DE69631582T2

DE69631582T2 - Verteilungssystem für kombinierte Leistung unter Verwendung eines Differentials

Info

Publication number: DE69631582T2
Application number: DE69631582T
Authority: DE
Inventors: Tai-Her Yang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1996-05-09
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2016-05-10
Also published as: BR9601736A; DE69631582D1; AU728010B2; US5547433A; USRE39085E1; AU5219396A; EP0806316B1; AU5219596A; AU727772B2; EP0806316A1

Description

Das Misch-Leistungsverteilersystem mit verteilten Differenzialen dient zum Antrieb von Verkehrsmaschinen wie Fahrzeugen, Schiffen, Flugmaschinen oder anderen mechanischen Strukturen (bzw. andere industrielle oder Prozessanlagen) in Anwendungen mit Rotationsantrieb.
Ein Misch-Leistungsverteilersystem mit den Merkmalen des Oberanspruchs des Anspruchs 1 ist aus der GB 2 275 309 bekannt, die ein Leistung erzeugendes System zum Antrieb von Fahrzeugen oder dergl. mit einer Verbrennungskraftmaschine, Turbine oder anderen Leistungsquelle offenbart, die über ein Differenzial-Zahnradgetriebe oder dergl. mit einer Motor/Generator-Einheit gekoppelt ist. Steuereinrichtungen sind vorgesehen, um die Leistungszufuhr aus einer Motor/Generator-Einheit und einer Batterie zu steuern. Eine Bremse ist ebenfalls vorgesehen. Es sind verschiedene Ausführungsformen beschrieben, einschl. Systeme mit vorderer und hinterer Last.
Erfindungsgemäß hat ein Misch-Leistungsverteilersystem zum Einsatz in Rotationsantriebsanwendungen eine Rotationsleistungsquelle mit einer Ausgangswelle, eine vordere Last, mit der die Ausgangswelle über eine Kupplung gekoppelt ist, eine hintere Last mit zwei Seiten und einem Differenzial zwischen ihnen, ein Mischdifferential mit einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator, ein Differenzial-Getriebesystem, das die hintere Last, die vordere Last und die elektrische Maschine antrieblich verbindet, und eine zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine angeordnete Bremse sowie eine Einrichtung zum Steuern der Bremse, wobei die elektrische Maschine, wenn ein Eingangsstrom an sie gelegt und sie als Motor betrieben wird, unterschiedliche Motorantriebsfunktionen sowie auch unterschiedliche Generatorfunktionen ausüben kann, wenn sie als Generator betrieben wird, wobei die elektrische Maschine auch als Leistungsrückgewinnungsbremse eingesetzt wird, wenn die Rotationsleistungsquelle die Hauptleistungsquelle für die vordere und die hintere Last ist, und zum Laden einer Batterie verschaltet ist, zu welcher Zeit eine Drehzahldifferenz zur hinteren Last sich mittels des Ladestroms einstellen lässt, wobei die Ausgangsleistung der Rotationsleistungsquelle auf das Mischdifferential gerichtet wird und mit konstanter sowie mit teilweise verstellbarer Drehzahl antreibbar ist, um den Arbeitswirkungsgrad zu verbessern und die Umweltverschmutzung zu verringern, und wobei ein Teil der vom Mischdifferenzial umgewandelten Ausgangsleistung zum Antrieb der hinteren Last dient, während der Rest der Ausgangsleistung über die Generatorfunktion der elektrischen Maschine am Mischdifferenzials zum Laden der Batterie genutzt wird; das System ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mischdifferenzial im System getrennt vom Differenzial der hinteren Last zwischen der vorderen und der hinteren Last angeordnet ist.
Die Rotationsleistungsquelle lässt sich mit konstanter oder verschiedenen einstellbaren Drehzahlen betreiben, um mit einer für hohen Wirkungsgrad und niedrige Umweltveschmutzung geeigneten Drehzahl zu arbeiten. Ein Teil der durch das Differenzial laufenden Leistung dient zum Antrieb der Last, während der Rest von der Maschine umgewandelt wird, um die Batterie zu laden, so dass der Motorwirkungsgrad im Betrieb mit variabler Drehzahl bei niedriger Antriebsdrehzahl sich verbessert, die Umweltverschmutzung verringert wird und man eine Kopplung mit variabler Drehzahl erhält. Die elektrische Maschine lässt sich auch einsetzen, um Rotationsleistung zu erzeugen und mit dieser die Last unabhängig von oder zusammen mit der Rotationsleistungsquelle anzutreiben.
Andere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt das erste Anwendungssystem gem. 1;
3 zeigt das zweite Anwendungssystem gem. 1;
4 zeigt das dritte Anwendungssystem gem. 1;
5 zeigt das vierte Anwendungssystem gem. 1;
6 zeigt das fünfte Anwendungssystem gem. 1;
7 zeigt das sechste Anwendungssystem gem. 1;
8 zeigt das siebente Anwendungssystem gem. 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der jüngeren Vergangenheit hat die Energie- und Verschmutzungsproblematik an Wichtigkeit zugenommen; um sie abzuschwächen, ist die Verwendung elektrisch betriebener Fahrzeuge eine bessere Lösung. Die Forschung und Entwicklung bezüglich elektrisch betriebener Fahrzeuge wurde bisher von der Batteriekapazität beschränkt, will man größere Reichweiten erreichen, während das größere Batterievolumen bzw. die höhere Anzahl von Batterien das Eigengewicht des Fahrzeugs erhöht, so dass auch der elektrische Leistungsverbrauch steigt und die Wirtschaftlichkeitsziele sich nicht erreichen lassen. Bevor sich daher ein wesentlichen Durchbruch auf dem Gebiet der Batterietechnologie einstellt, ist die praktischere Antriebsmethode der Mischantrieb; hierzu liegen u. a. folgende Entwicklungen vor:

(A) Serienmischung: Diese Konstruktion ist am typischsten für elektrisch betriebene Fahrzeuge. Dabei treibt der Motor einen Generator an, der Elektrizität erzeugt und die Batterie lädt, die dann den angetriebenen Motor speist, der das Fahrzeug antreibt. Da die Energie mehrfach umgewandelt wird, ist der Gesamtwirkungsgrad der Konstruktion niedrig; vergl. hierzu die HX3-Systeme der Fa. General Motors.
(B) Synchronisierte Leistung auf gemeinsamer Welle: Durch direktes serielles Zusammenfassen der Motorausgangswelle und der Welle des angetriebenen Motors lassen sich Antriebs- und Drehzahlsteuerfunktionen erzeugen; vergl. hierzu u. a. die deutsche Limousine VW Chico.

