conhecido no estado da técnica;

- a figura 2 ilustra o sistema da presente invenção de acordo com uma concretização preferencial.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção, onde o circuito descrito é aplicado a um veículo com tração em quatro rodas. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular, podendo ser aplicada a veículos com tração em mais ou menos rodas e podendo apresentar diferentes configurações de elementos nos circuitos hidráulicos. Adicionalmente, os meios atuadores/geradores de fluxo hidráulico serão diretamente apresentados como bombas e/ou motores hidráulicos.

Como pode ser visto na concretização preferencial ilustrada na figura 2, o sistema de transmissão compreende dois circuitos em paralelo. O circuito principal, fechado, compreende uma bomba principal 1 de deslocamento variável e fluxo reversível, quatro motores 4, em paralelo, acoplados às rodas do veículo para tração e frenagem do mesmo, e outra bomba 3, também em paralelo. A bomba 1 é acionada por um motor 2 (de combustão interna, por exemplo).

O segundo circuito, ou seja, o circuito regenerador compreende uma bomba 5 acoplada à bomba 3 que funciona como porta paralela entre os dois circuitos. Opcionalmente, tal acoplamento é mecânico.

Este segundo circuito, ou circuito regenerador, trabalha como acumulador de energia quando a bomba 5 recebe torque e rotação proveniente da bomba 3. Para tanto, este circuito compreende adicionalmente pelo menos um acumulador 8 para armazenar fluido hidráulico. Opcionalmente, o pelo menos um acumulador 8 é um acumulador pressurizável.

A abertura e fechamento da linha do circuito regenerador pode ser feita por um meio de controle, que pode consistir na própria bomba 5 ou em pelo menos uma válvula direcional ou em pelo menos uma válvula proporcional. Na concretização preferencial ilustrada na figura 2, são previstas quatro válvulas direcionais 9, 10, 11, 14, e duas válvulas proporcionais 12, 13.

O conjunto de válvulas possui as funções de permitir fluxo livre quando o veículo está acelerando ou em movimento uniforme, convergir o fluxo para acúmulo de energia potencial quando em frenagem e convergir o fluxo para reaproveitamento quando em regeneração. O circuito regenerador poderá ainda compreender pelo menos uma válvula de alívio e segurança 15 que poderá ser aberta em caso de aumento súbito de pressão no circuito regenerador.

Assim como o circuito fechado do estado da técnica, o sistema da presente invenção pode compreender uma linha de dreno, ilustrada na figura 2 por uma linha tracejada ligando os motores 4 com as bombas 1 e 3 e conectado ao reservatório 7. A linha de dreno opcionalmente passa por um sistema de refrigeração do óleo hidráulico que consiste em um trocador de calor 6, posicionado imediatamente antes do retorno ao reservatório 7. O controle do sistema da presente invenção pode ser feito por um módulo eletrônico (não ilustrado) que controla o sistema de acordo com dois sinais que receberá do usuário, a saber: o sinal do pedal do acelerador e o sinal do pedal do freio. Idealmente, esses dois sinais são gerados por potenciômetros e enviados ao módulo eletrônico para o controle do motor 2, da abertura e fechamento das válvulas e do sentido e intensidade do fluxo nas bombas e motores hidráulicos. O sinal do pedal do freio ainda é enviado ao sistema de freio convencional do veículo.

O detalhamento do sistema será agora melhor descrito segundo as etapas de funcionamento do veículo e de acordo com a figura 2.

Quando é dada a partida no veículo, o motor 2 entra em funcionamento e transmite torque e rotação à bomba principal 1 que, neste instante, está na posição neutra, ou seja, não está provendo fluxo hidráulico.

Com o acionamento do pedal do acelerador, o motor 2 é acelerado e regulado para rotação de máximo torque, e a alavanca de fluxo da bomba 1 é regulada de forma que, em função do torque do motor 2 e do deslocamento escolhido, promove um fluxo hidráulico que segue pelo sistema aos quatro motores hidráulicos 4 das rodas. Em função do aclive do terreno e da rolagem, o sistema sofre uma variação de pressão devido à reação nos motores 4 das rodas. Em função desta resposta, a vazão da bomba 1 é ajustada para regulagem da pressão do sistema. Nesta fase, a bomba 3, que atua como porta paralela entre o circuito principal e o circuito regenerativo, está na posição neutra (fechada), e não recebe óleo do circuito, nem da bomba 1 e nem dos motores 4.

