ARREGLO DE CONTROL DE TRANSMISION CONTINUAMENTE VARIABLE
Descripción de la Invención La presente invención se refiere al control de transmisiones continuamente variables. Una transmisión convencional de vehículo motor con una caja de engranajes manual de relación progresiva o gradual normalmente tiene un embrague que puede ser operado por el usuario entre el motor y la caja de engranajes que sirve para que estos se acoplen/desacoplen. Cuando el vehículo es puesto en marcha, es decir, cuando se mueve de la posición de reposo, existe un desajuste inicial inevitable de las velocidades entre la entrada de la transmisión y la salida del motor, y al permitir que el embrague salte en esta etapa, el conductor provoca que sea aplicado un momento de torsión motor o torque a la transmisión para acelerar el vehículo, sin aplicar una carga no sostenida al motor que provocaría que se detenga el motor. En el caso de las transmisiones automáticas convencionales de relación progresiva, el desajuste inicial de las velocidades es acomodado por un convertidor de torque. El embrague y el convertidor de torque son ejemplos de lo que será referido en este documento como "dispositivos de puesta en marcha" . En algunas transmisiones continuamente variables ("CVTs", por sus siglas en inglés), ningún dispositivo de REF. : 198906
puesta en marcha es requerido. En su lugar, estas CVTs son capaces de proporcionar una reducción infinita de la velocidad. Es decir, mediante el ajuste de la relación y sin desacoplar en forma física el motor de la salida de la transmisión, pueden conseguir la condición en la cual la salida de la transmisión sea fija mientras el motor está funcionando. Esta condición es referida como "neutro de engranaje". La puesta en marcha puede ser conseguida en forma simple al mover la relación CVT fuera del neutral de engranaje, y no es necesario desacoplar la transmisión del motor para parar el vehículo. No obstante, los inventores han reconocido que sería ventajoso si esta transmisión pudiera ser elaborada para emular en algunos aspectos la funcionalidad de una transmisión manual que tenga un embrague susceptible de ser operado por el usuario. El uso de un embrague es muy conocido para muchos conductores. Este ofrece la garantía directa de que ningún torque de movimiento lento o pérdida de relación será aplicado a las ruedas del vehículo. También es útil, por ejemplo, en ciertas maniobras de baja relación. Se observa que la palabra "motor" es utilizada en la presente por motivos de brevedad para referirse a cualquier forma de órgano motor giratorio, y debe entenderse que incluye no sólo motores de combustión interna, sino también motores eléctricos, motores de combustión externa, etcétera.
La palabra "variador" será utilizada en la presente para referirse a un dispositivo que tiene una entrada giratoria y una salida giratoria y que transfiere la transmisión de movimiento de una a la otra en una relación de impulsión que puede ser variada en forma continua. Este dispositivo se encuentra en cualquier CVT. La mayoría de los variadores, sino es que todos, tienen alguna parte movible de transferencia de torque que es involucrada en la transferencia de impulsión y cuya posición corresponde con la relación de variador. En el caso bien conocido de un variador de tipo de tracción de rodamiento de anillo de rodadura toroidal, los rodillos sirven como las partes movibles de transferencia de torque. Estas transmiten la impulsión de un anillo de rodadura rebajado en forma toroidal a otro, y su movimiento involucra el cambio en la inclinación del rodillo que es asociada con el cambio en la relación de impulsión del variador. Una fuerza es aplicada a la parte movible de transferencia de torque que influye en su posición, y de este modo, influye en la relación de impulsión del variador. En principio, esta fuerza podría ser proporcionada a través de alguna articulación directa en un control operable de usuario tal como una palanca o pedal de pie. En la práctica, exceptuando el caso de vehículos muy ligeros, la fuerza requerida, que está relacionada con los momentos de torsión o torques experimentados por el variador, resulta que es
