DE60133609T2

DE60133609T2 - Hybridantriebseinheit eines Schleppers

Info

Publication number: DE60133609T2
Application number: DE60133609T
Authority: DE
Inventors: Giorgio 38003 Santa Cruz de Tenerife Bordini
Original assignee: CNH Industrial Italia SpA
Current assignee: CNH Industrial Italia SpA
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: ATE392330T1; ITBO20000607A0; EP1199204B1; US6581706B2; EP1199204A1; US20020148659A1; DE60133609D1; ITBO20000607A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinheit für ein selbstfahrendes Fahrzeug.
Aus dem Stand der Technik sind Antriebseinheiten bekannt, bei denen ein Teil der von einem Verbrennungsmotor erzeugten Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, um die Steuerung der letzteren zu verbessern. Diese Einheiten sind jedoch einerseits durch niedrige Betriebsleistungs-Pegel und andererseits durch einen begrenzten Geschwindigkeitsbereich charakterisiert, bei dem die Anordnung mit voller Leistung arbeiten kann.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit zu schaffen, die die von dem Fahrer ausgewählte Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeuges in einer kontinuierlichen Weise erzielen kann. Das Erreichen dieses Zieles ist insbesondere für einen landwirtschaftlichen Traktor oder Ackerschlepper vorteilhaft, bei dem es erforderlich ist, die auf die Räder übertragene Leistung kontinuierlich zu regeln und der nach Wahl des Fahrers auch als ein elektrisches Motorfahrzeug wirken kann.
Es sind verschiedene Systeme in der Technik bekannt, die eine kontinuierliche Änderung der Leistung ermöglichen. Beispielsweise können hydraulische, elektrische oder Dampf-Systeme in vorteilhafter Weise für diesen Zweck verwendet werden. Im Allgemeinen ist es immer dann, wenn die Leistung durch "Fluid"-Einrichtungen übertragen wird, möglich, diese Leistung kontinuierlich zu regeln. Weil es bekannt ist, dass irgendeine Leistung auf Kosten eines Verlustes der Leistung selbst übertragen wird (als Ergebnis der Wirkungsgrade oder der Betriebsleistungspegel, die immer niedriger als ein Faktor von 1 sind, und weil weiterhin der Übergang von einer Art von Leistung (beispielsweise mechanische Leistung) auf eine andere Art (beispielsweise elektrische Leistung) immer auf Kosten des Wirkungsgrades erfolgt, wurde versucht, Lösungen zu erzielen, die, obwohl sie eine feine und kontinuierliche Regelung der Leistung ermöglichen, die Folge haben, dass ein Teil der von dem Verbrennungsmotor erzeugten Leistung rein mechanisch übertragen werden muss (um den höchstmöglichen Wirkungsgrad zu sichern). Somit war es erforderlich, irgendeine Form von Wechselwirkung zwischen diesen Faktoren zu entwickeln, die fein und kontinuierlich gesteuert werden kann, wie z. B. die Wechselwirkung der elektrischen Leistung mit dem Teil der Leistung, die immer mechanisch übertragen wird. Zu diesem Zweck war es wichtig, festzustellen, wie die Handhabung eines ersten Leistungsstromes, der in elektrische Leistung umgewandelt wurde, einen zweiten Leistungsfluss beeinflusste, der von dem Zeitpunkt, zu dem er von dem Verbrennungsmotor erzeugt wurde, bis zu seiner Übertragung auf die Räder des Fahrzeuges immer weiterhin mechanisch bleibt.
Dies heißt mit anderen Worten, dass der Teil der Leistung, der weiterhin mechanisch ist, von dem elektrischen Anteil abhängig ist. Diese Abhängigkeit erfolgt ohne wahrnehmbare Verluste für niedrige Betriebsleistungs- oder Lastpegel. Das Beibehalten eines mechanischen Anteils bedeutet, dass ein Teil der Leistung, die an die Räder mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad übertragen wird, beibehalten wird.
Die EP 0 867 323 , von der angenommen wird, dass sie den nächstkommenden Stand der Technik darstellt und deren Merkmale, die mit der vorliegenden Erfindung gemeinsam sind, in den Oberbegriff des Anspruchs 1 übernommen wurden, zeigt eine Hybrid-Fahrzeug-Leistungsausgangs-Vorrichtung, die einen Verbrennungsmotor, zwei elektrische Motoren/Generatoren und einen Epizykloid- oder Planetengetriebe-Mechanismus aufweist, der alle die vorstehenden Elemente miteinander verbindet. Obwohl die Hybrid-Anordnung darauf gerichtet ist, eine Verringerung des Wirkungsgrades durch Vermeiden einer Energiezirkulation in dem Leistungsübertragungs-Pfad zu verhindern, ist kein Steuer-Mechanismus vorgesehen, um den elektrischen Anteil der Leistung, der von den Elektromotoren/Generatoren geliefert oder absorbiert wird, in einem Intervall der Fahrgeschwindigkeit auf Null zu bringen.
Die US 5 993 351 und die US 6 190 282 sind auf einen Hybrid-Antriebs-Mechanismus gerichtet, bei dem ein elektrischer Motor/Generator mit einem Verbrennungsmotor mit Hilfe einer Kupplung verbunden ist. Ein Steuer-Mechanismus ist betreibbar, um Stöße während des Öffnens/Schließens der Kupplung dadurch zu einem Minimum zu machen, dass das Ausgangsdrehmoment sowohl des Motors als auch des Motors/Generators gesteuert wird. Die Kupplung hat bei ihrem Schließen ein Eins-zu-Eins-Verhältnis und ist als solches nicht in der Lage, den elektrischen Bruchteil der gelieferten Leistung auf Null zu bringen.
Die DE 197 49 074 ergibt verschiedene Konstruktionen von Hybrid-Antriebseinheiten, die alle einen Verbrennungsmotor, zwei Elektromotor/Generatoren und ein Summier-Planetengetriebe umfassen. Es ist kein Steuer-Mechanismus zum Optimieren des Wirkungsgrades vorgesehen.
So wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Antriebseinheit für Motorfahrzeuge gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr weiter in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel erläutern und in denen:
1 ein Flussdiagramm der Leistung zeigt, das ein Beispiel der Konzepte gibt, auf denen die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Antriebseinheit beruht;
2 ein vereinfachtes allgemeines Schema der Einheit zeigt, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet;
3a und 3b die Entwicklung eines Satzes von geraden Linien zeigt, die die Geschwindigkeit eines Ringzahnrades eines Planetengetriebes, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, entsprechend den Winkelgeschwindigkeiten eines entsprechenden Sonnenrades angeben, wobei jede gerade Linie sich auf eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit des Planetenträgers, der die Planetenzahnräder trägt, und somit eines hiermit verbundene Dieselmotors bezieht, der Einheit nach 2 enthalten ist;
4 den Verlauf der entsprechenden Wirkungsgrade bezogen auf ideales mechanisches Getriebe entsprechend der Geschwindigkeit des Traktors zeigt; und
5 die an den Boden gelieferte Leistung als eine Funktion der Geschwindigkeit des Traktors zeigt, ebenfalls gemessen gegenüber dem Boden.