Im Fall der in (B) beschriebenen Motoren lässt sich immer nur einer von ihnen zur Abgabe von Ausgangsleistung wählen; eine gemeinsame Ausgangsleistung ist nicht verfügbar.
Das erfindungsgemäße Mischsystem mit verteilten Differenzialen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung an der Ausgangswelle des Hauptmotors (bzw. einer anderen Rotationsleistungsquelle) nicht nur zum Antrieb der vorderen Last dient, sondern auch mit einem Differenzial-Mischantrieb zusammengefasst ist, um die hintere Last des Fahrzeugs anzutreiben, wobei die elektrische Maschine des genannten Differenzial-Mischantriebs ein GS- oder WS-Elektromotor mit oder ohne Bürsten in Kombination mit einem 3-endigen Differenzial ist, das sich in einem 3-endigen Differenzial-Zahnradgetriebe verkörpert, wobei die beiden Differenzial-Ausgangswellen und eine Eingangswelle mit dem elektrischen Gerät durch ein Zahnradgetriebe gekoppelt sind, während die beiden Radwellen der Differenzialgetriebe mit der von der antriebsseitigen Rotationsleistungseinheit angetriebenen Mittelwelle und mit der Eingangswelle des hinteren Differenzialgetriebes über eine Kupplung gekoppelt sind, um die zweiseitig differenziell wirkende hintere Last anzu treiben, wobei das genannte 3-endige Differenzial-Zahnradgetriebe durch ein Planetenradgetriebe und das Zahnradgetriebe durch ein Friktionsrad ersetzt werden kann. Weiterhin ist eine Bremse zwischen den Rotor und den Stator der elektrischen Maschine eingefügt und wird von der Betriebseinrichtung gesteuert, um bei anliegendem Eingangsstrom Motorfunktionen oder, wenn von der externen Kraft mitgenommen, Generatorfunktionen auszuüben. Bei dieser Konstruktion sind die Leistung und die Drehzahl des Hauptmaschinenausgangs zur hinteren Last und die Ausgangsleistung der elektrischen Maschine selbst addierbar, wobei der Additionsprozess nicht von der Drehzahlbeziehung zwischen beiden beeinträchtigt wird; weiterhin hat sie ein kleineres Systemvolumen und spart Kosten und Raum. Die genannte elektrische Maschine lässt sich von der Betriebssteuerung so steuern, dass bei anliegendem Eingangsstrom Motorantriebsfunktionen zum Antrieb der vorderen oder der hinteren Last oder beider gleichzeitig ausübt werden, dass der Motor angelassen wird, dass aus der Drehzahldifferenz zwischen dem Rotationsleistungseingang des Hauptmotors und der angetriebenen Last eine Generatorausgangsleistung erzeugbar ist, dass die differenzielle Einstellung der steuerbaren Drehzahländerung über das vom Ausgangstrom erzeugte Koppelmoment sich erzeugen lässt oder dass sie als Leistungsrückgewinnungsbremse arbeitet, was insbesondere für den Fall gilt, dass der Hauptmotor die Hauptleistungsquelle zum Laden der Batterie über die Drehzahldifferenz zwischen den beiden Differenzialwellen des 3-endigen Differenzial-Getriebesystems in der Differenzial-Mischantriebstruktur ist, wobei die Drehzahldifferenz zur hinteren Last sich durch Steuern des Ladestroms einstellen lässt. Der Hauptmotor kann mit konstanter oder teilweise einstellbarer Drehzahl arbeiten, um so eine Arbeitsdrehzahl mit höherem Betriebswirkungsgrad und niedrigere Umweltverschmutzung aufrecht zu erhalten; ein Teil der mit dem Differenzial-Mischantrieb aus de drehzahldifferenz erzeugten Ausgangsleistung wird zum Antrieb der Last genutzt und der Rest über die Generatorfunktion der elektromagne tischen Koppeleinrichtung umgewandelt, um die Batterie zu laden und so den Motorenwirkungsgrad beim Antrieb mit variabler Geschwindigkeit im Bereich niedriger Antriebsdrehzahlen zu verbessern, Ladeleistung für die Batterie zu gewinnen und dabei gleichzeitig die Umweltverschmutzung zu verringern und die variable Drehzahlkopplung zu erreichen. Weiterhin ist eine Nutzung als Antriebsmotor möglich, um einen unabhängigen Rotationsausgang zum Lastantrieb zu erzeugen oder um die Last zusammen mit dem Motor anzutreiben.
Die Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele in den beigefügten Zeichnungen wie folgt erläutert:
Die 1 zeigt das Ausführungsbeispiel des verteilten Differenzial-Mischantriebssystems, das wie folgt gekennzeichnet ist:

