DISPOSITIVO DE FRENO REGENERATIVO NEUMATICO
OBJETO DE LA INVENCION:
La presente invention afecta al sector de la automocion y mas concretamente al campo del ciclismo y se refiere a un dispositivo de frenado que es capaz de almacenar la energla cinetica absorbida durante el proceso de frenado de la bicicleta, mediante compresion de aire ambiente y su almacenado como aire comprimido, para despues ser devuelta esta energla como ayuda al pedaleo cuando el ciclista desea ayuda supletoria a su esfuerzo muscular, bien para vencer una mayor resistencia al avance o por un incremento de velocidad o ambos a la vez.
Cuando el ciclista aprieta la maneta de frenado para disminuir su velocidad, un compresor radial de paletas es movido por la rueda de la bicicleta a traves de un multiplicador de engranajes comprimiendo el aire ambiente y conduciendolo a traves de una electrovalvula a un deposito de aire a presion que es solidario con el buje de la rueda de la bicicleta. Cuando el ciclista no precisa frenar, la rueda es movida exclusivamente con la energla muscular del ciclista. Por contra, cuando el ciclista necesita ayuda a su pedaleo, aprieta otra maneta, que podemos denominar aceleradora, que pilota la electrovalvula anterior en sentido opuesto, comunicando ahora el aire comprimido del deposito con la entrada del compresor de forma que este aire presurizado mueve al mismo compresor en el mismo sentido que antes, haciendo ahora las funciones de motor y mediante el sistema de engranajes planetario haciendo ahora de reductor y por tanto aumentando el par del giro sobre el buje de la rueda motriz.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION:
Durante los ultimos tiempos, debido a una mayor concienciacion para no derrochar la energla, ya que supone un mayor consumo de combustibles fosiles y por ende una mayor contamination y degradation del planeta, se ha tratado de la regeneration de energla en todos los ambitos, incluido en el campo de la automocion. Se menciona como ejemplo en este campo de la automocion, el desarrollo y utilization del KERS (Kinetic Energy Regenerative System) en el deporte de automoviles de competition. Esta utilizacion de la
energla generada en la frenada esta siendo, con mayor razon, utilizada en vehlculos no autopropulsados cuyo movimiento es debido al esfuerzo muscular de las personas. Se esta investigando e innovando en nuevos sistemas de frenado regenerativo en bicicletas cuya energla desarrollada durante el frenado se utiliza para generar energla electrica que se almacena en baterlas para ser utilizada cuando el ciclista necesita una ayuda suplementaria a su pedaleo, mediante motores electricos, siendo conocidas este tipo de bicicletas como e-bikes. Hay mucha information y patentes en cuanto al estado actual, de tecnicas diferentes para este tipo de regeneration electrica en bicicletas, y que no se pormenorizan en este documento ya no afectan a la invention aqul presentada.
No obstante no se ha encontrado en el estado actual de la tecnica ningun dispositivo que convierta la energla desarrollada durante el frenado de la bicicleta en aire comprimido, para ser posteriormente utilizado en mover un motor neumatico que ayude al pedaleo del ciclista.
Se presenta en esta invencion un dispositivo que utiliza esta idea de regeneracion de la energla desarrollada en la frenada, en la compresion del aire ambiental y su almacenamiento una vez comprimido en un deposito, para que al ser necesaria para superar una mayor resistencia al avance de la bicicleta o un incremento de la velocidad, o ambos a la vez, se expanda el aire comprimido almacenado, en el propio compresor para que ahora haga las funciones de motor neumatico, ayudando as! a incrementar el par producido por el pedaleo del ciclista.
Teniendo en cuenta que la bicicleta no es una maquina autopropulsada, sino que debe ser movida con esfuerzo muscular del ciclista, es de vital importancia el menor incremento posible en el peso de la maquina, por lo que todos los elementos constructivos deben ser realizados en materiales de poco peso especlfico, a ser posible sinteticos o aleaciones metalicas ligeras.
Algunas de las ventajas tecnicas que aporta esta invencion se mencionan a continuation:
Una ventaja tecnica importante anadida que presenta la invencion aqul redactada frente a la regeneracion de la frenada produciendo energla electrica, que se emplea en las e- bikes, es que la acumulacion de energla electrica necesita de baterlas siendo estas de alto peso especlfico, as! como lo es tambien el cobre utilizado en los bobinados de los motores electricos. En la invencion que aqul se presenta la acumulacion de aire comprimido puede realizarse en deposito realizado en material sintetico de bajo peso
especlfico y alta resistencia mecanica, y tampoco es necesario disponer de motor electrico para generar un par motor adicional al de pedaleo.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invencion queda establecida y caracterizada en las reivindicaciones independientes, mientras que las reivindicaciones dependientes describen otras caracterlsticas de la misma.