1 zeigt ein Beispiel der Konzepte, auf denen die vorliegende Erfindung beruht. In einer ersten Station des Leistungsfluss-Pfades wird die von einem Verbrennungsmotor und insbesondere von einem Dieselmotor erzeugte Leistung einem System unter den optimalen Bedingungen der Funktionsweise des Verbrennungsmotors zugeführt. Diese optimalen Bedingungen sind per Definition diejenigen, bei denen sich eine minimale Emission kombiniert mit minimalen Geräuschen und minimalem Verbrauch ergibt.
In der zweiten Station wird die mechanische Leistung, die in der ersten Station erzeugt wurde, in zwei mechanische Leistungsflüsse unterteilt.
In der dritten Station wird ein Teil des mechanischen Leistungsflusses in elektrische Energie umgewandelt, und unmittelbar danach wird der Leistungsfluss wieder in mechanische Energie umgewandelt und in der vierten Station mit dem Teil der Leistung kombiniert, der in der Station 3 mechanisch blieb.
In der fünften Station wird die wieder kombinierte mechanische Leistung auf den Boden übertragen, um das selbstfahrende Fahrzeug zu bewegen.
Dies heißt mit anderen Worten, dass in der Einheit, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, der von einem Verbrennungsmotor erzeugte Leistungfluss in zwei Leistungsflüsse aufgeteilt wird. Ein erster Leistungsfluss wird in elektrische Leistung umgewandelt, die einfach zu steuern ist, während ein zweiter Leistungfluss über die gesamte Zeit mechanisch gehalten wird, um einen Verlust des hohen Wirkungsgrades zu vermeiden, was durch die Tatsache bewirkt wird, dass diese mechanische Leistung nicht in elektrische Leistung und dann erneut in mechanische Leistung umgewandelt wird, weil diese Umwandlungen in der bekannten Weise aufgrund der niedrigeren Wirkungsgrade der elektrischen Maschinen mit einem doppelten Leistungsverlust erreicht werden. Jedoch hängt gemäß einem der am innovativsten Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung der Teil der Leistung, der über die gesamte Zeit mechanisch bleibt, von dem Bruchteil ab, der in elektrische Leistung umgewandelt wurde. Wie dies bereits erwähnt wurde, erfolgt diese Aufbereitung ohne wesentliche Verluste beim Betrieb bei niedrigen Leistungspegeln.
Dies heißt mit anderen Worten, dass Maßnahmen hinsichtlich der Geschwindigkeit und des Drehmomentes, das auf die Räder ausgeübt wird, lediglich durch einen Eingriff auf den elektrischen Bruchteil der Leistung erfolgen, wobei gleichzeitig der andere Bruchteil geregelt wird, der weiterhin mechanisch blieb.
Um in der Lage zu sein, einen weiten Regelbereich zu haben, das heißt um in der Lage zu sein, es zu ermöglichen, dass das System Geschwindigkeiten von bis zu 50 km/h hat und eine minimale Zugkraft hat, wenn die Geschwindigkeiten auf einem Minimum sind, und eine Zugkraft hat, die durch die installierte Leistung beschränkt ist, wenn die Geschwindigkeiten ein Maximum sind, muss das System zusätzlich einen enormen Regelbereich haben,. Das Vorstehende wird unter Verwendung der Möglichkeiten der Regelung an vier Quadranten der Maschinen erreicht, die einen Teil der Einheit bilden. Es ist daher für die Antriebseinheit sehr wichtig, elektrische Maschinen zu haben, die in beiden Richtungen der Drehgeschwindigkeit und in beiden Richtungen des Drehmomentes verwendet werden können. Diese elektrischen Maschinen müssen daher rechtsgängig und linksgängig sein und sie müssen in der Lage sein, als ein Motor oder als eine Bremse zu wirken, so dass sie kinematische Bedingungen, die derart sind, dass sie alle die Geschwindigkeitsbereiche abdecken, und dynamische Bedingungen definieren, die alle die Drehmomentbereiche abdecken, indem sie entweder als ein Motor oder als eine Bremse wirken. Gemäß der vorliegenden Erfindung muss, wenn eine elektrische Maschine als ein Motor wirkt, seine Energie von einer anderen elektrischen Maschine gewonnen werden, die zu der gleichen Einheit gehört, und die als ein Generator wirkt, oder sie muss von Geräten für die Speicherung elektrischer Energie gewonnen werden, wie z. B. Batterien, insbesondere im Fall einer zusätzlichen Leistungserhöhung. Im Prinzip ist eine Batterie nicht wesentlich für die Funktionsweise des Systems, sie ist jedoch vorteilhaft, um eine zusätzliche elektrische Energie zu liefern, wenn ein zusätzlicher Leistungsbedarf erforderlich ist. Wenn eine elektrische Maschine als ein Motor unter Verwendung der elektrischen Leistung wirkt, die von der anderen elektrischen Maschine erzeugt wird, die als ein Generator wirkt, so ist die resultierende Energiebilanz immer gleich Null, selbst ohne die Batterien, mit Ausnahme der Verluste des Wirkungsgrades, die zu einem Absinken der endgültigen Leistung führen, die auf die Räder übertragen wird.
Dies heißt mit anderen Worten, dass zur Erzielung einer Regelung der Geschwindigkeit zwischen Null und dem Maximum und einer gleichzeitigen Regelung der Zugkraft, die sich hyperbolisch bezüglich der Geschwindigkeit ändert, es erforderlich ist, eine erweiterte Regelung zu haben, bei der die elektrischen Maschinen eine duale Drehrichtung der Motorwelle und duale Drehmoment-Richtungen implementieren können.
Um dies zusammenzufassen, zeigt 1 die folgende Verarbeitung der mechanischen Leistung:

– die Leistung wird in zwei Leistungsflüsse unterteilt;
– ein erster mechanischer Leistungsfluss wird in einen elektrischen Leistungsfluss umgewandelt und entsprechend den Betriebsbedingungen gesteuert, die die Einheit erreichen muss;
– ein zweiter mechanischer Leistungsfluss wird für den nach dem ersten Leistungsfluss verbleibenden Rest aufbereitet; und
– die elektrische Leistung wird erneut in mechanische Leistung umgewandelt und wieder mit dem zweiten mechanischen Leistungsfluss kombiniert.

In 2 bezeichnet die Bezugsziffer 1 insgesamt die Antriebseinheit, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet.
Diese Einheit 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 und insbesondere einen Dieselmotor, der mechanische Leistung an eine erste Antriebswelle 3 liefern kann, wobei die letztere mechanisch mit einer zweiten Antriebswelle 4 über eine Vorrichtung 5 zur Drehmomentbegrenzung und für eine mechanische Verbindung/Trennung der Welle 3 mit/von der Welle 4 verbunden ist.
Am fernliegenden Ende der Vorrichtung 5 endet die zweite Welle 4 in einem Planetenrad oder Planetenträger 6, der zu einem Planetengetriebe-System oder Getriebe 7 gehört. Von dem Planetenrad aus nach außen kann ein Teil der Leistung auf eine Kupplung 8 einer (nicht gezeigten) Zapfwelle übertragen werden.
Zusätzlich zu dem vorstehenden Planetenrad 6 umfasst das Planetengetriebe 7 ein Sonnenrad oder eine Einheit 9, ein Ringzahnrad 10 und eine Reihe von Planetenzahnrädern 11. In üblicher Weise wird das Planetenrad 6, das die Planetenzahnräder 11 trägt, durch den Verbrennungsmotor 2 um eine Achse X1 in Drehung versetzt, während sich die Planetenzahnräder 11 um Achsen X2 drehen können, in einer Weise, die weiter unten ausführlicher erläutert wird.