Ao alcançar a velocidade ideal, o condutor posiciona o pedal do acelerador de forma a manter uma velocidade de cruzeiro, reduzindo a pressão do sistema em função da velocidade requerida. Em caso de declive, o condutor tende a tirar o pé do pedal do acelerador e, com isto, a bomba principal 1 é colocada em posição neutra e a bomba 3 é aberta de forma a permitir o fluxo livre do óleo, que agora passa a ser impulsionado pelos motores 4 das rodas. Para que o sistema rode livremente, e uma vez que a bomba 3 está acoplada à bomba 5 que movimenta o circuito regenerador, existem duas válvulas direcionais 9 e 10, normalmente abertas, que permitem que todo o fluxo de óleo gerado pela bomba 5 passe livremente para um reservatório 7 e posteriormente retorne para a própria bomba 5, fazendo com que o fluxo não passe pela linha dos acumuladores 8.

Na frenagem do veículo, o condutor aciona o pedal do freio, que aciona tanto o sistema regenerador quanto o freio convencional. A frenagem devido ao sistema regenerador atua ligeiramente antes do freio convencional, funcionando como uma espécie de freio motor. Nesta situação, as bombas 1 e 3 são colocadas imediatamente nas posições neutra (fechada) e de máxima vazão, respectivamente. A bomba 3, então, passa a receber todo o fluxo oriundo dos motores das rodas 4, que passam a atuar como bombas, utilizando a energia cinética das rodas para prover fluxo hidráulico no circuito fechado.

A bomba 3, que agora passa a atuar como um motor, aciona a bomba 5 que passa a prover fluxo hidráulico no circuito de regeneração. As válvulas direcionais 9 e 10 são então fechadas na linha de circulação livre de maneira a forçar o fluxo hidráulico gerado pela bomba 5 para os acumuladores de óleo. Uma válvula proporcional 12 entre a bomba 5 e os acumuladores 8 é posicionada para a regulagem da pressão na saída da bomba independentemente do nível de pressão nos acumuladores 8, com isto promovendo uma intensidade de frenagem compatível com a demanda do condutor. Assim, a atuação do condutor no pedal do freio é diretamente proporcional à pressão no duto entre a bomba 5 e a válvula proporcional 12.

Ao fim da frenagem, o condutor deixa de pressionar o pedal do freio e, consequentemente, o sistema pára de armazenar óleo nos acumuladores 8, abrindo novamente as válvulas direcionais 9 e 10 na linha de livre circulação e fechando a válvula direcional 11 na linha dos acumuladores 8. O sistema está agora carregado com uma determinada pressão na linha dos acumuladores 8 e a bomba 5 está novamente em fluxo livre.

Com o sistema carregado e com o acionamento do pedal do acelerador para mover o veículo novamente, é comparada a demanda de potência do potenciômetro do pedal do acelerador com a pressão disponível na linha dos acumuladores 8, e será decidido se será aplicado o sistema regenerador ou não. Caso a pressão não seja suficiente, o sistema simplesmente reinicia o trabalho e, ao iniciar uma nova frenagem, irá novamente acumular óleo através do circuito regenerador. Caso a pressão seja compatível com a demanda de aceleração do veículo, entra em ação o sistema regenerador. A válvula direcional 14 é aberta, de maneira a dirigir o fluxo hidráulico dos acumuladores 8 para o circuito de regeneração, passando por outra válvula proporcional 13, que tem a função de controlar o fluxo de óleo de maneira a melhor aproveitar a energia potencial acumulada. Este fluxo de óleo segue para a bomba 5, que passa a atuar como um motor hidráulico, acionando a bomba 3 e gerando fluxo hidráulico no circuito fechado para os motores das rodas 4. Quando a pressão nos acumuladores 8 deixa de ser suficiente para movimentação do veículo, o sistema regenerador é interrompido e a bomba 1 passa a prover fluxo hidráulico para os motores 4.