La presente invencion se refiere a un dispositivo de freno regenerativo neumatico para ayuda al pedaleo de los ciclistas. El dispositivo en cuestion se basa en un sistema recuperador de la energla mediante aire comprimido que se acumula durante el frenado de la bicicleta en un deposito sintetico (2) que circunda externamente al buje de la rueda motriz de la bicicleta. Cuando el ciclista aprieta la maneta de frenado, el circuito hidraulico de frenos frena progresivamente un disco de freno (6) que es solidario con el eje portasatelites (24) de un tren epicicloidal simple que esta ubicado en un lateral dentro del buje (23) de la rueda motriz. El eje del planeta (14) del tren de engranajes es solidario con el eje del rotor del compresor radial de paletas (20). Al frenar el citado disco (6) y por tanto al eje portasatelites (24) , se produce una multiplication de la rotation del planeta (14) cuyo eje es solidario con el eje del compresor, con respecto a la rotacion de la rueda, que es solidaria con la corona (15) del tren planetario, pero en sentido inverso a la rotacion de la rueda motriz de la bicicleta. A la vez que se aprieta la maneta de frenado, el sistema electrico alimentado con una baterla ubicada en el recipiente cillndrico de la carcasa (7) , pilota una electrovalvula (16) de cuatro vlas y tres posiciones, conectando la salida del aire comprimido del compresor, con el deposito (2) sintetico que rodea el exterior del buje (23). Cuando se precisa de una frenada muy energica, el ciclista aprieta al maximo la maneta de frenado presurizando mas el aceite del circuito de frenos y en este caso ademas de parar el disco (6) solidario al eje portasatelites (24) , se activa una valvula limitadora de presion que deja paso de aceite hacia el bombln (10) que realiza un frenado convencional sobre el disco (5). En este caso se paraliza la rueda motriz y por tanto la corona (15) y el portasatelites (24) dejando de funcionar tambien el compresor de aire (20). La rueda motriz de la bicicleta quedarla bloqueada por ser solidaria con la corona (15) del tren planetario que ha sido detenida con el disco de freno (5).
Cuando el ciclista precisa ayuda a su pedaleo para vencer una mayor resistencia al avance o para aumentar la velocidad de la bicicleta, activa otra maneta distinta o acelerador, que al igual que antes el circuito hidraulico frena el disco (6) que ralentiza el eje portasatelites (24) de forma que cuanto mayor sea este frenado mayor sera la multiplication de la rueda planeta (14) solidaria con el eje del compresor, alcanzandose cuando se paraliza dicho eje portasatelites la rotation maxima del planeta y por tanto del compresor (20) y en sentido inverso al giro de la rueda. Simultaneamente, al activar esta maneta o acelerador, la electrovalvula (16) se pilota en sentido contrario, de forma que ahora conecta el deposito (2) de aire presurizado con la salida del aire del compresor (20). En este caso el gradiente de presiones hace que el aire salga del deposito (2) y entre al compresor (20) expansionandose y haciendo girar el rotor de paletas ejerciendo ahora las funciones de motor neumatico. Este, que es solidario al eje del planeta (14) y a traves del engrane con los satelites (13) hace mover la corona (15) solidario al buje (23) y por tanto a la rueda motriz en el mismo sentido de giro que antes, pero con una rotacion inferior al del planeta (14) por lo que se produce un par de empuje superior al par del motor de paletas.
En el caso de que el ciclista presione simultaneamente la maneta de frenado y la maneta de aceleracion el conmutador electrico (22) quedarla sin activarse y por tanto la electrovalvula no tendrla pilotaje quedando en position de centros cerrados y no realizando ninguna de las dos funciones de frenado ni de acelerador.