Einstückig mit der Sonnenrad-Einheit 9 ist ein Zahnrad 12 vorgesehen, das zur Übertragung der Bewegung auf oder zum Empfang der Bewegung von einer elektrischen Maschine 13 mit Hilfe eines Zahnrades 14 verwendet wird, das für diesen Zweck mit dem Zahnrad 12 in Eingriff steht. Entsprechend den Betriebsbedingungen der Antriebseinheit 1 wirkt diese elektrische Maschine entweder als ein Generator oder als ein Motor (wie dies nachfolgend beschrieben wird).
Zusätzlich ist die elektrische Maschine 13 mit einem Leistungswandler 15 über eine elektrische Leitung 16 verbunden.
Unter erneuter Bezugnahme auf das Getriebe 7 ist zu erkennen, dass einstückig mit dem Ringzahnrad 10 ein Zahnrad 17 vorgesehen ist, das mit einem Zwischenzahnrad 18 auf einer Welle 19 einer elektrischen Maschine 20 kämmt, die ebenfalls elektrisch mit dem Wandler 15 über eine elektrische Leitung 21 verbunden ist. Gemäß den Betriebsbedingungen der Antriebseinheit 11 kann die elektrische Maschine 20 ebenfalls entweder als ein Generator oder ein Motor wirken (wie dies nachfolgend beschrieben wird).
Mit der Welle 19 ist ein weiteres Zahnrad 22 verkeilt, das mit einem Zahnrad 23 kämmt, das seinerseits mit einer Welle 24 verkeilt ist. Diese Welle 24 trägt ein Zahnrad 25, das mit dem Zwischenzahnrad 18 kämmt.
Zusätzlich weist die Welle 24 an ihrem einen Ende eine Bremse 26 auf, während das andere Ende in vorteilhafter Weise, jedoch nicht notwendigerweise, einen Gangwechsel-Mechanismus oder ein Getriebe 27 mit zwei oder mehr Untersetzungs-Verhältnissen aufnehmen kann, mit dessen Hilfe die Bewegung auf ein Differenzial 28 übertragen wird, das den Hinterrädern des Motorfahrzeuges zugeordnet ist.
Zwischen dem Gangwechsel-Mechanismus 27 und dem Differenzial 28 ist eine Welle 29 vorgesehen, die ein Zahnrad 30 trägt, das mit einem Zahnrad 31 kämmt, das zu einer Vorrichtung 32 zur Übertragung des Antriebs auf die Vorderachse des Motorfahrzeuges gehört, wobei in diesem Fall das Fahrzeug einen Vierradantrieb aufweisen würde.
Eine Vorrichtung 33 zum Speichern elektrischer Energie, wie z. B. eine Batterie, ist elektrisch mit dem Wandler 15 über eine elektrische Leitung 34 verbunden.
Alle die von der Antriebseinheit 1 ausgeführten Operationen werden von einem elektronischen System oder einem Mikroprozessor 35 befohlen oder gesteuert, der elektrisch mit Hilfe jeweiliger elektrischer Leitungen 36, 37 mit dem Wandler 15 und mit dem Motor 2 verbunden ist.
Die Ausgangsgeschwindigkeit der Einheit 1 wird von einem Fahrer mit Hilfe eines Betätigungshebels 38 ausgewählt. Dies heißt mit anderen Worten, dass der Fahrer eine Geschwindigkeit des Motorfahrzeuges durch Auswahl eines Winkels α des Betätigungshebels 38 auswählt. Insbesondere kann der Hebel 38 auch mit einem Pedal verbunden sein.
Wie dies mit weiteren Einzelheiten nachfolgend erläutert wird, wirkt allgemein in dem Zustand, in dem Leistung lediglich von dem Motor 2 gewonnen wird, und wenn die Maschine 13 als ein Motor wirkt, die Maschine 20 als ein Generator, und umgekehrt. Um festzustellen, welche der Maschinen 13, 20 als ein Motor wirken muss, und welche als ein Generator wirken muss, führt das Mikroprozessor-System 35 in geeigneter Weise eine Einwirkung auf den Wandler 15 aus. Lediglich in einer Leistungserhöhungssituation wirken beide elektrischen Maschinen 13, 20 als Motoren, oder die elektrische Maschine 13 wirkt als ein Motor, während die andere elektrische Maschine 20 keine Leistung absorbiert (wie dies nachfolgend beschrieben wird).
Das Planetengetriebe 7 und die Zahnräder 12, 14, 17, 18, 22, 23, 25 bilden eine Vorrichtung 39 zur Aufteilung/erneuten Kombination (auch als Teiler/Kombinierer bekannt) der Leistungen, die von dem Motor und den Maschinen 13, 20 verteilt/absorbiert werden.
Somit wird zunächst der Fluss der mechanischen Leistung in zwei Leistungsflüsse aufgeteilt. Ein Leistungsfluss wird von einem mechanischen auf einen elektrischen Leistungsfluss umgewandelt. Dieser Fluss der elektrischen Leistung kann sehr einfach durch Steuern der Faktoren des Drehmomentes und der Anzahl der Umdrehungen abgewickelt werden. Es ist zu erkennen, dass wenn für die gleiche Leistung das Drehmoment vergrößert wird, die Anzahl der Umdrehungen gleichzeitig abnimmt, und umgekehrt, um das Produkt dieser Faktoren konstant zu halten. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass wenn ein Leistungsfluss gesteuert wird, der andere Leistungsfluss ebenfalls automatisch beeinflusst wird. Die Drehmomente, die in dem mechanischen Leistungsfluss und in dem elektrischen Leistungsfluss bereitgestellt werden, sind miteinander verbunden. Tatsächlich wird, wenn der Drehmomentfaktor eines Leistungsflusses verringert wird, das Drehmoment des anderen Leistungsflusses ebenfalls geändert. In allen Fällen ist die Summe der zwei Drehmomente konstant, und ist der aktuelle oder Ist-Wert des Drehmomentes, der auf die Räder aufgebracht werden muss, um das Fahrzeug zu bewegen.
Dies heißt mit anderen Worten, dass wenn P1 die Leistung bezeichnet, die zunächst in elektrische Leistung umgewandelt wird und dann in mechanische Leistung zurückgewandelt wird, und wenn P2 die Leistung bezeichnet, die immer mechanisch bleibt, die Summe von P1 und P2 konstant bleiben muss. Wenn daher die Leistung P1 gesteuert wird, ist es so, als ob auch die Leistung P2 gesteuert würde. Dies heißt mit anderen Worten, dass es mit Hilfe der elektrischen Regelung der Leistung P1 es auch möglich ist, die Leistung P2 zu regeln, die mechanisch geblieben ist.
Die Funktionsweise der Antriebseinheit 1, die den Gegenstand der Erfindung bildet, wird nachfolgend beschrieben.