demasiado grande para que sea proporcionada en forma confortable por el usuario. La consecución del neutral de engranaje con este arreglo también podría ser problemática, debido a que cualquier desviación menor de la posición de la parte de transferencia de torque a partir de la posición requerida para el neutral de engranaje provocaría que la transmisión adopte una muy baja relación de impulsión, que origina de manera posible un gran "torque de movimiento lento o pérdida de relación", no obstante en una baja relación de rueda. Normalmente, las CVTs modernas dependen de controladores electrónicos sofisticados que regulan el motor y la transmisión. Sin embargo, existe la necesidad comercial de dispositivos físicos simples que controlen las CVTs. Esto sería particularmente atractivo para uso por ejemplo, en tractores de modelo básico. De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención existe un arreglo de control de un variador, el arreglo comprende una parte de control de relación operable de usuario, un dispositivo que acopla en forma operativa la parte de control de relación con una parte movible de transferencia de torque del variador a fin de permitir que el usuario ejercite el control sobre la relación del variador, y un dispositivo de liberación de torque que puede operarse por el usuario para desacoplar la parte de control de relación de
la parte movible de transferencia de torque. La parte de control de relación podría ser por ejemplo, un pedal de pie o una palanca operable por el usuario. El acoplamiento operativo de la parte de control de relación con la parte de transferencia de torque es preferible, de manera que la posición de la parte de transferencia de torque sea determinada por la posición de la parte de control de relación. De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, existe un arreglo de control de un variador, el arreglo comprende una parte de control de relación operable de usuario, un dispositivo que acopla en forma operativa la parte de control de relación con una parte movible de transferencia de torque del variador para permitir que el usuario ejercite el control sobre la relación de variador, y un dispositivo que aplica en la parte de control de relación una fuerza que varía en armonía con la fuerza experimentada por la parte movible de transferencia de torque. Las modalidades específicas de la presente invención serán descritas a continuación, sólo por medio de ejemplo, con referencia a las figuras que la acompañan, en las cuales: La Figura 1 es una representación esquemática y simplificada en gran medida de un variador adecuado para uso en la implementación de la presente invención; La Figura 2 es una representación esquemática de una
CVT adecuada para uso en la implementación de la presente invención; y La Figura 3 es una representación esquemática de un arreglo de control que incluye la presente invención. La Figura 1 representa un variador del tipo bien conocido de tracción de rodamiento de anillo de rodadura toroidal . La presente invención ha sido desarrollada en conexión con una CVT que utiliza este tipo de variador, el cual es particularmente bien adecuado para el propósito, aunque en principio, pudieran ser utilizados variadores de otros tipos. El variador 10 comprende los anillos de rodadura de entrada y salida montados en posición coaxial 12, 14, las caras adyacentes 6, 8 de las cuales son rebajadas en forma semi-toroidal y juntas definen una cavidad generalmente toroidal 16 que contiene una parte movible de transferencia de torque en la forma de un rodillo 18. De hecho, un variador práctico normalmente tiene dos o tres de estos rodillos separados alrededor de la cavidad 16 en intervalos circunferenciales. Cada rodillo 18 corre sobre las caras 6, 8 de los respectivos anillos de rodadura 12, 14 y de este modo, sirve para transmitir la impulsión de un anillo al otro. El rodillo 18 es capaz de moverse hacia atrás y hacia adelante, es decir en forma oscilante, a lo largo de la dirección circunferencial alrededor del eje- común 20 de los anillos de