– Eine antriebsseitige Rotationsleistungsquelle P101, deren Ausgangsleistung zuerst die vordere Last ansteuert und dann auf den Eingang der Differenzial-Mischantriebseinrichtung M101 übertragen wird, um die hintere Last anzutreiben.
– Ein Differenzial-Mischantrieb M101, dessen Übertragungsarten des Ausgangsendes und des hinteren Ende die direkte Übertragung auf eine andere Last (oder über eine Übertragungskomponente an eine andere Last) oder die Übertragung an die differenziell wirkende Last über den hinteren Differenzialradsatz (bspw. die Hinterräder des Fahrzeugs) einschließen und die im wesentlichen folgendes aufweist:
– Eine antriebseitige Rotationsleistungseinheit P101: Es handelt sich um eine interne Hauptmaschine oder andere Leistungsquelle, wobei die Rotationsausgangswelle S102 über die Kupplung CL102 mit der mittigen Übertragungseinrichtung und Steuerschnittstelle M102 gekoppelt ist und die interne Hauptmaschine weiterhin einen Drehzahlsensor SD101 aufweist, mit dem ein Rotationssignal auf die zentrale Steuerung CCU101 gebbar ist und das steuerbare Kraftstoffventil CG101 von der zentralen Steuerung CCU101 gesteuert die Maschinendrehzahl ändern oder konstant halten kann;
– Eine mittige Übertragungseinrichtung und Steuerschnittstelle M102, die die selbsttätige oder manuelle Drehzahländerungssteuerung herkömmlicher Frontantriebe aufweist, um nur die vordere oder die gesamt Last anzutreiben. Eine Kupplung CL103 zwischen der mittigen Eingangswelle S101 und der vorderen Last besorgt die Übertragung oder sperrt die Übertragung zwischen der mittigen Übertragungseinrichtung und den Vorderrädern; die Kupplung CL103 kann auch durch die Neutralschaltung ersetzt oder gemeinsam mit ihr vorgesehen werden, wenn die Schaltschnittstelle sich im Neutralzustand befindet. Die genannten mittige Welle S101 am Ausgang der Kupplung CL102 ist entweder direkt oder über eine Übertragungseinrichtung ruckwärts verlängert, um den Drehzahlen zwischen der mittigen Welle S101 und dem Ausgang ein konstantes oder nicht konstantes Drehzahlverhältnis zu erteilen (entspricht der rückwärts verlängerten Übertragungswelle eines 4-Radantriebs). Weiterhin ist zwischen der mittigen Welle S101 und dem festen Gehäuse eine von der zentralen Steuerung CCU101 gesteuerte Bremse B101 angeordnet.
– Direkt angetriebene vordere Last W101: Besteht aus einem oder mehr angetriebenen Rädern mit angetriebenem Lastwiderstand.
– Differenzial-Mischantrieb M101: Besteht aus einer elektrischen Maschine U101 in Kombination mit dem 3-endigen Differenzial-Radübertragungssystem, das sich in einer 3-endigen Differenzialzahnradstruktur verkörpert, wobei die beiden Differenzial-Ausgangswellen und eine Eingangswelle mit der elektrischen Einrichtung U101 durch ein Zahnradgetriebe gekoppelt sind und die beiden Radwellen der Differenzialzahnräder mit der von der antriebsseitigen Rotationsleistungseinheit angetriebenen mittigen Übertragungswelle S101 und mit der Eingangswelle des hinteren Differenzialgetriebes GB101 über eine Kupplung CL104 gekoppelt sind, um die 2-seitige hintere Last differenziell anzutreiben. Das obige 3-endige Differenzial-Zahnradgetriebe ist durch ein Planetengetriebe und das Zahnradgetriebe durch ein Friktionsrad ersetzbar.
– Eine elektrische Maschine U101: Zwischen dem Rotor und dem Stator ist eine Bremse B103 angeordnet, die von der zentralen Steuerung CCU101 gesteuert den Rotor mit dem Stator direkt mechanisch synchron zwangsversperrt. Bei der genannten elektrischen Maschine U101 kann es sich um eine GS- oder WS-Maschine mit oder ohne Bürsten handeln; besonders geeignet ist eine Reihen- oder Doppelschlussmaschine, deren Drehzahl mit abnehmende Last ansteigt, oder eine strom- oder konstantstromgesteuerte GS- oder WS-Maschine mit oder ohne Bürsten, die von der Antriebssteuerschaltung D101 gesteuert wird und zum an die angetriebene Last gelieferten Drehmoment beiträgt.
– Eine Antriebssteuerschaltung D101, die zwischen die elektrische Maschine U101 und die Batterie BT101 geschaltet ist und Arbeitssignale aus der zentralen Steuerun CCU101 übernimmt, um die elektrische Maschine U101 als Generator zum Laden der Batterie, zur Leistungsabgabe an andere Lasten oder zur Abgabe einer stromsteuerbaren Ausgangsleistung anzusteuern.
– Eine zentrale Steuerung CCU101, die aus Befehlen der Bedienungsperson und entsprechend dem Betriebszustand der antriebsseitigen Rotationsleistungseinheit P101 die entsprechenden Steuerbefehle für die Antriebssschaltung D101 erzeugt.
– Eine Bremse B102 ist bei Bedarf zwischen das Gehäuse und die Anschlussseite der Kupplung CL104 zwischen der differenziell wirkenden Ausgangswelle des Differenzial-Mischantriebs M101 und dem angeschlossenen hinteren Differenzialgetriebe angeordnet, um die vordere Last anzutreiben, den Motor anzulassen oder im Stillstand Leistung abzugeben, wobei die elektrische Maschine U101 von der Hauptmaschine angetrieben wird, um als Generator die Batterie zu laden oder anderen Lasten Leistung zu liefern. Für den Fall der WS-Leistungserzeugung wird U101 so gewählt, dass die elektrische Maschine mit WS-Leistungsabgabefunktionen eine permanentmagnetisch oder wicklungser regte Einrichtung variabler Frequenz oder ein WS-Generator mit Bürsten ist, wobei die Ankerwicklung üblicherweise Kontaktringe zum Abnehmen des Wechselstroms bzw. Kommutatoren für den GS-Ein-/Ausgang aufweist; durch entsprechende Steuerung der Motorendrehzahl kann die Ausgangswechselspannung frequenzvariabel oder -konstant sein.
– Die vorgenannte direkt angetriebene Last und die differenziell verteilte Last können eine oder mehr Rotationsleistungsquellen, eine oder mehr direkt angetriebene Lasten oder eine oder mehr Differenzial-Mischantriebseinrichtungen M101 und deren Lastgruppen in Reihe geschaltet weisen oder zu einer größeren Serien-Verbundstruktur zusammengefügt sein.

