ITBO20000607A1 - Gruppo di propulsione per un mezzo semovente - Google Patents

Description

D E S C R I Z IO N E

del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione è relativa ad un gruppo di propulsione per un mezzo semovente.

Nella tecnica sono conosciuti dei gruppi di propulsione in cui una parte dell’energia prodotta da un motore a combustione interna viene trasformata in energia elettrica al fine di migliorarne il controllo. Tali gruppi sono però contraddistinti da bassi rendimenti ed un ristretto campo di velocità regolabile a piena potenza.

Pertanto, obiettivo della presente invenzione è quello di avere un gruppo propulsore che sia in grado di raggiungere la velocità di avanzamento dell'autoveicolo scelta dal guidatore in maniera continua. Il raggiungimento di tale obiettivo è particolarmente auspicabile per un trattore agricolo, in cui si abbia la necessità di regolare con continuità la potenza da inviare alle ruote, e che, a scelta dell'operatore, possa funzionare anche da autoveicolo elettrico.

E' noto che per far variare la potenza in modo continuo ci sono diversi sistemi. Per esempio, a questo scopo possono essere usati vantaggiosamente dei sistemi idraulici, dei sistemi elettrici e dei sistemi a vapore. In generale, ogni qual volta la potenza viene trasmessa per via "fluidica" si ha la possibilità di regolare con continuità tale potenza. Poiché si sa che qualsiasi trasmissione di potenza avviene a costo di una perdita della stessa a causa dei rendimenti sempre inferiori ad uno, si è cercato di individuare delle soluzioni che, pur permettendo la regolazione fine della potenza, abbiano come conseguenza che una quota parte della potenza prodotta dal motore a combustione interna sia trasmessa per via solamente meccanica. Pertanto è stato necessario escogitare una forma di interazione fra quei fattori che possono essere controllati finemente, come la potenza elettrica, con la quota parte di potenza trasmessa sempre per via meccanica. E' stato quindi importante vedere come la manipolazione di un primo flusso convertito in elettrico si ripercuotesse su un secondo flusso di potenza che, dalla generazione in corrispondenza del motore a combustione interna fino al suo uso sulle ruote dell'autoveicolo, rimane sempre meccanico .

In altre parole la quota parte della potenza che rimane sempre meccanica viene condizionata dalla frazione elettrica. Questo condizionamento avviene senza perdite per basso rendimento. Conservare una frazione meccanica vuol dire conservare una porzione della potenza che va verso le ruote con il più alto rendimento .

Quindi secondo la presente invenzione viene realizzato un gruppo di propulsione per autoveicoli, gruppo comprendente un motore a combustione interna ed almeno due macchine elettriche; gruppo caratterizzato dal fatto che detto motore a combustione interna e dette almeno due macchine elettriche sono collegati meccanicamente con un dispositivo di suddivisione/ricombinazione delle potenze erogate/assorbite da detto motore a combustione interna e da dette macchine elettriche, e dal fatto che dette macchine elettriche sono entrambe atte a funzionare sia da generatori che da motori.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 illustra un diagramma di flusso della potenza che esemplifica i concetti che sono alla base del gruppo di propulsione oggetto della presente invenzione;

la figura 2 mostra uno schema generale semplificato del gruppo oggetto della presente invenzione;

- la figura 3 illustra l'andamento del fascio di rette che danno la velocità di una corona di un ingranaggio epicicloidale utilizzato nella presente invenzione in funzione delle velocità angolari di un relativo solare; ciascuna retta è relativa ad una particolare velocità angolare del portasatelliti e quindi di un motore a combustione interna ad esso collegato compreso nel gruppo di figura 2; ed infine - la figura 4 mostra l'andamento del rendimento relativo, rispetto ad una trasmissione meccanica ideale, in funzione della velocità dell'autoveicolo.