rodadura 12 , 14 . También es capaz de realizar un movimiento de precesión. Es decir, el eje del rodillo es capaz de girar, cambiar la inclinación del eje del rodillo hacia el eje del disco. En el ejemplo ilustrado, estos movimientos son proporcionados mediante el montaje giratorio del rodillo 18 en un portador 22 que es acoplado con un vástago 24 con un pistón 26 de un actuador 28 . La línea 19 del centro del pistón 26 al centro del rodillo 18 constituye un eje de precesión alrededor del cual puede girar la totalidad del montaje. El movimiento de precesión del rodillo origina cambios de los radios de las trayectorias trazadas sobre los anillos de rodadura 12 , 14 por el rodillo, y por lo tanto, en el cambio de la relación de transmisión del variador. Se observa que en este ejemplo, el eje del precesión 19 no se sitúa con precisión en un plano perpendicular al eje común 20 , sino que en su lugar es inclinado a este plano. El ángulo de inclinación es etiquetado o marcado como CA en la figura y es conocido como "ángulo de arrastre" . A medida que el rodillo se mueve hacia atrás y hacia adelante, éste sigue una trayectoria circular centrada sobre el eje común 20 . Además, el movimiento de los anillos de rodadura 12 , 14 sobre el rodillo crea un momento de dirección que tiende a mantenerlo en esta inclinación en la que el eje de rodillo intercepta el eje común 20 . Esta intercepción de los ejes puede ser mantenida, a pesar del movimiento del rodillo hacia
atrás y hacia adelante a lo largo de su trayectoria circular, en virtud del ángulo de arrastre. A medida que el rodillo se mueve a lo largo de su trayectoria, también es dirigido por el movimiento de los anillos de rodadura, provocando que realice el movimiento de precesión para mantener la intersección de los ejes. El resultado es que la posición del rodillo a lo largo de su trayectoria corresponde con una cierta inclinación de rodillo, y por lo tanto, con una cierta relación de transmisión de variador. El actuador 28 recibe presiones opuestas del fluido hidráulico a través de las lineas 3 0 , 32 . De esta manera, la fuerza creada por el actuador 28 empuja el rodillo a lo largo de su trayectoria circular alrededor del eje común 20 , y en equilibrio es balanceado por las fuerzas ejercidas sobre el rodillo por los anillos de rodadura 12 , 14 . La 'fuerza ejercida por los anillos de rodadura es proporcional a la suma de los torques que son aplicados en forma externa a los anillos de rodadura del variador. Esta suma, el torque de entrada del variador más el torque de salida del variador, es el torque neto que tiene que ser reaccionado con los montajes del variador y es referido como el torque de reacción. A continuación, observando en la Figura 2 , un motor es representado por el bloque ENG, el variador por un círculo V y un engranaje epicíclico de derivación por el bloque E. La entrada del variador es acoplada con el motor a través del
engranaje Rl, R2. Su salida es acoplada con un primer eje de entrada Si del engranaje epiciclico de derivación E. Un segundo eje de entrada S2 del engranaje epiciclico de derivación E es acoplado a través de un engranaje de relación fija Rl, R3 con el motor. La salida de eje S3 del engranaje epiciclico de derivación E es acoplada a través del engranaje R4 con el punto de uso de potencia, en este caso, las ruedas W de un vehículo motor. La operación y construcción del engranaje epiciclico es bien conocida. La velocidad del eje de salida S3 puede ser expresada como una función de las velocidades de los ejes de entrada Si, S2. En alguna relación de transmisión de variador, las velocidades de SI y S2 se anulan entre sí y la velocidad de salida en S3 es de cero cualquiera que sea la velocidad del motor. Esta es la condición de "neutral de engranaje" referida con anterioridad. Las relaciones de impulsión del variador en un lado del neutral de engranaje producen la rotación de salida S3 en una dirección y las relaciones de impulsión del variador en el otro lado del neutral de engranaje producen la rotación de salida S3 en la dirección opuesta. Por lo tanto, mediante el ajuste de la relación de impulsión del variador es posible el movimiento de la transmisión hacia adelante a través del neutral de engranaje hacia la reversa. A continuación, el arreglo de control que incluye la
