Effect of independently controlled clamping loads on Toroidal type Continuously Variable Transmissions considering the influence of contact scale and spinning

Abstract

To increase the energy efficiency of a system, Continuously Variable Transmissions (CVTs) enable to steadily adapt its transmission ratio in a smooth manner. Among the different existing mechanisms, Toroidal type CVTs (T-CVTs) consist of input and output discs conforming a toroidal-shaped cavity with rollers positioned in between where torque transmission occurs across two contact points: one, between the input disc and the rollers, and the other one, between the rollers and the output disc. For effective power transmission through these contact points, high normal loads are required to increase lubricated traction and to this aim, clamping devices are employed. Despite the differences in geometry and kinematic behaviour of each point, historically both contacts have been subject to equal loads; thus, differences may be expected when loads are adapted to local conditions. Therefore, the main objective of this thesis is to predict and evaluate the efficiency of T-CVTs by independently controlling the clamping loads at the input and the output contact points. In these transmissions requiring high traction, the occurrence of large-scale interfaces and spinning motion tends to decrease traction. However, the combined impact of these phenomena has not been thoroughly studied. That is why a semi-analytical model to predict traction coefficient at the disc-roller contact points was developed. Results reveal that the traction coefficient increases under low-scale and low-spin velocities, which depicts a favourable scenario for torque transmission. Moreover, a global analytical model to predict traction equilibrium and efficiency of full T-CVTs has been developed, considering independently controlled clamping loads at each contact point. Results indicate that the efficiency of this transmission decreases under, both, low and high longitudinal sliding conditions. Indeed, clamping loads influence the longitudinal sliding in the contact points while it has been observed that each point behaves differently due to scale effects. Finally, a T-CVT prototype was designed to validate the proposed models and to measure experimentally the efficiency and longitudinal sliding under variable working conditions; achieving very similar trends to those obtained by previous analytical models. The main innovation of the prototype involves independent control of the input and the output clamping loads. In this way, under low torque conditions, the lowest tested clamping load achieved the highest efficiency, albeit with a lower maximum transmissible torque. Experimental measurements reveal that the input clamping load affects the efficiency of the output point. In other words, overclamping the input point, increases power losses, reducing the energy reaching to the output point. Finally, it is concluded that the transmission efficiency experiences an improvement when the clamping forces are independently controlled in contrast with current equal clamping force control methods.

Sistema baten efizientzia energetikoa handitzeko, transmisio aldakor jarraiek (CVT) beren transmisio erlazioa etengabe leuntasunez egokitzea ahalbidetzen dute. Dauden mekanismoen artean, toroidal motako CVTak (T-CVT) sarrerako eta irteerako diskoek, eta horien artean sortzen den barrunbe toroidalean dauden arrabolek osatzen dute, non momentuaren transmisioa bi ukitze punturen bidez gertatzen den: bata, sarrerako diskoaren eta arrabolen artekoa, eta bestea, arrabolen eta irteerako diskoaren artekoa. Ukitze puntuetan potentziaren transmisioa eraginkorra izan dadin indar normal altuak behar dira lubrifikatutako trakzioa (marruskadura) handitzeko, horretarako estutze gailuak erabiltzen dira. Puntu bakoitzaren geometrian eta portaera zinematikoan ezberdintasunak egon arren, gaur arte bi ukitze puntuetan indar normal berdina kontsideratu izan ohi da; nolanahi dela ere, desberdintasunak espero daitezke kargak baldintza lokaletara egokitzen direnean. Beraz, tesi honen helburu nagusia T-CVTen efizientzia iragarri eta ebaluatzea da, sarrerako eta irteerako ukitze puntuetan esku hartzen duten estutze indarrak modu independentean kontrolatuz. Trakzio handia behar duten transmisio horietan, eskala handiko gainazalek eta spin mugimenduak trakzioa murrizteko joera dute. Hala ere, bi fenomeno horien efektu konbinatua ez da sakon aztertu. Horregatik, eredu erdianalitiko bat garatu da, disko eta arrabolen arteko ukitze puntuetako trakzio koefizientea iragartzeko. Emaitzek erakusten dutenez, trakzio koefizientea kontaktuko tamaina baxutan eta spin abiadura txikian handitzen da, momentua transmititzeko egokia izanik. Gainera, T-CVTen trakzio oreka eta efizientzia aurreikusteko eredu analitiko global bat garatu da, eta ukitze puntu bakoitzeko estutze kargak modu independentean kontrolatu dira. Emaitzek adierazten dute transmisio horren efizientzia murriztu egiten dela, bai irristadura longitudinal baxu, zein altuko baldintzetan; estutze kargek ukitze puntuetako irristaduran eragiten dutelarik. Aldiz, ikusi da puntu bakoitzak modu desberdinean jokatzen duela eskala efektuen ondorioz. Azkenik, T-CVT prototipo bat diseinatu da proposatutako ereduak balioztatzeko eta lan-baldintza ezberdinetan efizientzia eta irristadura longitudinala esperimentalki neurtzeko. Gainera ereduetatik lortutako joera oso antzekoak lortu dira. Prototipoaren berrikuntza nagusia da, sarrerako eta irteerako estutze indarrak modu independentean kontrolatzea. Ikusi da, momentu baxuko baldintzetan, entseatutako estutze karga txikienarekin efizientzia handiena lortu dela, nahiz eta transmititu daitekeen gehieneko momentua txikiagoa izan. Neurketa esperimentalen arabera, sarrerako estutze kargak irteerako puntuaren portaerari eragiten dio. Beste era batera esanda, sarrerako puntuaren gehiegizko estutzeak potentzia galerak areagotzen ditu, irteerako puntura iristen den energia murrizten delarik. Azkenik, ondorioztatu da transmisioaren eraginkortasuna hobetu egiten dela estutze indarrak modu independentean kontrolatzen direnean, estutze indar berdinak kontrolatzeko egungo metodoekin alderatuta.