La figura 1 esemplifica i concetti che sono alla base della presente invenzione. Nella prima stazione la potenza generata da un motore a combustione interna, in particolare, da un motore diesel, viene fornita al sistema alla condizioni ottimali di funzionamento del motore a combustione interna stesso. Tali condizioni ottimali sono, per definizione, quelle in cui si hanno le minime emissioni coniugate ad un minimo rumore ed un minimo consumo.

Nella seconda stazione la potenza meccanica prodotta nella prima stazione viene suddivisa in due flussi di potenza meccanica.

In corrispondenza della terza stazione una parte del flusso di potenza meccanica è convertita in energia elettrica e subito dopo riconvertita in energia meccanica e ricombinata, nella quarta stazione, con la porzione della potenza rimasta meccanica.

In corrispondenza della quinta stazione la potenza meccanica ricombinata viene inviata al suolo per spostare il mezzo semovente.

In altre parole, nel gruppo oggetto della presente invenzione il flusso di potenza prodotto da un motore a combustione interna viene suddiviso in due flussi. Un primo flusso viene convertito in potenza elettrica facilmente controllabile, mentre un secondo flusso viene mantenuto tutto il tempo meccanico per non rinunciare agli alti rendimenti dovuti al fatto che tale potenza meccanica non viene convertita in elettrica per poi essere riconvertita in meccanica, conversioni che, come è noto, a causa dei rendimenti delle macchine elettriche, si ottengono con una doppia perdita di potenza. Tuttavia, è questo è uno degli aspetti più innovativi della presente invenzione, la porzione di potenza che è rimasta per tutto il tempo meccanica viene condizionata dalla frazione che è stata trasformata in elettrica. Questo condizionamento avviene senza perdite per basso rendimento.

In altre parole, si agisce sulla velocità e sulla coppia che vanno alle ruote intervenendo soltanto sulla frazione elettrica della potenza regolando nel contempo anche quella rimasta sempre meccanica.

D'altra parte per potere avere una grande ampiezza di regolazione, cioè per potere dare la possibilità al sistema di avere velocità fino a 50 Km/h ed avere i tiri massimi quando le velocità sono minime e dei tiri limitati dalla potenza installata quando le velocità sono massime, il sistema deve avere un campo di regolazione enorme e questo lo si ottiene utilizzando le possibilità delle macchine che fanno parte del gruppo di essere regolate su quattro quadranti. Quindi è molto importante il fatto che il gruppo di propulsione preveda delle macchine elettriche utilizzabili nei due sensi della velocità di rotazione e nei due sensi della coppia. Tali macchine elettriche, quindi, devono essere destrorse e sinistrorse e devono funzionare da motori e da freni, in modo che possano definire delle condizioni cinematiche, per coprire tutti i campi di velocità, e delle condizioni dinamiche, per coprire tutti i campi di coppie, funzionando sia da motori che da freni. Nella presente invenzione se una macchina elettrica funziona da motore bisogna che la sua energia provenga da una macchina elettrica, appartenente allo stesso gruppo, funzionante da generatore, oppure da dispositivi di accumulazione dell'energia elettrica, soltanto in caso di sovrarichiesta (overboost) di potenza. In linea di principio la presenza della batteria non è indispensabile per il funzionamento del sistema, tuttavia è auspicabile per fornire energia elettrica durante un regime di sovrarichiesta (oberboost) di potenza. Nel caso in cui una macchina elettrica funziona da motore utilizzando la potenza elettrica prodotta dall'altra macchina elettrica funzionante da generatore, il bilancio energetico si chiude sempre a zero, anche senza le batterie, a meno delle perdite di rendimento che si traducono in un calo della potenza finale trasmessa alle ruote.

In altre parole, per avere la regolazione della velocità tra zero ed il massimo e contemporaneamente la regolazione del tiro che varia in maniera iperbolica rispetto alla velocità è necessario avere una regolazione ampliata in cui le macchine elettriche riescano ad espletare un doppio senso di rotazione dell'albero motore ed un doppio senso della coppia.