presente invención será descrito con referencia a la Figura 3, en el cual el actuador de control y el pistón del variador son una vez más marcados como 28 y 26, de manera respectiva. El arreglo sirve para controlar las presiones hidráulicas aplicadas al actuador, el cual a su vez controla la relación de variador. Una parte de control de relación operativa de usuario se observa en 50 en la figura. La parte de control de relación es acoplada en forma operativa con los rodillos del variador. El usuario mueve esta parte para controlar la relación adoptada por el variador y por lo tanto, mediante la transmisión como un conjunto. La relación de variador es una función de la posición de la parte de control de relación. La parte de control de relación puede moverse a través de un intervalo continuo, indicado por las flechas en la figura, a partir de una posición máxima de relación hacia adelante a través de una posición neutral de engranaje hacia una posición máxima de relación de reversa. El intervalo de las relaciones hacia adelante y en reversa normalmente será diferente, haciendo más altas las velocidades de salida disponibles hacia adelante que en reversa. La parte de control de relación se encuentra formada en esta modalidad por una palanca manual. Esta podría ser alternativamente un pedal. Los mecanismos de pedal son conocidos, en los cuales el conductor que utiliza tanto la yema del dedo como el talón
del pie, puede mover el pedal hacia cualquier lado de la posición neutral. Estos serian bien adecuados en este contexto, aunque una alternativa sería proporcionar al conductor dos pedales, uno para la impulsión o transmisión de movimiento hacia adelante y otro para la reversa. El dispositivo utilizado para acoplar en forma operativa la parte de control de relación con los rodillos del variador se observa en la figura y es un dispositivo hidro-mecánico . Para resumir en pocas palabras sus componentes principales, éste utiliza un arreglo de comparador 52 que recibe y coteja (a) la posición de la parte de control de relación y (b) la posición de los rodillos del variador, y en respuesta, modula la fuerza para mover los rodillos hacia la posición impuesta por el usuario a través de la parte de control de relación. Esta fuerza es proporcionada a través de un arreglo de control de presión hidráulica 54 que suministra presión de fluido al actuador 28 . El dispositivo también sirve para aplicar una fuerza de retroalimentación indicativa del torque del variador a la parte de control de relación, a fin de proporcionar al usuario la información acerca del torque. Esto es efectuado través de un arreglo de retroalimentación de fuerza 56 . El usuario es proporcionado con un control de liberación de torque 58 , el cual cuando actúa a través de un dispositivo de liberación de torque 60 , sirve para desacoplar en forma
operativa la parte de control de relación 50 del variador y para colocar en cero el torque de reacción del variador, con lo cual se proporciona la funcionalidad que es en algún modo similar a la proporcionada por un embrague en una transmisión convencional manual . A continuación, estos aspectos serán descritos en mayor detalle, comenzando con el arreglo de comparador 52 . En la presente modalidad, el comparador utiliza un sistema de palancas mecánicas. La palanca que forma la parte de control de relación 50 es girada alrededor de un punto de apoyo fijo 62 y se extiende más allá del punto de apoyo hasta una articulación giratoria con una parte de unión 64 , la cual a su vez tiene una primera articulación giratoria de comparador 65 con una barra de comparador 66 . Por lo tanto, el movimiento de la parte de control de relación 50 desplaza la primera articulación de comparador 65 de la barra de comparador . El pistón 26 en la presente modalidad es acoplado con la barra de comparador a través de una articulación de cable 68 y un dispositivo de torque de retroalimentación 70 (la función del dispositivo de torque de retroalimentación 70 será descrita más adelante) . El dispositivo de torque de retroalimentación es acoplado en forma giratoria con la barra de comparador 66 a través de una segunda articulación de comparador 72 . Por lo tanto, la posición de la segunda
articulación de comparador corresponde con la posición del rodillo de variador, y de este modo, con la relación de variador . Entre la primera y segunda articulaciones de comparador 65, 72, la barra de comparador 66 tiene una articulación de referencia 74 con una barra de control de válvula 76 que conduce a su vez hacia la válvula de control de presión 78. El efecto del arreglo de palanca es establecer el estado de la válvula de control de presión 78 en base de la comparación de la relación de variador contra la posición de la parte de control de relación 50. La válvula de control de presión 78 forma parte del arreglo de control de presión 54. Esta tiene un puerto que recibe el fluido presurizado a través de la línea de fluido 80 que proviene de una bomba 82. La bomba 82 extrae del colector 84 y es proporcionada con una válvula de liberación de presión 86. La válvula de control de presión tiene puertos que se comunican con dos líneas de suministro SI, S2 situadas para alimentar el fluido, de manera respectiva, a los lados opuestos del pistón de variador 26. La presión en Si empuja el pistón 26 en una dirección. La presión en S2 lo empuja en la otra dirección. La válvula de control de precios 78 es una válvula proporcional con tres estados. En un estado, aplica un fluido presurizado que proviene de la bomba a SI . En otro