Zustand 1 (Motorfahrzeug gestoppt – Motor eingeschaltet – α = 0)
In diesem Zustand bewegt sich das Motorfahrzeug nicht, so dass seine Geschwindigkeit V gleich Null ist, und die Bremse 26 ist eingeschaltet. Die Welle 3 des Verbrennungsmotors 2 dreht sich und treibt das Planetenrad 6 an, das einstückig mit der Welle 4 verbunden ist. Das Ringzahnrad 10 ist stationär, weil es durch die Bremse 26 gebremst ist, während die Sonnenrad-Einheit 9 durch die Wirkung in Drehung versetzt wird, die auf diese von dem Planetenrad 6 ausgeübt wird. Die Folge der Drehung der Sonnenradeinheit 9 besteht darin, dass die Zahnräder 12 und 14 sich ebenfalls drehen, so dass die Maschine 13 als ein Generator wirkt, wenn es erwünscht ist, die Speichereinrichtung 33 mit elektrischer Energie zu laden, oder sie dreht sich einfach frei, wenn keine Notwendigkeit zum Laden der Vorrichtung 33 besteht. Es ist zu erkennen, dass in letzterem Fall die elektrische Maschine 13 ebenfalls im Leerlauf läuft, weil die Maschine 20 keine Leistung erfordert und sie durch die Bremse 26 in einem gebremsten Zustand gehalten wird.
In dem hier vorliegenden Fall nimmt das Planetengetriebe 7 die spezielle Konfiguration eines derartigen Planetengetriebes mit einem festen Ringzahnrad an, und die Reaktionskraft auf das Ringzahnrad 10 hängt von der Nachlade-Energie ab, die von der Maschine 13 erzeugt wird und die durch die Wirkung ausgeglichen wird, die von der Bremse 26 ausgeübt wird.
Zustand 2 (das Motorfahrzeug beginnt sich zu bewegen – α > 0)
Mit Hilfe des Hebels 38 wählt der Fahrer eine gewisse niedrige Geschwindigkeit (1– 2 km/h) des Motorfahrzeuges aus. Das Mikroprozessor-System 35 löst die Bremse 26.
Weil es zum Starten des Motorfahrzeuges erforderlich ist, einen hohen Wert des Drehmomentes bei einer niedrigen Geschwindigkeit zu haben, wird in dieser Startphase die Maschine 20 als ein Motor aktiviert, bis die erforderliche Geschwindigkeit erreicht ist.
Um zu bewirken, dass die Maschine 20 als ein Motor wirkt, bewirkt der Wandler 15, dass die Maschine 13 als ein Generator wirkt, um die von der Maschine 20 benötigte elektrische Energie zu erzeugen. Weil die Bremse gelöst wurde und die Maschine 13 als eine Bremse wirkt (weil sie nunmehr ein Generator ist) wird ein negatives Drehmoment an der Sonnenradeinheit 19 erzeugt und beim Hindurchlaufen durch die Planetenzahnräder 11 wird ein negatives Drehmoment weiterhin an dem Ringzahnrad 10 erzeugt. Dieses negative Drehmoment wird auf die Welle 24 und damit auf das Differenzial 28 über die Zahnräder 17, 18 übertragen. Es ist zu erkennen, dass je größer die Bremskraft ist, die auf die Maschine 13 wirkt, die als ein Generator wirkt, desto größer das negative Drehmoment und die mechanische Leistung ist, die auf die Welle 24 über die Räder 17, 18 übertragen wird. Das Drehmoment auf das Ringzahnrad 10, das Drehmoment, das von der elektrischen Maschine 13 geliefert wird, und das Drehmoment, das von dem Motor 2 geliefert wird, stehen in einem konstanten Verhältnis zueinander, und zwar aufgrund der geometrischen Konfiguration des Planetengetriebes 7.
Das Gesamt-Drehmoment, das auf die Welle 24 wirkt, wird durch die Summe des direkten Drehmomentes, das von der Maschine 20 geliefert wird (die als ein Motor wirkt) und die Reaktionskraft gebildet, die auf das Ringzahnrad 10 durch die Maschine 13 ausgeübt wird, die als ein Generator wirkt. Dieses Gesamt-Drehmoment steigt an, bis das Fahrzeug den Geschwindigkeitswert erreicht, der mit Hilfe des Hebels 38 ausgewählt wurde.
Wenn die von dem Motor 2 erzeugte Leistung aufgrund eines übermäßigen Traktions-Bedarfs nicht ausreicht, um die ausgewählte Geschwindigkeit zu erreichen, wird das System zu Anfang durch die Vorrichtung 33 unterstützt, die den fehlenden Teil der Leistung liefert und den Generator teilweise oder vollständig ersetzt. Die Unterstützung durch die Vorrichtung 33 endet, wenn die Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 2 durch das System 35 auf Werte zurückgebracht wurden, die es dem Motor 2 ermöglichen, die mechanische Leistung zu entwickeln, die dazu führt, dass das Motorfahrzeug die erforderliche Geschwindigkeit erreicht.
Zustand 3 (nach dem Zustand 2 – der Fahrer vergrößert die Geschwindigkeit des Fahrzeuges, hält sie jedoch unter 50% der maximalen Geschwindigkeit – die Traktion ist niedrig – α >> 0)
Der Wandler 15 reagiert und bewirkt eine Vergrößerung der Geschwindigkeit der Maschine 20, bis das Fahrzeug eine Geschwindigkeit erreicht, die die gesamte verfügbare Leistung und die erforderliche Traktion oder Zugkraft berücksichtigt. Die Leistung, die erforderlich ist, damit die Maschine 20 die erforderliche Geschwindigkeit erreicht, wird teilweise von der Maschine 13 geliefert, die in diesem Fall als ein Generator wirkt, und teilweise durch das vergrößerte negative Drehmoment, das von dem Ringzahnrad 10 des Planetengetriebes 7 erzeugt wird.
Die Geschwindigkeit des Motors 2 wird durch das System 35 vergrößert, bis die von dem Antrieb benötigte Leistung erreicht ist, wobei jedoch immer noch den Kurven eines minimalen Treibstoffverbrauchs gefolgt wird. Beim Übergang des Motors von dem vorhergehenden Betriebsbedingungen auf die neuen Betriebsbedingungen wird der Motor durch die Vorrichtung 33 unterstützt, die die fehlende Energie liefert.
Zustand 4 (nach dem Zustand 3 – gleich dem Zustand 3. jedoch mit zunehmender Traktion)
Um die Geschwindigkeit des Motorfahrzeuges aufrechtzuerhalten, muss der Motor 20 die verteilte Leistung weiter mit Hilfe einer Vergrößerung der Treibstoffinjektion sowie der Drehgeschwindigkeit der Welle 3 bis zu dem maximalen Wert vergrößern, der durch die optimierte Regelung des Motors 2 selbst zugelassen wird. Wenn ein Bedarf an Leistung bestehen würde, der größer als das Maximum ist, das von dem Motor 2 verteilt werden kann, so würde die fehlende Leistung über begrenzte Zeitperioden von der Vorrichtung 33 geliefert.