Die Funktionen des Ausführungsbeispiels in 1 sind in der Tabelle 1 wie folgt umrissen:
F1-A, F1-B, F1-C, F1-D: verschiedene Betriebsarten, in denen die Hauptmaschine (Hauptmotor) die Last mit niedriger Drehzahl antreibt.
F2 und F3: Die elektrische Maschine U101 wird von der Batterie gespeist, um als Motor die Last anzutreiben.
F4-A, und F4-B: Die elektrische Maschine U101 arbeitet von der Batterie gspeist als Motor und treibt die Last gemeinsam mit dem Hauptmotor an, so dass durch Addition der Leistungen eine höhere Ausgangsleistung verfügbar ist.
F5, F6, F7: Die elektrische Maschine U101 arbeitet von der von der Last zurückgespeisten mechanischen Energie angetrieben als Generator, um die Batterie zu laden, oder unter Nutzung der Reibungsdämpfung des Hauptmotors selbst als Bremse.
F8: Die elektrische Maschine U101 arbeitet vom Hauptmotor angetrieben als Generator, um die Batterie zu laden. Dieser Funktion kann eine Ladezeitssteuerung hinzugefügt werden, um nach voreingestellter Dauer selbsttätig abzu schalten. Im Fall der WS-Erzeugung wird U101 als elektrische Maschine mit WS-Leistungserzeugerfunktionen gewählt und weist dann eine permanentmagnetisch oder wicklungserregte, frequenzvariabel angetriebene elektrische Einrichtung oder eine elektrische Einrichtung des WS-Generatortyps mit Bürsten auf, deren Ankerwicklung gemeinhin Kontaktringe für die WS-Abnahme und Kommutatoren für den GS-Ein-/Ausgang aufweist, wobei die WS-Ausgangsspannung über die Drehzahlregelung des Hauptmotors frequenzkonstant oder -variabel sein kann.
F9: Die elektrische Maschine U101 arbeitet als Motor und wird von der Batterie gespeist, um den Hauptmotor anzulassen.
F10: Im Neutral-Betrieb ("neutral sliding") sind alle Systemkupplungen und Bremsen AUS-geschaltet, um einen Schiebebetrieb mit niedrigen Verlusten zuzulassen.
Die oben genannten Arbeitsfunktionen des Systems lassen sich wie folgt beschreiben:
F1-A: Das Kraftstoffventil des Hauptmotors wird wie folgt so angesteuert, dass der Hauptmotor von niedriger zu hohen Drehzahlen hin beschleunigt:

– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle, die vom Krafstoffventil gesteuert die hintere Last antreibt; es befinden sich die Kupplungen CL102, CL104 im EIN-, die Kupplung CL103 im AUS-, die Bremsen B101, B102 im AUS- und die Bremse B103 im EIN-Zustand.
– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle, die vom Kraftstoffventil gesteuert die vordere und die hintere Last antreibt; es befinden sich alle Kupplungen CL102, CL103 und CL104 im EIN-, die Bremsen B101, B102 im AUS- und die Bremse B103 im EIN-Zustand.
– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle und treibt vom Kraftstoffventil gestuert die vordere Last an; es befinden sich die Kupplungen CL102, CL103 im EIN-, die Kupplung CL104 im AUS- und alle Bremsen B101, B102, B103 im AUS-Zustand.

F1-B: Das Kraftstoffventil des Hauptmotors und die elektrische Maschine U101 werden gleichzeitig so angesteuert, dass der Hauptmotor von niedriger zu hoher Drehzahl beschleunigt und gleichzeitig die Batterie geladen wird, und zwar wie folgt:

– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle, die vom Kraftstoffventil gesteuert die Drehzahl ändert, wobei die elektrische Maschine U101 als Generator arbeitend die Batterie lädt und die hintere Last antreibt; es befinden sich die Kupplung CL103 im AUS-, die Kupplungen CL102, CL104 im EIN- und alle Bremsen B101, B102, B103 im AUS-Zustand.
– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle, die vom Kraftstoffventil gesteuert die Drehzahl ändert und die elektrische Maschine U101 als Generator speist, der die Batterie lädt und die hintere und die vordere Last gemeinsam mit dem Hauptmotor antreibt; die Kupplungen CL102, CL103, CL104 befinden sich im EIN-, alle Bremsen B101, B102, B103 im AUS-Zustand.
– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle, die vom Kraftstoffventil gesteuert die Drehzahl ändert, die vordere Last antreibt, und die elektrische Maschine U101 als Generator arbeiten lässt, um gleichzeitig die Batterie zu laden; es befinden sich die Kupplung CL104 im AUS-, die Kupplungen CL102, CL103 im EIN-, die Bremsen B101, B103 im AUS- und die Bremse B102 im EIN-Zustand.

F1-C: Die Hauptmaschine arbeitet drehzahlgeregelt oder -konstant, wobei der Batterieladestrom aus der elektrischen Maschine U101 so geregelt wird, dass sich die an die Last abgegebene Leistung ändert, was aus folgendem besteht:

– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle und wird vom Kraftstoffventil und dem Drehzahl-Rückmeldesignal so angesteuert, dass er drehzahlkonstant arbeitet und die elektrische Maschine U101 so antreibt, dass sie die Batterie lädt, um so das Kupplungsdrehmoment zum Antrieb der hinteren Last einzustellen; es befinden sich die Kupplung CL103 im AUS-, die Kupplungen CL102, CL104 im EIN- und die Bremsen B101, B102, B103 im AUS-Zustand.
– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotauonsleistungsquelle, deren Drehzahl vom Kraftstoffventil und dem Drehzahlrückmeldesignal so gesteuert wird, dass er die vordere Last und die elektrische Maschine U101 so steuert, dass sie die Batterie lädt, um so das Kupplungsdrehmoment zum Antrieb der hinteren Last einzustellen; die Kupplungen CL102, CL102, CL104 befinden sich im EIN-, die Bremsen B101, B102, B103 im AUS-Zustand.