estado, aplica el fluido de bomba a S2. En el tercer estado, es decir el estado intermedio, aisla SI y S2 de la presión de la bomba. Si se considera lo que sucede cuando el usuario mueva la parte de control de relación 50, el sistema ha estado en un estado de equilibrio. Esto produce un desajuste entre la posición de la parte de control y la relación de variador. La primera articulación de comparador 65 es movida. En este ejemplo, tomaremos el movimiento hacia la izquierda como es observado. La articulación de referencia 74 es movida de esta manera hacia la izquierda, provocando que la válvula de control de presión adopte su segundo estado, es decir, la aplicación de la presión de la bomba a S2 y la ventilación de SI hacia el colector. La presión resultante en el pistón 26 lo empuja hacia la izquierda como se observa, moviendo el pistón y cambiando la relación del variador. Este movimiento es transmitido a través de la articulación de cable 68 , moviendo la segunda articulación de comparador hacia la derecha. Cuando este movimiento hacia la derecha de la segunda articulación de comparador es suficiente para anular el movimiento hacia la izquierda de la primera articulación de comparador, la válvula de control de presión 78 regresa a su tercera posición para mantener la presión y la posición del pistón. Este es en efecto un servo sistema que controla la
posición del rodillo utilizando el accionamiento hidráulico y la retroalimentación de posición mecánica. En principio, el usuario es capaz de demandar cualquier relación en cualquier momento, y esto puede crear dificultades. Un cambio muy rápido en la relación demandada podría originar por ejemplo, un torque excesivo de la rueda. El sistema ha sido desarrollado en conexión con vehículos agrícolas que tienen bajas relaciones de transmisión y altos torques del motor, y en este contexto, es totalmente posible a través de una entrada negligente de usuario provocar que el vehículo se deslice sobre dos ruedas, con sus ruedas de dirección en el aire. A fin de proporcionar al usuario información acerca de los torques que están siendo creados en la transmisión, el arreglo de retroalimentación de fuerza 56 aplica a la parte de control de relación operativa de usuario una fuerza que corresponda con el torque. Como muestra la Figura 3 , el arreglo de retroalimentación de fuerza comprende un arreglo de doble accionamiento de un pistón 88 y un cilindro 90 . En los lados opuestos del pistón son aplicadas presiones tomadas directamente de las respectivas líneas de suministro SI , S2. Con lo cual, la fuerza aplicada a la parte de control de relación es proporcional de esta manera con la fuerza aplicada a los rodillos del variador por el pistón de variador 2 6 , aunque mediante la elección adecuada de las áreas del pistón se garantiza que la anterior sea más pequeña
que la última. Como se explicó con anterioridad, la fuerza sobre los rodillos de variador es proporcional al torque de reacción del variador de modo que el usuario experimente una fuerza de retroalimentación que es directamente relacionada con el torque de reacción. A continuación, con referencia al control de liberación de torque 58 , éste podría ser por ejemplo, una palanca manual o un pedal de pie. Mediante el uso del control 58 , el conductor es capaz de ajustar en cero la fuerza aplicada a los rodillos de variador. De este modo, el torque de reacción del variador es del mismo modo ajustado en cero, y el variador es incapaz de sostener un torque de salida para impulsar las ruedas del vehículo. El efecto es semejante al desembrague en una transmisión convencional manual, porque evita que la transmisión aplique un torque a las ruedas del vehículo, aunque es conseguido sin ningún desacoplamiento físico del motor de las ruedas. En su lugar, éste depende del desacoplamiento en forma operativa de los rodillos de variador de la parte de control de relación 50 . La parte de control de liberación de torque 58 actúa en base al dispositivo de liberación de torque 60 formado en esta modalidad como una válvula de liberación de torque que conduce de una línea de suministro de fluido Si a la otra S2 . Cuando es abierta, la válvula proporciona una ruta para igualar la presión de las líneas de suministro. Con poca o