Zustand 5 (nach dem Zustand 3 – der Fahrer vergrößert die Geschwindigkeit des Fahrzeuges und hält sie über 50% der Maximalgeschwindigkeit – die Traktion ist niedrig – α >>> 0)
Der Wandler 15 reagiert durch zunehmend stärkeres Verlangsamen der Maschine 30, bis die Drehrichtung umgekehrt wird. Die letztere wird damit zu einem Motor, weil die Drehrichtung und das Drehmoment ungleich sind, so dass die Drehrichtung des Rades 14 geändert wird. In diesem Fall wirkt das Planetengetriebe 7 nicht mehr als Leistungsverteiler, sondern wird zu einer Leistungskombinationseinrichtung und kann rein mechanische Leistung, die von dem Motor 2 gewonnen wird, mit elektrischer Leistung summieren, die in mechanische Leistung umgewandelt wurde und von der Maschine 13 gewonnen wird. In dieser Konfiguration ist es möglich, eine hohe Drehgeschwindigkeit der Welle 24 zu erzielen und damit auch hohe Leistungspegel, die von dieser Welle 24 verteilt sind, selbst bei niedrigen Ausgangsdrehzahlen des Motors 2. Somit wirkt im vorliegenden Fall die Maschine 13 als ein Motor, während die Maschine 20 als ein Generator wirkt, und beide werden durch den Wandler 15 mit Hilfe des Mikroprozessor-Systems 35 gesteuert. Das Gesamt-Drehmoment, das an das Differenzial 28 geliefert wird, ist das Drehmoment, das geliefert wird, in dem das Drehmoment, das erforderlich ist, um eine Drehung der Maschine 20 hervorzurufen, von dem Drehmoment abgezogen wird, das an dem Ringzahnrad 10 vorhanden ist.
Zustand 6 (nach dem Zustand 5 – ausgewählte Geschwindigkeiten von mehr als 50% der maximalen Geschwindigkeit – zunehmende Traktion – α >> 0)
Die Drehzahl des Motors wird vergrößert, um die auf das Differenzial 28 übertragene Leistung zu vergrößern. Der Wandler 15 steuert die Umwandlung der Maschine 20 von einem Generator auf einen Motor, während die Maschine 13 wieder zu einem Generator wird und die Leistung von dem Motor 2 absorbiert. Die Drehzahl des Motors 2 wird sowohl zur Anpassung an die Vergrößerung des Leistungsbedarfs als auch zur Kompensation der modifizierten Betriebsbedingungen der Maschine 13 vergrößert. Somit wird das Drehmoment an der Welle 24 zunächst durch eine Vergrößerung des positiven Drehmomentes, das von der Maschine 20 erzeugt wird, die zu einem Motor geworden ist, und zweitens durch eine mögliche Vergrößerung des negativen Drehmomentes auf das Ringzahnrad 10 vergrößert, die durch eine Vergrößerung des von der Maschine 13 absorbierten Drehmomentes hervorgerufen wird.
Daraus folgt, dass wenn das Drehmoment, das von der elektrischen Maschine 13 absorbiert wird, die als ein Generator wirkt, geregelt wird, sich eine automatische Steuerung durch den Rest des Drehmomentes ergibt, das rein mechanisch über die Zahnräder 17, 18 verteilt wird. Wenn es erforderlich sein würde, ein größeres Drehmoment an den Ausgang zu liefern, würde es ausreichend sein, die Bremswirkung auf die elektrische Maschine 13 zu vergrößern. Wenn jedoch die elektrische Maschine 13 gebremst wird, so wird Leistung erzeugt, die zur Aktivierung der elektrischen Maschine 20 verwendet werden kann, die unter diesen Betriebsbedingungen als ein Motor wirkt. Der Leistungswandler 15 bestimmt, wieviel des Drehmomentes und wieviel Umdrehungen an die elektrische Maschine 20 geliefert werden muss, die als ein Motor arbeitet.
Wenn eine Forderung nach einer Vergrößerung der auf den Boden übertragenen Leistung besteht, so kann sich diese Vergrößerung aus einer Vergrößerung der Geschwindigkeit für die gleiche Traktion oder aufgrund einer Vergrößerung der Traktion für die gleiche Geschwindigkeit, oder aufgrund einer Änderung beider Faktoren ergeben. Wenn es beispielsweise eine Vergrößerung des Leistungsbedarfs aufgrund einer Vergrößerung der Traktion gibt, so muss das System durch Liefern eines größeren Drehmomentes reagieren, und um das größere Drehmoment zu liefern, ist es erforderlich, sowohl das mechanische als auch das elektrische Drehmoment zu vergrößern. Um jedoch ein größeres mechanisches Drehmoment zu liefern, ist es erforderlich, das Drehmoment zu vergrößern, das über die Zahnräder 17, 18 geliefert wird. Um diesen Drehmoment-Anstieg zu erreichen, ist jedoch ein Anstieg des Drehmomentes der elektrischen Maschine 13 erforderlich, das auf das Ringzahnrad 10 ausgeübt wird, und/oder ein Anstieg des Drehmomentes, das von der elektrischen Maschine 20 auf die Welle 24 über die Zahnräder 22, 23 übertragen wird, die miteinander in Eingriff stehen.
Unter spezieller Bezugnahme auf die 3a und 3b wird ein Getriebe-Mechanismus 7 (3a) mit den folgenden Eigenschaften vorgeschlagen: Z1 = 56 (Anzahl der Zähne der Sonnenrad-Einheit 9) (1) Z2 = 23 (Anzahl der Zähne jedes Planetenzahnrades 11) (2) Z3 = 103 (Anzahl der Zähne des Ringzahnrades 10) (3)
Durch Anwenden der gut bekannten Willis-Gleichung wird das folgende Verhältnis zwischen den Winkelgeschwindigkeiten erzielt: ωs = 2,839 ωm – 1,839 ωc (4)worin:

ωs: die Winkelgeschwindigkeit der Sonnenradeinheit 9 angibt;
ωm: die Winkelgeschwindigkeit des Motors 2 und somit des Planetenrad-Trägers 6 angibt;
ωc: die Winkelgeschwindigkeit des Ringzahnrades 10 angibt, wobei diese Geschwindigkeit proportional zu der der Räder des Motorfahrzeuges ist.

Für die Zwecke unserer Betrachtungen wurde Folgendes angenommen:
Masse des Traktors: 10350 kg
Maximale Zugkraft: 7260 daN
Maximale von dem Dieselmotor erzeugte Leistung: 125 kW
Maximal auf dem Boden verfügbare Leistung: 106 kW
Das Verhältnis (4), das ωs, ωm und ωc miteinander verbindet, ist ein lineares Verhältnis, das in einer kathesischen Ebene gemäß 3b dargestellt werden kann.
Für die Zwecke dieser Darstellung ist es, wiederum wie es in 3b dargestellt ist, möglich, drei spezielle Winkelgeschwindigkeiten des Motors 2 und damit auch des Planetenrad-Trägers 6 in Betracht zu ziehen.
In den dargestellten Fällen wird die maximale Geschwindigkeit (50 km/h) des Motorfahrzeuges erreicht, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Motors 2 gleich dem Wert von 2200 U/min wird.
Zusätzlich ist in dem Zustand der maximalen von dem Motor 2 verteilten Leistung die Winkelgeschwindigkeit der Welle 3 gleich 2020 U/min (Linie B), während im Zustand der maximalen Winkelgeschwindigkeit der Welle 3 das Verhältnis, das die Winkelgeschwindigkeiten des Planetengetriebes in Beziehung setzt, durch die Linie C dargestellt ist.
Es ist zu erkennen, dass ausgehend von einer Stillstandsposition des Fahrzeuges die verfolgte Kurve diejenige ist, die sich auf die maximale Drehmoment-Entwicklung für eine Winkelgeschwindigkeit des Motors 2 von 1150 U/min bezieht (Linie A in 3b).
Es sei angenommen, dass der Startpunkt P1 auf der Linie A ist, bei dem die Winkelgeschwindigkeit der Sonnenradeinheit ωs gleich 3265 U/min ist.