Quando acionada a marcha ré no veículo, o fluxo proveniente da bomba 1 no circuito principal é invertido e os motores hidráulicos 4 passam a girar no sentido contrário. Nesta situação, a bomba 3 não recebe fluxo hidráulico e o motor 2 não precisa alterar seu sentido de rotação, uma vez que a bomba 1 é reversível.

Esse sistema de transmissão proporciona, além das vantagens intrínsecas de um sistema de transmissão hidráulico, tais como controle independente de tração em cada uma das rodas, alto rendimento no sistema de transmissao, a eliminafao da necessidade de eixo de tra9ao, caixa de cambio e sistema diferencial, uma enorme economia de combustivel pelo fato de acumular e regenerar energia proveniente da firenagem.

Claims (15)

1. Sistema de transmissao hidraulico caracterizado pelo fato de compreender: um circuito principal, fechado, compreendendo um primeiro meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (1), pelo menos um segundo meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (4) e um terceiro meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (3); e um circuito regenerador compreendendo um quarto meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (5), acoplado ao terceiro meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (3) do circuito principal, e pelo menos um acumulador (8).

2. Sistema, de acordo com a reivindicagSo 1, caracterizado pelo fato de que ο primeiro meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (1), ο pelo menos um segundo meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (4), ο terceiro meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (3) e ο quarto meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (5) sao selecionados dentre ο grupo que consiste em: bomba nao-reversivel e nao-variavel; bomba nao-reversivel e variavel; bomba reversivel e nao-variavel; bomba reversivel e variavel; motor nao-reversivel e nao-variavel; motor nao-reversivel e variavel; motor reversivel e nao-variavel; motor reversivel e variavel.

3. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagSes 1 a 2, caracterizado pelo fato de que ο acoplamento entre ο terceiro meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (3) e ο quarto meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (5) e um acoplamento mecanico.

4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagdes 1 a 3, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma linha de dreno que conecta ο primeiro meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (1), ο pelo menos um segundo meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (4) e ο terceiro meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (3) a um reservatorio (7).

5. Sistema, de acordo com a reivindica9ao 4, caracterizado pelo fato compreender adicionalmente um trocador de calor (6) conectado a linha de dreno.

6. Sistema, de acordo com a reivindicagao 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que ο circuito regenerador esta conectado ao reservatorio (7).

7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindica^Ses 1 a 6，caracterizado pelo fato de compreender um meio de controle para abertura e fechamento do circuito regenerador.

8. Sistema, de acordo com a reivindicafao 7, caracterizado pelo fato de que ο meio de controle e ο quarto meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (5).

9. Sistema, de acordo com a reivindica9ao 7, caracterizado pelo fato de que ο meio de controle e pelo menos uma valvula proporcional (12，13) e/ou pelo menos uma valvula direcional (9，10, 11, 14).

10. Sistema, de acordo com a reivindicagSo 9, caracterizado pelo fato de que ο meio de controle consiste em quatro valvulas direcionais (9, 10, 11 e 14), duas valvulas direcionais (9 e 10) estando em serie com ο reservatorio (7) e duas valvulas direcionais (11 e 14) controlando a abertura e fechamento do pelo menos um acumulador (8).

11. Sistema, de acordo com a reivindicag^o 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que ο meio de controle consiste em duas valvulas proporcionais (12, 13)，uma valvula proporcional (12) estando posicionada imediatamente apos ο quarto meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (5), no sentido do fluxo hidraulico, e outra valvula proporcional (13) estando em serie com uma valvula direcional (14) e com ο quarto meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (5).

12. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1 all, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos uma valvula de alivio e seguran9a (15).

13. Sistema5 de acordo com qualquer uma das reivindicag^es 1 a 13, caracterizado pelo fato de que ο pelo menos um acumulador (8) e um acumulador pressurizavel.

14. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindica9oes 1 a 14, caracterizado pelo fato de que ο controle de todo ο sistema e feito por um modulo eletronico.

15. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicapSes 1 a 15, caracterizado pelo fato de que ο pelo menos um segundo meio atuador/gerador de fluxo hidraulico (4) e conectado a pelo menos uma roda de um veiculo.