F1-D: Die elektrische Maschine U101 erzeugt einen Kurzschlussstrom ("skort cut current") zur Steuerung des Drehmoments der Ausgangswelle, um so die Drehzahl der Hauptmaschine zu ändern, und zwar wie folgt:

– Der interne Hauptmotor ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle, wobei das Kraftstoffventil und das Drehzahlrückmeldesignal dazu dienen, die Drehzahl der Hauptmaschine zu steuern und gleichzeitig die elektrische Maschine U101 als Generator zu betreiben und den erzeugten Kurzschlussstrom so zu steuern, dass das gekoppelte Drehmoment sich ändert, um so die an die vordere und die hintere Last übertragene Leistung zu ändern; es befinden sich die Kupplung CL103 im AUS-, die Kupplungen CL102, CL104 im EIN- und die Bremsen B101, B102, B103 im AUS-Zustand.

F2: Die elektrische Maschine wird aus der Batterie gespeist, um die Drehzahl oder -richtung des hinteren Last zu ändern, und zwar wie folgt:

– Die elektrische Maschine U101 treibt von der Batterie gespeist die hintere Last an. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet die elektrische Maschine U101 als Motor und befinden die Bremse B101 sich im EIN- und die Bremsen B102, B103 im AUS-Zustand. Die Kupplungen CL102, CL103 zum Ansteuern der vorderen Last befinden sich im AUS- und die Kupplung CL104 im EIN-Zustand.

F3: Die elektrische Maschine U101 arbeitet von de Batterie gespeist wie folgt, um die Drehzahl oder -richtung der vorderen Last zu ändern:

– Zu dieser Zeit wird die elektrische Maschine U101 als Motor betrieben; es befinden sich die Bremse B102 im EIN-, die Bremsen B101, B103 im AUS-, die Kupplungen CL102, CL104 im AUS- und die Kupplung CL103 im EIN-Zustand.

F4-A: Der Hauptmotor arbeitet mit voreingestellter Drehzahl, die elektrische Maschine U101 als Motor zur Abgabe von Zusatzleistung an die hintere Last wie folgt:

– Die interne Hauptmaschine ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle, wobei die Hauptmaschine drehzahlvariabler oder -konstant betrieben wird und gleichzeitig die elektrische Maschine U101 batteriegespeist Zusatzleistung zum gleichzeitig Antrieb der hinteren Last liefert. Dabei befinden sich die Kupplung CL103 im AUS-, die Kupplungen CL102, CL104 im EIN- und alle Bremsen B101, B102, B103 im AUS-Zustand.

F4-B: Der Hauptmotor arbeitet mit voreingestellter Drehzahl, die elektrische Maschine U101 als Motor zur Abgabe von Zusatzleistung an die vordere und die hintere Last wie folgt:

– Die interne Hauptmaschine ist die antriebsseitige Rotationsleistungsquelle, wobei die Hauptmaschine drehzahlvariabel oder -konstanter arbeitet und die elektrische Maschine U101 gleichzeitig batteriegespeist Zusatzleistung für den Antrieb der vorderen und der hinteren Last liefert. Dabei befinden die Kupplungen CL102, CL103, CL104 sich im EIN- und die Bremsen B101, B102, B103 im AUS-Zustand.

F5: Die elektrische Maschine U101 wird als Generator betrieben, um unter Ausnutzung von von der hinteren Last rückgewonnener Energie die Batterie zu laden, und zwar wie folgt:

– Die Motordrehzahl wird verringert oder das Kraftstoffventil geschlossen und die elektrische Maschine U101 als Generator betrieben, um die mechanische Rotationsenergie der hinteren Last in elektrische Leistung zum Laden der Batterie oder zum Verbrauch durch andere Lasten umzuwandeln und so mit der Dämpfung durch die Kolben des Hauptmotors zusammen eine bremsende Reibungsdämpfung ("friction damping") zu erhalten; die Bremsen B101, B102, B103 befinden sich im AUS-, die Kupplung CL103 im AUS- und die Kupplungen CL102, CL104 im EIN-Zustand und der Hauptmotor kann stillstehen oder langsam laufen.
– Die elektrische Maschine U101 arbeitet als Generator, um die mechanische Rotationsenergie der hinteren Last in elektrische Leistung zum Laden der Batterie oder zum Verbrauch durch andere Lasten umzuwandeln, um so die Friktionsdämpfung zu erreichen; es befinden sich die Bremse B101 im EIN- und die Bremsen B102, B103 sowie die Kupplungen CL102, CL103 im AUS-Zustand und kann der Hauptmotor stillstehen oder mit der Schibedrehzahl ("sliding speed") laufen; mit der Kupplung CL104 im EIN-Zustand kann die Hauptmaschine arbeiten oder stillstehen.

F6: Die elektrische Maschine U101 wird als Generator betrieben, um unter Nutzung von von der vorderen Last rückgewonnener kinetischer Energie die Batterie zu laden, und zwar wie folgt:

– Die Motordrehzahl wird verringert oder das Kraftstoffventil geschlossen und die elektrische Maschine U101 arbeitet als Generator, um die mechanische Rotationsenergie der vorderen Last in elektrische Leistung zum Laden der Batterie oder zum Verbrauch durch andere Lasten umzuwandeln und so eine Friktionsdämpfung und zusammen mit der Dämpfung durch die Kolben des Hauptmotors eine Bremsreibungsdämpfung zu erhalten; es befinden sich die Bremsen B101, B103 im AUS-, die Bremse B102 im EIN-, die Kupplung CL104 im AUS- und die Kupplungen CL102, CL103 im EIN-Zustand und der Hauptmotor kann stillstehen oder langsam laufen.
– Die elektrische Maschine U101 arbeitet als Generator, um die mechanische Rotationsenergie der vorderen Last in elektrische Leistung zum Laden der Batterie oder zum Verbrauch durch andere Lasten umzuwandeln und so eine Friktionsdämpfung zu erhalten; dabei befinden sich die Bremse B102 im EIN-, die Bremsen B101, B103 im AUS-, die Kupplungen CL102, CL104 im AUS- und die Kupplung CL103 im EIN-Zustand und kann die Hauptmaschine stillstehen oder mit geringerer als der Schiebedrehzahl arbeiten; mit der Kupplung CL102 im AUS-Zustand kann die Hauptmaschine arbeiten oder stillstehen.