Wenn eine Notwendigkeit einer Vergrößerung des Drehmoment-Ausganges von dem System besteht, ist es erforderlich, die Bremsung der elektrischen Maschine 13 zu beginnen, was zu einem negativen Drehmoment an der letzteren führt, derart, dass die Bewegung auf der geraden Linie A von P1 fort beginnt.
Mit Hilfe des Planetengetriebes 7 wird somit ein Drehmoment an dem Ringzahnrad 10 erzeugt, das sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ωc zu bewegen beginnt, wobei das Verhältnis zwischen ωs und ωc durch die gerade Linie A vorherbestimmt ist. Die Geschwindigkeit ωs beginnt abzunehmen, während eine Aufwärtsbewegung entlang der geraden Linie A erfolgt.
Wenn eine Geschwindigkeit ωc des Ringzahnrades 10 von ungefähr 1774 U/min erreicht wird (was allgemein einer Geschwindigkeit von 19 km/h der Räder entspricht), so hat die Sonnenradeinheit 9 eine Winkelgeschwindigkeit ωs von Null (Punkt P2 in 3b), das heißt, dass die elektrische Maschine 13 entweder als ein Generator oder als ein Motor arbeitet, jedoch ein Drehmoment bei einer Geschwindigkeit von Null liefert.
Bis zu dem Zeitpunkt, bevor sie am Punkt P2 gestoppt wird, dreht sich die Sonnenradeinheit 9 entsprechend dem Pfeil F2 und in der gleichen Drehrichtung wie das Ringzahnrad 10, die mit einem Pfeil F gemäß 1a bezeichnet ist.
Wenn die von dem Ring 10 benötigte Geschwindigkeit und somit die Geschwindigkeit des Motorfahrzeuges größer als ein 1774 U/min ist, ist es erforderlich, sich zu dem negativen Quadranten der in 3b gezeigten grafischen Darstellung zu bewegen, in der es negative Drehzahlen ωs gibt.
Somit beginnt die Sonnenradeinheit 9 sich in Richtung des Pfeils F3 zu drehen, das heißt in der Richtung entgegengesetzt zu der des Ringzahnrades 10. Damit wird der Getriebe-Mechanismus 7 zu einem Drehzahl-Multiplizierer für das Ringzahnrad 10 und damit für die Räder des Motorfahrzeuges. Schließlich schwingt das System bei einer Geschwindigkeit ωc ein, in diesem Fall 5037 U/min, was äquivalent zu der Geschwindigkeit ist, die von dem Fahrer mit Hilfe des Hebels 38 ausgewählt wurde.
Entsprechend ist es aufgrund der negativen Drehzahl der sich in Richtung des Pfeils F3 drehenden Sonnenradeinheit 9 möglich, die Drehzahl des Ringzahnrades 10 und damit der Räder zu vergrößern. Entsprechend wird die elektrische Maschine 13 von einer Maschine, die Leistung von dem Motor 2 aufnimmt, auf eine Maschine umgewandelt, die Leistung an das Planetengetriebe 7 liefert, um auf diese Weise die Drehzahl des Ringzahnrades 10 und schließlich die Geschwindigkeit des Motorfahrzeuges zu vergrößern.
Es ist zu erkennen, dass es das System 35 ist, das den Zeitpunkt der Umwandlung der elektrischen Maschine 13 von einem Generator zu einem Motor festlegt.
Es ist weiterhin zu erkennen, dass die elektrische Leistung, die dazu führt, dass die elektrische Maschine 13 als ein Motor arbeitet, von der elektrischen Maschine 20 geliefert wird, die zu dieser Zeit als ein Generator arbeitet, so dass sie das Paar von Zahnrädern 23, 22 in Drehung versetzt, die miteinander in Eingriff stehen. In diesem Fall muss das System 35 die elektrische Maschine 20 bremsen.
Wie dies bereits angegeben wurde, tauschen in den meisten Betriebszuständen und Betriebsbedingungen, die von der Einheit 1 bereitgestellt werden können, die zwei elektrischen Maschinen 13 und 20 ihre Rollen, weil wenn eine zu einem Generator wird, die andere als ein Motor wirkt, und umgekehrt.
Weil es Leistung gibt, die zwischen den zwei Maschinen 13 und 20 ausgetauscht wird und nicht den Boden erreicht, wird diese Leistung als scheinbar oder nicht vorhanden und daher als ein Verlust in Ausdrücken des Leistungs-Wirkungsgrades betrachtet.
Um die Wirkungsgrade hoch zu halten, ist es erforderlich, diese scheinbare oder Scheinleistung zu begrenzen, die sich vergrößert, wenn die Geschwindigkeit der Maschinen 13, 20 ansteigt. Somit wird zur Vergrößerung der Geschwindigkeit des Motorfahrzeuges ohne übermäßige Vergrößerung der Drehzahl der elektrischen Maschinen 13, 20 in vorteilhafter Weise ein Gangwechsel-Mechanismus 27 mit zwei Untersetzungsverhältnissen angewandt, was es möglich macht, von einem niedrigen Übersetzungsverhältnis (das heißt dem "LO"-(Niedrig-)Zustand) auf ein hohes Getriebe-Übersetzungsverhältnis (dem "HI"- oder "Hoch"-Zustand) zu wechseln, wie dies in 4 gezeigt ist.
Dies heißt mit anderen Worten, dass es eine maximale Drehzahl ωc des Ringzahnrades 10 und damit ein Wert Vo des Motorfahrzeuges (4) gibt, dessen Überschreitung nicht sinnvoll ist, weil jenseits dieses Wertes der relative Wirkungsgrad η bezogen auf einen rein mechanischen idealen Wirkungsgrad drastisch abfallen könnte, weil die zwischen den zwei elektrischen Maschinen 13, 20 übertragene Leistung zu stark ansteigen würde.
4 zeigt weiterhin die Tatsache, dass das Maximum η bei einer Geschwindigkeit des Traktors von ungefähr 10 km/h und bei einem Bereich von Geschwindigkeiten von 35 km/h bis 45 km/h auftritt (siehe weiter unten).
Unter erneuter Bezugnahme auf das Planetengetriebe 7, das insbesondere in den 2 und 3a gezeigt ist, ist zu erkennen, dass für eine Bewegung des Motorfahrzeuges in Rückwärtsrichtung für eine vorgegebene Drehzahl des Motors 2 und damit des Planetenrades 6 die Winkelgeschwindigkeit ωs der Sonnenrad-Einheit 9 hoch genug sein muss, um die Winkelgeschwindigkeit des Ringzahnrades 10 negativ zu machen. 3b zeigt, dass, wenn während des Betriebs auf der Linie A eine Winkelgeschwindigkeit ωs von mehr als 3265 U/min auf die Sonnenradeinheit ausgeübt wird, die Winkelgeschwindigkeit ωc des Ringzahnrades 10 negativ wird, das heißt, dass das Motorfahrzeug rückwärts fährt. In diesem Fall muss die elektrische Maschine 13 eine größere Anzahl von Umdrehungen durch einen Betrieb als ein Generator liefern, und die Maschine 20 arbeitet weiterhin als ein Motor, wobei die Drehrichtung umgekehrt ist.