Para aumentar la eficiencia energética de un sistema, las transmisiones variables continuas (CVT) permiten adaptar constantemente su relación de transmisión de forma suave. Entre los distintos mecanismos existentes, las CVT de tipo toroidal (T-CVT) constan de discos de entrada y salida que conforman una cavidad de forma toroidal donde se sitúan los rodillos, la transmisión de par se produce a través de dos puntos de contacto: uno, entre el disco de entrada y los rodillos, y otro, entre los rodillos y el disco de salida. Para que la transmisión de potencia a través de estos puntos de contacto sea eficaz, se requieren cargas normales elevadas para aumentar la tracción (fricción) lubricada, y para ello se emplean dispositivos de apriete. A pesar de las diferencias en la geometría y el comportamiento cinemático de cada punto, históricamente ambos contactos han estado sometidos a cargas normales iguales, por lo que cabe esperar diferencias cuando las cargas se adaptan a las condiciones locales. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis es predecir y evaluar la eficiencia de las T-CVT controlando de forma independiente las cargas de apriete en los puntos de contacto de entrada y salida. En estas transmisiones donde se requiere una gran fuerza de tracción, la aparición de interfaces a gran escala y el movimiento de spin tienden a disminuir la tracción. Sin embargo, el impacto combinado de estos fenómenos no se ha estudiado a fondo. Por ello, se ha desarrollado un modelo semianalítico para predecir el coeficiente de tracción en los puntos de contacto disco-rodillo. Los resultados revelan que el coeficiente de tracción aumenta a superficies de contacto pequeñas y baja velocidad de spin, lo cual representa un escenario favorable para la transmisión de par. Además, se ha desarrollado un modelo analítico global para predecir el equilibrio de tracción y la eficiencia de las T-CVT, considerando cargas de apriete controladas independientemente en cada punto de contacto. Los resultados indican que la eficiencia de esta transmisión disminuye tanto en condiciones de deslizamiento longitudinal bajo como alto; de hecho, las cargas de apriete influyen en el deslizamiento longitudinal de los puntos de contacto. Asimismo, se ha observado que cada punto se comporta de forma diferente debido a los efectos de escala. Finalmente, se ha diseñado un prototipo de T-CVT para validar los modelos propuestos y medir experimentalmente la eficiencia y el deslizamiento longitudinal bajo diferentes condiciones de trabajo. Consiguiendo tendencias muy similares a las obtenidas por los modelos previos. La principal innovación del prototipo consiste en el control independiente de las cargas de apriete de entrada y de salida. Se ha visto que en condiciones de par bajo, la mayor eficiencia se ha alcanzado mediante la carga de apriete menor ensayada, aunque con un par máximo transmisible inferior. Las mediciones experimentales revelan que la carga de apriete de entrada afecta a la eficiencia del punto de salida. En otras palabras, un apriete excesivo del punto de entrada aumenta las pérdidas de potencia, reduciendo la energía que llega al punto de salida. Finalmente, se concluye que la eficiencia de la transmisión experimenta una mejora cuando las fuerzas de apriete se controlan independientemente, en comparación con los métodos actuales de control de fuerzas de apriete iguales.