F7: Sämtliche Lasten werden durch Motorreibungsdämpfung abgebremst, und zwar wie folgt:

– Die Drehzahl der Hauptmaschine wird verringert oder das Kraftstoffventil geschlossen und der Generator dient dazu, die mechanische Rotationsenergie der hinteren und vorderen Last in Reibungsdämpfung umzuwandeln und zusammen mit der Reibungsdämpfung der Kolben des Hauptmotors die Bremsreibungsdämpfung zu erzeugen; die Bremsen B101, B102, B103 befinden sich im AUS- und die Kupplungen CL102, CL103, CL104 im EIN-Zustand und die Hauptmaschine kann stillstehen oder langsam laufen.

F8: Das System arbeitet selbstladend ("self charged") wie folgt:

– Die elektrische Maschine U101 wird von der antriebsseitigen Rotationsleistungsquelle als Generator angetrieben, um die Batterie zu laden oder ande ren Lasten Leistung zu liefern. Beim Anlassen der Hauptmotors befinden sich die Bremsen B101, B103 im AUS-, die Bremse im EIN-, die Kupplungen CL103, CL104 im AUS- und die Kupplung CL102 im EIN-Zustand. Mit einem Zeitgeber lässt sich die Ladezeit der Hauptmaschine voreinstellen oder unter Ausnutzung der Ladekapazität ein selbsttätiger Ladestopp auslösen. Für den Wechselstromfall dient als elektrische Maschine mit WS-Erzeugungsfunktion ein permanentmagnetisch oder wicklungserregter, frenuenzvariabel feldangesteuerter oder ein WS-Generator mit Bürsten und Kontaktringen für den WS-Ausgang und Kommutatoren für den GS-Ein-/Ausgang, wobei über die Drehzahlregelung der Maschine der Ausgangs-WS mit variabler oder konstanter Geschwindigkeit erfolgen kann.

F9: Die elektrische Maschine U101 wird als Motor zum Anlassen des Hauptmotors betrieben wie folgt:

– Die elektrische Maschine U101 dient zum Anlassen des antriebsseitigen Hauptmotors. Die Bremse B102 befindet sich im EIN- und die Bremsen B101, B103 im Auszustand; die Arbeitsschnittstelle M102 und die Kupplungen CL103, CL103 der vorderen Last befinden sich im AUS-, die Kupplung CL102 im EIN-Zustand.

F10: Neutral-Schiebefunktion ("neutral slide"): Es handelt sich um die Schiebefunktion des Systems, bei der keine Leistungsabgabe und Bremse aktiviert sind wie folgt:

– Der Hauptmotor kann laufen oder stillstehen; die Bremsen B101, B102, B103 sowie die Kupplungen CL102, CL103, CL104 befinden sich allesamt im AUS-Zustand.

Das Ausführungsbeispiel des Leistungsverteilersystems der 1 lässt sich in praktischen Anwendungen wie folgt varueren.
Die 2 zeigt eine erste Anwendung des Systems der 1, bei der die Kupplung CL104 entfällt und die Systemfunktionen in der Tabelle 2 umrissen sind.
Die 3 zeigt eine zweite Anwendung des Systems der 1, bei der die Kupplung CL104 und die Bremse B102 entfallen; die Systemfunktionen sind in der Tabelle 3 umrissen.
Die 4 zeigt eine dritte Anwendung des Systems der 1, bei der die Bremsen B102, B103 sowie die Kupplung CL104 entfallen; die Systemfunktionen sind in der Tabelle 4 umrissen.
Die 5 zeigt eine vierte Anwendung des Systems nach 1, bei der weiterhin zwischen die mittige Ausgangswelle für die hintere Last und die mittige Übertragungseinrichtung eine Kupplung CL105 eingefügt ist, während die Kupplung CL103 zur Ansteuerung der vorderen Last reserviert (oder durch die Gangschaltung der mittigen Getriebeeinrichtung ersetzt) ist. Die Systemfunktionen sind in der Tabelle 5 umrissen, wo neben den Funktionen der Tabelle 1 folgende Zusatzfunktionen gelten:
F11: Die Hauptmaschine dient zum Antrieb der vorderen Last und die elektrische Maschine U101 treibt aus der Batterie gespeist die hintere Last; beide werden zum Antrieb der jeweiligen Last unabhängig voneinander angesteuert. Dabei befinden sich die Bremse B101 im EIN-, die Bremsen B102, B103 und die Kupplung CL105 im AUS- und die Kupplungen CL102, CL103, CL104 im EIN-Zustand.
F12: Die Hauptmaschine treibt die vordere Last an und nimmt die elektrische Maschine U101 mit, um als Generator die Batterie zu laden; dabei befinden sich die Bremse B101 im EIN-, die Bremsen B102, B103 im AUS-, die Kupplung CL105 im AUS- und die Kupplungen CL102, CL103, CL104 im EIN-Zustand.
Die 6 zeigt eine fünfte Anwendung des Systems der 1, bei der weiterhin zwischen die mittige Ausgangswelle zur hinteren Last und die mittige Getriebeeinrichtung eine Kupplung CL105 eingefügt ist und die Kupplung CL104 entfällt; die Systemfunktionen sind in der Tabelle 6 umrissen.
Die 7 zeigt die sechste Anwendung des Systems der 1, bei der zwischen die mittige Ausgangswelle zur hinteren Last und die mittige Getriebeeinrichtung die Kupplung CL105 eingefügt ist und die Kupplung CL104 und die Bremse B102 entfallen; die Systemfunktionen sind in der Tabelle 7 umrissen.
Die 8 zeigt die siebte Ausführung des Systems der 1, bei der weiterhin die Kupplung CL105 installiert ist und die Kupplung CL104 und die Bremsen B102, B103 entfallen; die Systemfunktionen sind in der Tabelle 8 umrissen.
Die oben beschriebenen Anwendungen gelt nur beispielsweise. Praktische Anwendungen lassen sich erreichen, indem man die Antriebseigenschaften für die vordere und die hintere Last in einem Mischsystem mit Verteilerdifferenzial den Leistungs- und Verhaltensforderungen gemäß aufteilt, ohne die erfindungsgemäße Konstruktion ändern zu müssen, um die entsprechenden Arbeits- und Ansteuerelemente auszuwählen.