In definitiva in figura 1 viene mostrato il seguente trattamento della potenza meccanica:

- si divide la potenza in due flussi;

un primo flusso meccanico si converte in un flusso elettrico e si manipola secondo il regime che deve avere il gruppo;

- la potenza elettrica si riconverte in meccanica e si ricombina con il secondo flusso meccanico che però è stato condizionato per equilibrio dal primo flusso in modo che si possa coniugare con il primo flusso stesso.

In figura 2 con 1 si è indicato nel suo complesso il gruppo di propulsione oggetto della presente invenzione .

Tale gruppo 1 comprende un motore a combustione interna 2, in particolare un motore diesel, atto a fornire potenza meccanica ad un primo albero 3 di trasmissione, quest'ultimo essendo accoppiato meccanicamente ad un secondo albero 4 di trasmissione tramite un dispositivo 5 limitatore di coppia e di connessione/disconnessione meccanica dell'albero 3 all'albero 4.

Il secondo albero 4 termina, in corrispondenza con l'estremità più distante dal dispositivo 5, con un portasatelliti 6 di un rotismo epicicloidale 7 ed è in grado di inviare una parte della potenza ad una frizione 8 di una PTO (non rappresentata).

Il rotismo epicicloidale 7 comprende, oltre al già citato portasatelliti 6, un solare 9, una corona 10 ed una serie di satelliti 11. In maniera tradizionale il portasatelliti 6 è messo in rotazione dal motore 2 a combustione interna intorno ad un asse XI, mentre i satelliti 11 possono ruotare intorno ad assi X2 con modalità che vedremo meglio in seguito.

Solidale al solare 9 è prevista una ruota dentata 12 che è utilizzata per inviare il moto a, o ricevere il moto da, una macchina elettrica 13, per il tramite di una ruota dentata 14 ingranata, per l'appunto, con la ruota dentata 12. Tale macchina elettrica 13, secondo il regime di funzionamento del gruppo motore 1, funziona o da generatore o da motore (vedi oltre).

Inoltre la macchina elettrica 13 è collegata elettricamente ad un convertitore di potenza 15 per mezzo di una linea elettrica 16.

Ritornando al rotismo 7 possiamo notare che solidale alla corona 10 è prevista una ruota dentata 17 che ingrana con una ruota oziosa 18 su un albero 19 di una macchina elettrica 20 anch/essa collegata elettricamente al convertitore 15 per il tramite di una linea elettrica 21. Anche la macchina elettrica 20, in funzione del regime del gruppo 1, può funzionare o da generatore o da motore (vedi oltre).

Sull'albero 19 è calettata inoltre una ruota dentata 22 in presa con una ruota dentata 23, a sua volta calettata su un albero 24.

Questo albero 24 supporta una ruota dentata 25 ingranata con la citata ruota oziosa 18.

Inoltre l'albero 24 prevede ad una sua estremità un freno 26, mentre all'altra può allocare, convenientemente, ma non necessariamente, un cambio di velocità 27 a due rapporti per mezzo del quale viene inviato il moto ad un differenziale 28 associato alle ruote posteriori dell'autoveicolo.

Tra il cambio di velocità 27 ed il differenziale 28 si trova un albero 29 su cui è calettata una ruota dentata 30 in presa con una ruota dentata 31 appartenente ad un dispositivo 32 di rinvio del moto all'assale anteriore dell'autoveicolo.

Al convertitore 15 è collegato elettricamente un dispositivo 33 di accumulazione di energia elettrica tramite una linea elettrica 34.

Tutte le operazioni effettuate dal gruppo 1 sono comandate e controllate da una centralina elettronica 35 collegata elettricamente, tramite rispettive linee elettriche 36, 37, al convertitore 15 ed al motore 2.

La velocità in uscita dal gruppo 1 è selezionata da un operatore per mezzo di una leva di comando 38. In altre parole, l'operatore seleziona la velocità dell'autoveicolo scegliendo un angolo a di inclinazione della leva 38. In particolare, la leva 38 può essere accoppiata anche ad un pedale.