Wenn die (nicht gezeigte) Zapfwelle (PTO) durch Einkuppeln der Kupplung 8 eingeschaltet wird, ist es erforderlich, von der Linie A auf die Linien B und C überzugehen, die in 3b gezeigt ist. Tatsächlich muss, um eine geeignete Betriebsweise der PTO zu erreichen, eine etwas höhere Anzahl von Umdrehungen, die durch die Welle 4 vorherbestimmt sind, verfügbar sein. Somit ergeben sich für die gleiche Winkelgeschwindigkeit ωc des Ringzahnrades 10 und damit für die gleiche Geschwindigkeit des Motorfahrzeuges höhere Drehzahlen der Sonnenrad-Einheit 9, so dass sich die elektrische Maschine 13 mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit dreht, als wenn sie als ein Generator arbeitet (rechter Quadrant in 3b), und mit einer niedrigeren Drehzahl, wenn sie als ein Motor wirkt (linker Quadrant in 3b).
Daher werden bei eingeschalteter PTO die Betrachtungen bezüglich unterschiedlicher Betriebsbedingungen, die die Einheit 1 einnehmen kann, dem Verlauf der Linien B und C in 3b zugeordnet.
Es ist weiterhin zu erkennen, dass im Fall einer Fehlfunktion des Motors 2 oder in dem Fall, in dem das Motorfahrzeug in einer geschlossenen Umgebung arbeiten muss, beispielsweise in einem Gewächshaus, es sichergestellt werden kann, dass die Einheit 1 als rein elektrische Einheit arbeitet, wobei die elektrischen Maschinen 13, 20 beide als Motoren wirken und elektrische Energie von der Vorrichtung 33 gewinnen.
Zusätzlich ist, wie dies in 2 gezeigt ist, das System 35 mit der Vorrichtung 5 über die elektrische Leitung 40 verbunden. Wenn diese Vorrichtung 5 getrennt wird und lediglich die elektrischen Maschinen 13, 20 arbeiten, ist es möglich, die Zapfwelle elektrisch zu aktivieren, mit allen den entsprechenden Vorteilen, die diese Tatsache bedingt, insbesondere hinsichtlich der Verschmutzung der Umgebung, in der das Motorfahrzeug arbeitet.
Die Vorteile der Einheit, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, sind wie folgt:

– eine feine kontinuierliche Regelung der Leistung, die von dem Verbrennungsmotor auf die Räder des Motorfahrzeuges übertragen wird;
– der überwiegende Bruchteil der übertragenen Leistung bleibt mechanisch, derart, dass sich eine Verringerung der Verluste ergibt, die durch die doppelte Umwandlung von mechanischer zu elektrischer und elektrischer zu mechanischer Energie hervorgerufen werden;
– Gesamt-Wirkungsgrade, die mit denen eines rein mechanischen Antriebs vergleichbar sind, und die für die charakteristischen Geschwindigkeiten optimiert werden können, die überwiegend verwendet werden;
– im Fall eines großen Leistungsbedarfs des Motorfahrzeuges gibt es eine sogenannte Leistungserhöhung, und es ist möglich, dass die benötigte Leistung gleichzeitig auf den Verbrennungsmotor und zumindest eine elektrische Maschine verteilt wird, die als ein Motor arbeitet; und schließlich
– gibt es die Möglichkeit, dass die Einheit ausschließlich mit Hilfe der elektrischen Energie arbeitet, die in den Batterien gespeichert ist, sowohl hinsichtlich der Bewegung des Motorfahrzeuges als auch der Zapfwelle; in diesem Fall wird die elektrische Energie allein zur Bewegung der Antriebseinheit und/oder für den Drehantrieb der PTO verwendet.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung wird anhand der 5 erläutert, in der die x-Achse die Fahrgeschwindigkeit des Traktors (in km/h) darstellt, während die y-Achse die an den Boden gelieferte Leistung in kW zeigt. Im Einzelnen ist C1 die Kurve der Gesamt-Fahrleistung (sowohl mechanisch als auch elektrisch), während C2 die Kurve der elektrischen Leistung zeigt, die von den elektrischen Maschinen 13, 20 erzeugt wird.
Die Kurve C1 verdeutlicht die Tatsache, dass die Fahrleistung des Traktors bis zu einer Traktorgeschwindigkeit von 7 km/h in linearer Weise ansteigt, weil es zunächst erforderlich ist, das Anhaften der Räder an dem Boden zu überwinden, und dass sie sich dann bei einem Wert von ungefähr 106 kW stabilisiert. Der Unterschied zwischen den anfänglichen 125 kW, die von dem Dieselmotor 2 erzeugt wird, und der Fahrleistung von 106 kW ergibt sich selbstverständlich aufgrund der Verluste, die von Natur aus in dem System vorhanden sind, und aufgrund der Tatsache, dass der Wirkungsgrad selbstverständlich von dem Wert 1 abweicht. Eine Betrachtung der 5 zeigt weiterhin, dass die maximale elektrische Leistung, die durch einen ersten Teil der Kurve C2 dargestellt ist, einen Wert von 12 kW für eine Traktorgeschwindigkeit wiederum um 7 km/h herum aufweist.
Daher kann mit einer elektrischen Leistung, deren Wert ungefähr ein Achtel der Gesamtleistung beträgt, das System in der vorstehend beschriebenen Weise gesteuert werden. Es wurde experimentell bestätigt, dass in dem betrachteten Fall, wenn dieses Verhältnis zwischen der elektrischen Leistung und der Gesamtleistung niedriger als der vorstehend genannte Wert gehalten wird (ein Achtel), das System dazu neigt, unsteuerbar zu werden (das heißt mit anderen Worten, die elektrische Leistung reicht nicht aus, um die mechanische Leistung zu regeln, während, wenn ein höherer Wert ausgewählt wird, sich ein Verlust an Wirkungsgrad ergibt, weil, wie festgestellt wurde, ein Anstieg der elektrischen Leistung einem Abfall des Gesamt-Wirkungsgrades entspricht. Als Folge hiervon bildet der für das Verhältnis zwischen den zwei Leistungen (elektrische Leistung und Gesamtleistung) ausgewählte Wert den besten Kompromiss zwischen den vorstehend erwähnten zwei Anforderungen.
Die vorstehenden Betrachtungen beziehen sich auf die Grenzbedingungen einer maximalen Leistung (5); für niedrigere gelieferte Leistungen können die Bereiche R1 und R2 (die weiter unten erläutert werden) größer sein.
Um den Gesamt-Wirkungsgrad des Systems zu verbessern, ist es sehr wichtig, dass in bestimmten Bereichen der Geschwindigkeit des Traktors die von den elektrischen Maschinen 13 und 20 erzeugte elektrische Leistung (Kurve C2) gleich Null sein sollte. Dies heißt mit anderen Worten, dass lediglich der Dieselmotor 2 Leistung liefert. Für die gleiche zugeführte Leistung (Kurve C1) vergrößert der Dieselmotor 2 die Anzahl von Umdrehungen der Welle 3, um auf diese Weise die Fahrgeschwindigkeit zu vergrößern, ohne die elektrischen Maschinen 13, 20 zu beteiligen.
Damit das System am besten arbeitet, sollten die Bereiche der Fahrgeschwindigkeiten, bei denen keine elektrische Leistung verwendet wird, diejenigen sein, mit denen der Traktor am häufigsten arbeitet.