– Wendet man die Systeme der Ausführungsbeispiele nach 1–8 auf Träger an, gilt für den Winkelversatz zwischen der vorderen und der hinteren Last und der Antriebsleistungsquelle aus dem Übertragungsverhältnis und den unterschiedlichen Rad-Außendurchmessern u. a. folgendes: Die Winkelversatz geschwindigkeit der beiden Lasten und der antriebsseitigen Rotationsleistungsquelle werden entsprechend dem Radsatzverhältnis betrieben oder die Winkelversatzzuordnung zwischen den beiden Lasten und ihrem Betrieb mit der antriebsseitigen Rotationsleistungsquelle wird nicht entsprechend dem Radsatzverhältnis betrieben (bspw. beim Rutschen auf der Straßenoberfläche); insbesondere lässt der Zusammenhang zwischen dem Winkelversatz der hinteren Last und der antriebsseitigen Leistungsquelle oder zwischen der vorderen und der hinteren Last sich speziell so einstellen, dass er nicht dem Radsatzverhältnis entsprechend, sondern über die elektrische Maschine U101 differenziell eingestellt arbeitet.
– Das differenziell wirkende Einstellen der elektrischen Maschine U101 schließt eine aktives Einstellen über die Eingangsleistung zwecks Funktion als Motor oder ein passives Einstellen zwecks Funktion als Generator zum Liefern von Ausgangsleistung ein.
– Bei Fahrzeugantriebsanwendungen der vorgenannten vorderen und hinteren Last kann es sich im Rahmen der vorgenannten Definition bei der vorderen Last um die Vorder- oder die Hinterräder und bei der hinteren Last entsprechend um die Hinter- bzw. Vorderräder handeln.
– Das Leistungsmischsystem mit verteilten Differenzialen hat zahlreiche Arbeitsfunktionen hinsichtlich des charakteristischen Aufbaus zum differenziellen Antrieb der vorderen und der hinteren Last; in praktischen Anwendungen kann es daher mit allen oder einem Teil derselben ausgeführt sein.

Die vorgehende Beschreibung lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass das Leistungsverteilsystem mit verteilten Differenzialen auf Fahrzeuge und Boote und auch auf ortsfeste Anlagen anwendbar ist. Die vorgenannten Ausführungsbeispiele offenbaren verschiedene Anwendungsarten des erfindungsgemäßen Systems; in praktischen Anwendungen kann man die periphären Systemteile zur Darstellung der Ausgangsfunktionen bedarfsgerecht so auswählen, dass man weit gehende Freiheit für das Aufbauen des Sollsystems erhält.