Come sarà spiegato meglio nel prosieguo, in generale in condizione di potenza prelevata dal solo motore 2 e quando la macchina 13 funziona da motore, la macchina 20 si comporta da generatore, e viceversa. A decidere quale macchina 13, 20 deve comportarsi da motore e quale da generatore è la centralina 35 che agisce opportunamente sul convertitore 15. Nella sola situazione di "overboosting" entrambe le macchine elettriche 13, 20 si comportano da motori, oppure la macchina elettrica 13 si comporta da motore, mentre l'altra macchina elettrica 20 non assorbe potenza (vedi oltre).

Il rotismo 7 e le ruote dentate 12, 14, 17, 18, 22, 23, 25 costituiscono un dispositivo 39 di suddivisione/ricombinazione delle potenze erogate/assorbite dal motore 2 e dalle macchine 13, 20.

Pertanto si divide dapprima il flusso di potenza meccanica in due flussi. Un flusso di potenza viene convertito da meccanico ad elettrico. Tale flusso di potenza elettrica si può facilmente manipolare controllando i fattori di coppia ed il numero di giri. Evidentemente, a parità di potenza, se si aumenta la coppia si diminuisce contestualmente il numero di giri, e viceversa, in modo da mantenere costante il loro prodotto. Manipolando però un flusso di potenza, è qui che sta uno dei vantaggi della presente invenzione, si viene ad influenzare automaticamente anche l'altro flusso di potenza. Le coppie fornite nel flusso di potenza meccanica e nel flusso di potenza elettrica sono interconnesse fra di loro; difatti, se si abbassa il fattore di coppia di un flusso si cambia anche la coppia dell'altro flusso. In ogni caso la somma delle due coppie è costante, ed è proprio il valore della coppia che si deve dare alle ruote per far marciare l'autoveicolo .

In altre parole, se si indica con P1 la potenza che viene dapprima trasformata in elettrica per poi essere riconvertita in meccanica e con P2 la potenza che rimane sempre meccanica, la somma di PI con P2 deve rimanere costante. Pertanto, se si manipola la potenza PI è come se si agisse anche sulla potenza P2. Cioè tramite la regolazione elettrica della potenza PI è possibile regolare anche la potenza P2 che è rimasta sempre meccanica .

Il funzionamento del gruppo oggetto dell'invenzione sarà descritto qui di seguito.

Stato 1 (autoveicolo fermo - motore acceso- α-0)) In questo stato l'autoveicolo non si muove e pertanto la sua velocità V è uguale a zero ed il freno 26 è inserito. L'albero 3 del motore 2 a combustione interna gira trascinando il portasatelliti 6 solidale all'albero 4. La corona 10 è fissa perché frenata dal freno 26, mentre il solare 9 ruota per l'azione espletata su di esso dal portasatelliti 6. La rotazione del solare ha come conseguenza che anche le ruote dentate 12 e 14 ruotano in modo che la macchina 13 funzioni da generatore nel caso in cui si voglia caricare il dispositivo 33 di accumulazione di energia elettrica, oppure giri semplicemente a vuoto quando non ci sia bisogno di caricare il dispositivo 33. Evidentemente, in questo caso, la macchina elettrica 13 opera a vuoto, in quanto la macchina 20 non richiede potenza ed è mantenuta in situazione frenata dal freno 26.

Nel caso in oggetto il rotismo epicicloidale 7 assume la configurazione di un rotismo epicicloidale a corona fissa e la coppia di reazione sulla corona 10 dipende dalla energia di ricarica prodotta dalla macchina 13 ed è equilibrata dall'azione svolta dal freno 26.

Stato 2 (l'autoveicolo comincia a muoversi - α>0)) L'operatore, tramite la leva 38, seleziona una velocità piuttosto bassa (1-2 Km/h) dell'autoveicolo. La centralina 35 provvede a disinnestare il freno 26.

Poiché per l'avviamento dell'autoveicolo si deve avere una coppia alta con una bassa velocità in questa fase di avvio viene attivata la macchina 20 come motore finché non si raggiunge la velocità richiesta.