Un dispositivo de freno regenerativo neumatico segun la invention comprende un compresor neumatico (20) de paletas radiales (21) que es movido por la rueda motriz de la bicicleta a traves de un sistema de engranajes planetarios que multiplica su rotacion en funcion de las exigencias de frenado impuestas por el ciclista, de forma tal que el compresor comprime el aire ambiente y lo conduce a traves de una electrovalvula (16) a un deposito de aire comprimido (2) que circunda el buje (23) de la rueda, donde es almacenado para su posterior descarga y ayuda al pedaleo a voluntad del ciclista. Cuando el ciclista necesita de la energla neumatica almacenada, para superar una mayor resistencia al avance o incrementar la velocidad, o ambos, el ciclista cambia el pilotaje de la electrovalvula (16) mediante el conmutador electrico (22) , y el aire comprimido es conducido en sentido inverso desde el deposito (2) a traves de electrovalvula (16) hasta el compresor de paletas (20) donde este aire es expandido haciendo ahora girar al rotor de paletas (21) en el mismo sentido que antes y por tanto haciendo ahora la funcion de motor neumatico, cuyo eje es solidario con la rueda planeta (14) que a traves de los
satelites (13) del mismo tren planetario, mueve de forma mas lenta a la rueda corona (15) solidaria al buje de la rueda (23) , incrementado asi el par motor que se entrega a la rueda motriz como ayuda al pedaleo. El conmutador electrico (22) es activado en un sentido al presurizar el fluido hidraulico desde la maneta de freno, o activado en el sentido opuesto, al presurizar el fluido hidraulico con la maneta de acelerador.
El propio dispositivo de freno regenerativo neumatico segun la invencion puede ser empleado en otro tipo de vehiculo no autopropulsado distinto a la bicicleta, en el que la ayuda sea al pedaleo; o a otro tipo de mecanismo de accionamiento muscular.
Asimismo, la energia neumatica almacenada por medio del dispositivo de freno regenerativo neumatico segun la invencion, tambien puede ser para ayudar al motor de cualquier otro tipo de vehiculo autopropulsado.
El circuito de presion de aire tiene una valvula limitadora de presion de tarado variable en funcion de las caracteristicas resistentes del deposito (2) y del compresor de paletas (20) de forma que se evite poner en riego de rotura estos elementos o sus conductos por presion excesiva.
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Se complementa la presente memoria descriptiva con un conjunto de figuras, ilustrativas del ejemplo preferente y nunca limitativo de la invencion.
La figura 1 representa una vista en perspectiva del dispositivo de frenado regenerativo ubicado en uno de los laterales de la rueda motriz. Puede observarse en ella la ubicacion de ambos discos de freno mencionados, para la frenada normal regenerativa con el disco (6) y para la frenada energica o de emergencia que no es regenerativa con el disco (5) , asi como la ubicacion del deposito sintetico (2) con forma de lenteja, circundando el buje de la rueda motriz, en el hueco central dejado por los radios que unen ambos laterales del buje con la llanta de la rueda motriz.
La figura 2 muestra una vista en alzado de la rueda motriz donde se muestra la carcasa metalica donde se ubica el recipiente cilmdrico hueco (7) para ubicacion de la bateria, formando un mismo cuerpo con los conductos de entrada del fluido hidraulico (8) a los bombines de los frenos que presionan las zapatas del freno de disco interior regenerativo (6) y del disco exterior no regenerativo (5).
La figura 3 muestra una vista de perfil o de uno de los lados de la vista anterior mostrado en la figura 2 en la que se puede apreciar que ambos discos de frenado se encuentran en un mismo plano y que en el otro extremo del eje soporte de la bicicleta se encuentra el nucleo ranurado (3) donde se ubica el casete de pinones para la transmision mediante cadena de eslabones desde las ruedas catalinas fijas a los pedales y eje pedalier de la bicicleta, no dibujados en la figura.
La figura 4 muestra en detalle en perspectiva el cuerpo de la carcasa metalica donde se ubica el recipiente de la baterla (7) , los bombines (9) y (10) de frenado de ambos frenos de disco asl como las conexiones tubulares (8) de entrada del aceite a los bombines (9) y (10) y las fijaciones rasgadas (11) para su amarre atornillado al chasis de la bicicleta.
La figura 5 muestra una vista lateral de la figura 4.
La figura 6 muestra la vista lateral opuesta de la figura 5 relativa al cuerpo de carcasa de la figura (4).
La figura 7 muestra una vista frontal de la carcasa (7) con dos secciones longitudinales a saber: la seccion K-K para visualizar el circuito hidraulico que actua sobre los bombines de los frenos y la seccion L-L para visualizar el conmutador electrico (22) que pilota por ambos lados a la electrovalvula (16) cuyo esquema y ubicacion se aprecia en las figuras (13) , (14) y (16).
La figura 8 muestra una vista en perspectiva del conjunto carcasa (7) que se atornilla al chasis de la bicicleta por un lado, los elementos que giran sobre el eje (18) de la rueda motriz, como son los discos de frenado (5) y (6) y el buje de la rueda solidario al nucleo ranurado (3) donde se ubican el casete de pinones de la transmision por cadena.