Claims

Kombiniertes Leistungsverteilsystem zum Einsatz in Rotations-Antriebsanwendungen, mit: einer Rotations-Leistungsquelle (P101) mit einer rotierenden Ausgangswelle; einer hinteren Last (W102) mit zwei Seiten und einem Differential zwischen ihnen; einem Mischdifferential (M101) mit einer elektrischen Maschine (U101) mit einem Rotor und einem Stator, einem Differentialgetriebe, mit dem die hintere Last, die vordere Last (W101) und die elektrische Maschine antrieblich verbunden sind, einer Bremse (B103) zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine (U101) sowie einer Einrichtung (D101) zum Steuern der Bremse (B103), wobei die elektrische Maschine (U101) unterschiedliche Motorantriebsfunktionen erzeugen kann, wenn ein Eingangsstrom angelegt wird und die Maschine (U101) als Motor verwendet wird, und unterschiedliche Generatorfunktionen über einen Ausgangsstrom erzeugen kann, wenn die elektrische Maschine (U101) als Generator verwendet wird, wobei die elektrische Maschine (U101) auch als Leistungsrückgewinnungsbremse verwendet wird, wenn die Rotations-Leistungsquelle (P101) die Hauptleistungsquelle für die vordere und die hintere Last (W101, W102) ist, und wobei die elektrische Maschine (U101) mit einer Batterie (BT101) verbunden ist und sie lädt, zu welcher Zeit eine Drehzahldifferenz zur hinteren Last (W102) durch Steuern des Ladestroms einstellbar ist, und wobei die Ausgangsleistung der Rotations-Leistungsquelle (P101) zum Mischdifferential gerichtet wird und sich mit konstanter und mit teilweise einstellbarer Drehzahl antreiben lässt, um den Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen und die Umweltverschmutzung zu verringern, und wobei ein über das Mischdifferential (M101) transformierter Teil der Ausgangsleistung zum Antrieb der hinteren Last genutzt wird, während der Rest der Ausgangsleistung über die Generatorfunktion der elektrischen Maschine (U101) des Mischdifferentials (M101) zum Laden der Batterie (BT101) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischdifferential (M101) im System separat vom hinteren Lastdifferential zwischen der vorderen und der hinteren Last (W101, W102) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1 weiterhin mit einer Bremse (B102) zwischen der differentiell wirkenden Ausgangswelle des Mischdifferentials (M101) und der hinteren Last (W102).
System nach Anspruch 2 weiterhin mit einer Kupplung (CL104) zwischen der Bremse (B102) und der hinteren Last (W102).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3 weiterhin mit eine Bremse (B101) zwischen dem Mischdifferential und der vorderen Last.
System nach Anspruch 4 weiterhin mit einer Kupplung (CL105) zwischen dem Mischdifferential (M101) und der vorderen Last (W101).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 weiterhin mit einer Kupplung (CL102) zwischen der Rotations-Leistungsquelle (P101) und der vorderen Last (W101).
System nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem die vordere Last (W101) eine mutige Getriebeeinrichtung, eine Steuerschnittstelle (M102) und die Kupplung (CL103) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die elektrische Maschine (U101) so eingerichtet ist, dass die Drehzahl ihres Rotors mit abnehmender Last am Rotor steigt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis6, bei dem die elektrische Maschine (U101) so eingerichtet ist, dass sie von der Ansteuerschaltung (D101) steuerbar ist, um einer angetriebenen Last zusätzliches Drehmoment zu liefern.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9 weiterhin mit einem zentralen Controller (CCU101) zum Steuern der Bremse (B103).
System nach Anspruch 10, bei dem der zentrale Controller (CCU101) Einrichtungen aufweist, die bewirken, dass mit dem System folgende Funktionen ausführbar sind: Ansteuern des Motorkraftstoffventils derart, dass die Rotations-Leistungsquelle (P101) von einer niedrigen zu einer hohen Drehzahl hin angetrieben wird; gleichzeitiges Ansteuern des Motorkraftstoffventils und der elektrischen Maschine (U101) derart, dass die Rotations-Leistungsquelle (P101) von einer niedrigen zu einer hohen Drehzahl hin angetrieben und gleichzeitig die Batterie (BT101) geladen wir; Ändern einer Drehahlder Rotations-Leistungsquelle (P101), indem man die elektrische Maschine (U101) einen Strom erzeugen lässt; Speisen der elektrischen Maschine (U101) aus der Batterie (BT101), um die Drehzahl der hinteren Last zu ändern; Speisen der elektrischen Maschine (U101) aus der Batterie (BT101), um die Drehzahl der vorderen Last zu ändern; Betreiben der Rotations-Leistungsquelle (P101) mit voreingestellter Drehzahl, während die elektische Maschine (U101) als Motor arbeitet, um zusätzliche Leistung zum Antrieb der hinteren Last zu liefern; Betreiben der elektrischen Maschine (U101) als Generator, um unter Nutzung von an der hinteren Last rückgewonnener kinetischer Energie die Batterie (BT101) zu laden; Betreiben der elektrischen Maschine (101) als Generator, um unter Nutzung von an der vorderen Last rückgewonnener kinetischer Energie die Batterie (BT101) zu laden; Abbremsen aller Lasten durch Motor-Reibungsdämpfung; und Antreiben der elektrischen Maschine (U101) durch die Rotations-Leistungsquelle (P101) derart, dass erstere als Generator zum Laden der Batterie (BT101) arbeitet und an diese angeschlossene zusätzliche Lasten speist.
System nach Anspruch 10, bei dem der zentrale Controller (CCU101) Einrichtungen aufweist, mit denen bewirkbar ist, dass das System folgende Funktionen ausführt: Ansteuern des Motor-Kraftstoffventils derart, dass die Rotations-Leistungsquelle (P101) von niedriger zu hoher Drehzahl hin steigt; gleichzeitiges Ansteuern des Motor-Kraftstoffventils und der elektrischen Maschine (U101) derart, dassdie Rotations-Leistungsquelle (P101) von niedriger zu hoher Drehzahl hin steigt und gleichzeitig die Batterie (BT101) geladen wid; Ändern der Drehzahl der Rotations-Leistungsquelle (P101), indem man die elektrische Maschine einen Strom erzeugen lässt; Speisen der elektrischen Maschine (U101) aus der Batterie (BT101), um die Drehzahl der hinteren Last zu ändern; Speisen der elektrischen Maschine (U101) aus der Batterie (BT101), um die Drehzahl der vorderen Last zu ändern; Betreiben der Rotations-Leistungsquelle (P101) mit voreingestellter Drehzahl, während die elektrische Maschine als Motor betrieben wird, um zusätzliche Leistung zum Antrieb der hinteren Last zu liefern; Betreiben der elektrischen Maschine (U101) als Generator, um unter Nutzung von an der hinteren Last rückgewonnener kinetischer Energie die Batterie zu laden; Betreiben der Rotationsleistungsquelle (P101) als Generator, um unter Nutzung von an der vorderen Last rückgewonnener kinetischer Energie die Batterie zu laden; Abbremsen aller Lasten durch Motor-Reibungsdämpfung; Antreiben der elektrischen Maschine als Generator zum Laden der Batterie und Abgabe elektrischer Ausgangsleisung an an letztereangeschlossene zusätzliche Lasten; Betreiben des Motors zum Antrieb der vorderen Last und unabhängiges Betreiben der elektrischen Maschine zum Antrieb der hinteren Last; und Betreiben des Motors zum Antrieb der vorderen Last und auch der elektrischen Maschine zum Laden der Batterie.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die vordere und die hintere Last Räder aufweisen und der Zusammenhang zwischen der vorderen und der hinteren Last nicht auf einen Betrieb nach der Verhältnisbeziehung des Radsystems, sondern auf einen Betrieb über eine differentiell wirkende Einstellung durch die elektrische Maschine (U101) eingerichtet ist.
System nach Anspruch 13, bei dem die differentiell wirkende Einstellung der elektrischen Maschine (U101) eine aktive Einstellung der Eingangsleistung, wenn die elektrische Maschine als Motor arbeitet, und eine passive Einstellung der Ausgangsleistung beinhaltet, wenn die elektrische Maschine als Generator arbeitet.
System nach einem der vorgehenden Ansprüchen, bei dem die vordere Last der vordere oder der hintere Radsatz eines Fahrzeugs und die hintere Last der jeweils andere Radsatz ist.
System nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem das Übertragungsgetriebe zwei differentielle Ausgangswellen und eine Eingangswelle aufweist, die mit der elektrischen Einrichtung über ein Zahnradgetriebe gekoppelt ist, wobei die beiden Radwellen der Differentialgetriebe mit einer von der Rotations-Leistungsquelle angetriebenen mittigen Getriebewelle und mit der Eingangswelle des hinteren Differentialgetriebes über eine Kupplung gekoppelt sind, um die zweiseitige, differentiell wirkende hintere Last anzutreiben.
System nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem das System ein Vierradantrieb für ein Fahrzeug ist.
System nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Maschine (U101) für den Einsatz zum Anlassen der Rotations-Leistungsquelle (P101) eingerichtet ist.