Il convertitore 15, per far funzionare la macchina 20 come motore, impone alla macchina 13 di funzionare come generatore per produrre l'energia elettrica richiesta dalla macchina 20 stessa. Poiché il freno 26 è stato rilasciato e la macchina 13 funziona da freno si crea una coppia negativa sul solare 9 e quindi sulla corona 10 passando attraverso i satelliti 11. Tale coppia negativa viene inviata all'albero 24, e quindi al differenziale 28, attraverso le ruote dentate 17, 18. Evidentemente, quanto maggiore è la coppia frenante che agisce sulla macchina 13 funzionante come generatore, tanto più grande è la coppia negativa e la potenza meccanica inviata all'albero 24 tramite le ruote 17, 18. La coppia sulla corona 10, la coppia fornita dalla macchina elettrica 13 e la coppia fornita dal motore 2 sono tra loro in rapporto costante in virtù della configurazione geometrica del rotismo 7.

La coppia totale che agisce sull'albero 24 è data dalla somma della coppia diretta fornita dalla macchina 20 con la coppia di reazione prodotta sulla corona 10 dalla macchina 13 funzionante come generatore. Tale coppia totale cresce fino a quando l'autoveicolo non raggiunge il valore della velocità selezionato tramite la leva 38.

Se la potenza prodotta dal motore 2 non è sufficiente a raggiungere la velocità selezionata a causa della presenza di un tiro troppo alto il sistema, in un primo tempo, viene aiutato dal dispositivo 33 che mette a disposizione la parte di potenza mancante sostituendosi parzialmente o totalmente al generatore. L'aiuto da parte del dispositivo 33 termina quando le condizioni di marcia del motore 2 a combustione interna vengono ripristinate dalla centralina 35 a dei valori tali da sviluppare la potenza meccanica atta a far raggiungere all'autoveicolo la velocità richiesta.

Stato 3 (dopo Io stato 2 - l'operatore aumenta la velocità dell'autoveicolo mantenendola però al di sotto del 50% della velocità massima - il tiro è basso - g>>0) Il convertitore 15 reagisce facendo aumentare la velocità della macchina 20 fino a che l'autoveicolo raggiunge una velocità che tiene conto della potenza totale disponibile e del tiro. La potenza necessaria alla macchina 20 per raggiungere la desiderata velocità è in parte fornita dalla macchina 13 che, in questo caso funziona da generatore, ed in parte da una maggiore coppia negativa prodotta dalla corona 10 del rotismo 7.

La velocità del motore 2 viene aumentata dalla centralina 35 fino a che non viene raggiunta la potenza richiesta dalla trasmissione seguendo sempre, però, le curve di minimo consumo di carburante. Nella transizione del motore 2 dal vecchio regime al nuovo il motore 2 viene aiutato dal dispositivo 33 che fornisce l'energia mancante.

Stato 4 (dopo lo stato 3 - lo stesso dello stato 3 ma con un tiro crescente)

Per mantenere la velocità dell'autoveicolo il motore 2 deve aumentare ulteriormente la potenza erogata mediante un aumento dell'iniezione di carburante, nonché della velocità di rotazione dell'albero 3, fino al massimo consentito dalla gestione ottimizzata dello stesso motore 2. Qualora dovesse essere raggiunta una richiesta di potenza maggiore della massima erogabile dal motore 2, la potenza mancante verrebbe fornita dal dispositivo 33 per limitati periodi di tempo.