La figura 9 muestra una vista lateral de la figura 8
La figura 10 muestra una vista en planta de la figura 8
La figura 11 muestra el cuerpo del buje (23) con una seccion transversal B-B para visualizar el tren planetario de engranajes con la corona (15) , los satelites (13) y el planeta (14).
La figura 12 es una vista lateral de la figura 11 donde podemos apreciar en su parte anterior el orificio (19) de entrada de aire atmosferico al compresor y en la parte posterior el disco de freno no regenerativo (5) todo ello apoyado sobre el eje de rueda (18).
La figura 13 muestra la vista lateral opuesta a la figura 12 de la figura 11 en la que podemos apreciar ambos discos (5) y (6) y una seccion transversal E-E donde apreciar que ambos discos (5) y (6) son coplanares, el compresor (20) y la electrovalvula (16) asl como los rodamientos y apoyo al eje de rueda (18).
La figura 14 muestra el cuerpo del buje de rueda con dos secciones transversales al eje de rueda (18) como son la seccion D-D para visualizar el tren de engranajes planetarios interno al buje, la seccion F-F tambien transversal al eje de rueda para visualizar el compresor de aire, con el colector helicoidal del aire comprimido (17) y la posicion de la electrovalvula (16) , y otra seccion G-G longitudinal al eje de rueda (18) donde se aprecian las tres zonas del buje, zona de frenado, zona de transmision por tren planetario y zona de compresion de aire, apoyado por cojinetes sobre el eje de rueda (18).
La figura 15, muestra un explosionado del montaje de los componentes de los mecanismos ubicados en el interior del buje, como ayuda a su comprension, dada la complejidad del dispositivo, y haciendo una ampliacion sobre los componentes del compresor de aire.
La figura 16 muestra el esquema combinado de control electro-hidro-neumatico explicando la logica de funcionamiento de cuando el dispositivo hace las funciones de frenado regenerativo, de frenado no regenerativo y cuando el dispositivo hace de acelerador entregando la energla almacenada en el deposito al compresor para que haga las funciones de motor.
MODO DE REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
A la vista de lo anteriormente enunciado, la patente de invencion se refiere a un dispositivo de frenado regenerativo neumatico para ayuda al pedaleo que comprende:
a) Un buje hueco (23) donde se ubica un tren de engranajes planetarios de tipo satelite simple, que comprende una rueda planetaria (14) que engrana con un conjunto de tres satelites simples (13) de eje comun llamado portasatelites (24) y estos a su vez con una corona (15) de dentado interior que esta solidaria al buje de la rueda motriz de la bicicleta.
b) un deposito sintetico 2 con forma de lenteja que circunda al buje (23) por la parte exterior, dentro del volumen interior entre los radios (4) de un lado y otro que unen la llanta 1 con el buje de la rueda motriz (23).
c) Dos discos de freno coaxiales (5) , (6) uno de los cuales (6) sirve para el frenado regenerativo y que esta solidario al eje portasatelites (24) y el otro disco (5) de frenado convencional no regenerativo que es solidario al buje de la rueda motriz (23).
d) Un compresor (20) neumatico de paletas radiales (21) ubicado en el interior del buje cillndrico hueco (23) cuyo estator esta fijado al buje (23) y cuyo eje del compresor neumatico esta unido al eje de la rueda planetaria (14) del tren de engranajes anexo.
e) Una electrovalvula (16) de cuatro vlas/tres posiciones, con pilotaje electrico y retorno por muelle, sita en la parte exterior del buje (23) y que une los conductos neumaticos entre compresor y deposito de aire comprimido (2).
f) Una baterla cillndrica que se ubica dentro del cilindro hueco de la carcasa (7) que se encarga de pilotar la electrovalvula (16) en funcion del movimiento del conmutador electrico (22) accionado por la presion hidraulica provocada por la maneta de freno (25) o por la maneta del acelerador (26).
g) Una valvula limitadora de presion del circuito neumatico cuyo tarado permite regular la presurizacion maxima del aire en el deposito (2) y salvaguardar los elementos del circuito neumatico y del compresor (20).
h) Una valvula limitadora de presion hidraulica cuyo tarado permite que el fluido hidraulico pase al bombln que produce un frenado no generativo mediante la paralizacion del disco (5).
El compresor de aire (20) puede ser de otro tipo distinto al de tipo de paletas radiales (21) indicado como construction preferente.
Asimismo, la electrovalvula (16) puede ser otro tipo de valvula distribuidora con pilotaje distinto al electrico, como manual, oleohidraulico, neumatico o por radiofrecuencia.