ninguna diferencia de presión a través del pistón, ninguna fuerza significante es aplicada a los rodillos de variador y de este modo, ningún torque significante de reacción puede ser sostenido. El cierre de la válvula de liberación de torque 60 restaura el torque de reacción. La válvula 60 es una válvula proporcional, de modo que el usuario pueda ajustar su grado de abertura. El control de liberación de torque puede ser utilizado en forma análoga con el tipo de dispositivo de puesta en marcha descrito con anterioridad. Mediante un primer ajuste a la parte de control de relación 50 en la demanda de la transmisión hacia adelante o en reversa y posteriormente, el cierre de manera progresiva de la válvula de liberación de torque 60 para poner la relación en un modo controlado al valor demandado, provocando que el vehículo acelere de la posición de reposo. El control de liberación de torque puede ser utilizado para "avanzar o retroceder poco" en forma suave el vehículo hacia la posición deseada como cuando se estaciona. En este caso, el control sirve para limitar el torque de la rueda, una vez más, en un modo mucho muy semejante al embrague convencional. El control de liberación de torque también puede ser utilizado para liberar cualquier torque de movimiento lento o pérdida de relación, por ejemplo, cuando el vehículo sea estacionado con el motor en marcha. Sin embargo, se observa que el usuario también
puede controlar la transmisión sin el uso de este control. Por ejemplo, el usuario puede "moverse en vaivén" hacia adelante y en reversa y viceversa utilizando sólo la parte de control de relación 50. El dispositivo de torque de retroalimentación 70 ya ha sido descrito. Este sirve para modificar la relación de variador en base al torque de reacción. Este comprende un cilindro 91 que puede moverse mediante la articulación de cable 68 y que contiene un pistón 92 conectado a través de una parte de unión 94 con la segunda articulación de comparador 72. Dentro del cilindro 91 se encuentran resortes en cualquier lado del pistón 92, que lo desvían hacia una cierta posición. Las fuerzas aplicadas en el pistón para controlar la válvula de control de presión 78 no son grandes, y los resortes son lo suficientemente rígidos de manera que poco si es que ningún movimiento del pistón 92 en su cilindro es creado por estas fuerzas. Sin embargo, el pistón también es sometido, por medio de la válvula de desconexión 96, a las presiones S1/S2. El resultado es que un torque suficiente de reacción, y de manera correspondiente, una diferencia suficiente en las presiones SI y S2, provoca que el pistón se mueva contra los resortes, cambiando la longitud efectiva de la articulación del cable 68 en la barra de comparador 66. El efecto es la modificación de la relación de variador en un modo que reduzca el torque de reacción, proporcionando al
sistema alguna conformidad y protección contra el torque excesivo. La válvula de desconexión elimina esta facilidad aislando el dispositivo de torque de retroalimentacion de las presiones S1/S2, cuando no sea requerido. Los elementos 98 y 100 en la Figura 3 son amortiguadores hidráulicos. Su función es amortiguar el comportamiento oscilatorio no deseado del variador al proporcionar alguna resistencia a la entrada/salida de flujo del pistón 28. El elemento 102 es una válvula de entrecruzamiento que es utilizada para invertir las presiones aplicadas al variador a partir de las condiciones de exceso de velocidad. La modalidad descrita con anterioridad sirve sólo como un ejemplo de la implementación posible de la presente invención. Numerosas otras formas de poner en práctica la invención son posibles. Como un ejemplo, el arreglo de palanca utilizado para comparar la posición del rodillo y la relación demandada podría ser sustituido por un tipo conocido de válvula en el cual el carrete y el manguito pueden ser movidos por los rodillos y por la parte de control de relación . Se hace constar que con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.