Insbesondere zeigt unter Bezugnahme auf 5 diese einen ersten Bereich A1, der lediglich den einen Wert 10 km/h enthält, der der Arbeitsgeschwindigkeit auf dem Feld unter Verwendung von Werkzeugen zeigt, und einen zweiten Bereich R2, der sich von 35 km/h bis 45 km/h erstreckt, was der Fahrgeschwindigkeit des Traktors auf der Straße entspricht. Wie 5 weiterhin zeigt, ist in beiden Bereichen R1, R2 die durch die Kurve C2 dargestellte elektrische Leistung gleich Null. Die einzige erzeugte und auf den Boden übertragene Leistung ist die des Dieselmotors 2, der beginnend bei einem maximalen Drehmoment bei einer Fahrgeschwindigkeit von 35 km/h die Anzahl der Umdrehungen vergrößert, ohne die Größe der Leistung zu ändern, die auf den Boden übertragen wird (Kurve C1) – während der Wert des Drehmomentes gleichzeitig abnimmt – bis zu einer Fahrgeschwindigkeit von 45 km/h (Bereich R2). Im Einzelnen ist während der Bewegung über den Bereich R2 der Rotor der elektrischen Maschine 13 stationär. Dies hängt selbstverständlich davon ab, wie der Dieselmotor 2 durch die zentrale Steuereinheit 35 gesteuert wird.
In 5 können negative Werte der elektrischen Leistung, die durch die Kurve C2 dargestellt ist, durch die Tatsache erklärt werden, dass bei bestimmten Fahrgeschwindigkeiten die elektrische Leistung durch zumindest einen elektrischen Motor 13, 20 absorbiert wird.
Die vorstehend angegebenen Ergebnisse wurden experimentell gewonnen, insbesondere aufgrund der speziellen Wahl der Anzahl der Zähne Z1, Z2, Z3 auf den jeweiligen Zahnrädern 9, 11, 10 (siehe Gleichungen (1), (2) und (3)), die in dem Planetengetriebe 7 vorhanden sind.
Wie angegeben, wurde die Anzahl der Zähne auf der Grundlage der Charakteristiken des Traktors ausgewählt. Für diese Werte werden, wie bereits weiter oben angegeben, die höchstmöglichen Werte von η verwendet (wobei der Wert von η sich dem Wert 1 nähert) (4), und zwar aufgrund der Verringerung der elektrischen Leistung auf Null und der Maximierung der mechanischen Leistung.

Claims

Antriebseinheit (1) zur Bewegung eines Fahrzeuges, wie zum Beispiel eines Schleppers, mit auswählbaren Fahrgeschwindigkeiten, mit einem Dieselmotor (2) und zumindest zwei elektrischen Maschinen (13, 20), wobei die elektrischen Maschinen betreibbar sind, um Ausgangsleistung zu liefern und aufzunehmen, und in der Lage sind, sowohl als Generatoren als auch als Motoren zu arbeiten; wobei der Dieselmotor (2) und die zumindest zwei elektrischen Maschinen (13, 20) mechanisch mit einer Vorrichtung (39) verbunden sind, die zur Aufteilung und erneuten Kombination der Ausgangsleistungen betreibbar sind, die von dem Dieselmotor (2) den elektrischen Maschinen (13, 20) geliefert werden, wobei die Vorrichtung zur Aufteilung und erneuten Kombination der Ausgangsleistungen ein Planetengetriebe (7) umfasst, das Planeten-Zahnräder (11), die auf einem Planetenrad (6) befestigt sind, eine Sonnenrad-Einheit (9) und ein Ring-Zahnrad (10) aufweist, die alle mechanisch mit dem Dieselmotor, den elektrischen Maschinen und dem Fahrzeug-Antriebsstrang (28) verbunden sind; und dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit so konfiguriert ist, dass die Charakteristiken der Sonnenrad-Einheit (9), des Planeten-Rades (6) der Planetenzahnräder (11) und des Ring-Zahnrades (10) derart sind, dass in zumindest einem Intervall (R1, R2) der auswählbaren Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges der elektrische Anteil der von den elektrischen Maschinen (13, 20) gelieferten und aufgenommenen Leistung gleich Null ist.
Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenrad-Einheit (9) ein Sonnenzahnrad (9) mit 56 Zähnen einschließt und eine Vielzahl von Planeten-Zahnrädern (11) mit dem Sonnenzahnrad (9) kämmt, wobei jedes Planeten-Zahnrad 23 Zähne aufweist, dass das Ring-Zahnrad (10) mit den Planeten-Zahnrädern derart kämmt, dass die Planeten-Zahnräder betriebsmäßig sowohl mit dem Sonnenzahnrad (9) als auch dem Ring-Zahnrad (10) kämmen, wobei das Ring-Zahnrad 103 Zähne hat.
Einheit (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Planetenrad (6) mechanisch mit dem Dieselmotor (2) verbunden ist; – die Sonnenrad-Einheit (9) mechanisch mit einer der elektrischen Maschinen (13) verbunden ist; und – das Ring-Zahnrad (10) mechanisch mit dem Fahrzeug-Antriebsstrang (28) und der anderen der elektrischen Maschinen (20) verbunden ist.
Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anteil der von den elektrischen Maschinen (13, 20) gelieferten/aufgenommenen Leistung in einem ersten Intervall (R1), das einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges von ungefähr 10 km/h entspricht, gleich Null ist
Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anteil der von den elektrischen Maschinen (13, 20) gelieferten/aufgenommenen Leistung in einem zweiten Intervall (R2), das einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges zwischen ungefähr 35 km/h und 45 km/h entspricht, gleich Null ist.
Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen (26) zum Bremsen der Vorrichtung (39) zur Aufteilung/erneuten Kombination der Leistungen zugeordnet sind.
Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetenrad (6) mechanisch mit einer Zapfwelle (PTO) verbunden ist.
Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsweise der elektrischen Maschinen (13, 20) durch einen Leistungswandler (15) gesteuert ist, der seinerseits durch ein elektronisches System (35) gesteuert ist; dass das elektronische System (35) das Einspritzen von Treibstoff in den Motor (2) steuert und steuert, ob ein Einschalten einer Vorrichtung (5) zur Begrenzung eines Drehmomentes und zur mechanischen Verbindung/Trennung einer Ausgangswelle (3) des Motors (2) mit/von einer Übertragungswelle (4), die betriebsmäßig mit der Vorrichtung (39) verbunden ist, erfolgt oder nicht.
Einheit (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinen (13, 20), das elektronische System (35) und die Vorrichtung (5) die Zapfwelle betätigen und/oder das Fahrzeug in einer ausschließlich elektrischen Weise bewegen können
Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gangwechsel-Mechanismus (27) mit zwei Untersetzungsverhältnissen versehen ist, der einen Wechsel von einem niedrigen Übersetzungsverhältnis (dem „LO" Zustand) auf ein hohes Übersetzungsverhältnis (dem „HI" Zustand) ermöglichen, um die Effizienz-Pegel der Einheit (1) hoch zu halten.
Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (1) weiterhin Energiespeichereinrichtungen (33) umfasst, die durch zumindest eine der elektrischen Maschinen (13, 20) im Normalbetrieb der Einheit (1) geladen werden, wobei die Energiespeichereinrichtungen (33) zur Lieferung von Energie an zumindest eine der elektrischen Maschinen (13, 20) betreibbar sind, wenn diese als ein Motor wirkt, um eine Zusatzversorgung der Einheit (1) mit zusätzlicher Leistung über die Leistung hinaus zu liefern, die normalerweise von dem Dieselmotor (2) geliefert wird.