Stato 5 (dopo lo stato 2 l'operatore aumenta la velocità dell'autoveicolo mantenendola al di sopra del 50% della velocità massima - il tiro è basso - g>>>0) Il convertitore 15 reagisce rallentando sempre di più la macchina 13 fino ad invertirne il senso di rotazione. Quest'ultima, pertanto, diventa motore poiché il senso di rotazione e la coppia risultano discordi, e quindi cambia il senso di rotazione della ruota 14. In questo caso il rotismo 7 non è più un ripartitore di potenze, ma diventa un sommatore delle stesse, potendo sommare una potenza puramente meccanica proveniente dal motore 2 con una potenza elettrica, ancorché convertita in meccanica, proveniente dalla macchina 13. In questa configurazione è possibile avere delle alte velocità dell'albero 24, e quindi anche delle grandi potenze erogate da tale albero 24, pur con delle basse velocità in uscita dal motore 2. Nel presente caso, dunque, la macchina 13 funziona come motore, mentre la macchina 20 come generatore ed entrambe sono controllate dal convertitore 15 per mezzo della centralina 35. La coppia totale riscontrabile sul differenziale 28 è la coppia data dalla sottrazione della coppia presente sulla corona 10 e la coppia necessaria per far ruotare la macchina 20.

Stato 6 (dopo lo stato 5 - velocità scelte superiori al 50% della velocità massima - tiro crescente - g>» 0)

Il motore 2 aumenta la sua velocità per aumentare la potenza inviata verso il differenziale 28. Il convertitore 15 comanda la conversione della macchina 20 da generatore a motore, mentre la macchina 13 ridiventa un generatore assorbendo potenza dal motore 2. Il motore 2 aumenta la sua velocità sia per adeguarsi all'aumento della richiesta di potenza, sia per compensare le condizioni modificate di lavoro della macchina 13. Pertanto, la. coppia sull'albero 24 aumenta, da una parte, per un aumento della coppia positiva prodotta dalla macchina 20 diventata motore, e, dall'altra, per un eventuale aumento della coppia negativa sulla corona 10 per un aumento della coppia assorbita dalla macchina 13.

Quindi se si regola la coppia assorbita dalla macchina elettrica 13 funzionante come generatore si controlla automaticamente per equilibrio anche la coppia che viene distribuita per via puramente meccanica attraverso le ruote dentate 17, 18. Se si dovesse avere bisogno di dare più coppia in uscita basta che la macchina elettrica 13 freni di più. Ma se la macchina elettrica 13 frena si ha una produzione di potenza utilizzabile per azionare la macchina elettrica 20, in questo regime funzionante come motore. Il convertitore di potenza 15 stabilisce quanta coppia e quanti giri devono essere forniti dalla macchina elettrica 20 funzionante come motore.

Di fronte ad una richiesta di un aumento di potenza a terra, questo aumento può essere dovuto ad un aumento di velocità a parità di tiro oppure ad un aumento di tiro a parità di velocità, oppure ad una variazione di entrambi i fattori. Se, per esempio, si ha un aumento di potenza per aumento di tiro il sistema deve reagire dando più coppia, per dare più coppia si deve aumentare sia la coppia meccanica che quella elettrica. Tuttavia, per fornire più coppia meccanica si deve aumentare la coppia fornita attraverso le ruote dentate 17, 18, ma ciò che fa aumentare questa coppia è la coppia esercitata dalla macchina elettrica 13 sulla corona 10 e/o la coppia espletata dalla macchina elettrica 20 sull'albero 24 tramite le ruote dentate 22, 23 ingranate fra di loro.

Con riferimento in particolare alle figura 3a, 3b si può prendere come riferimento un rotismo 7 (figura 3a) avente le seguenti caratteristiche:

Z1 = 39 (n . di denti del solare 9 ) di

Z2 = 13 (n. di denti di ciascun satellite 11) (2)

Z3 = 65 (n. di denti della corona 10) (3)

Applicando la ben conosciuta formula di Willis si ottiene la seguente relazione tra le velocità angolari:

(ωs = 2,667 com - 1,667 oc (4)

dove con:

ωs si è indicata la velocità angolare del solare 9; ωm si è indicata la velocità angolare del motore 2 e quindi del portasatelliti 6;

ωc si è indicata la velocità angolare della corona 10, velocità angolare proporzionale a quella delle ruote dell ' autoveicolo.

Pertanto la relazione (4) che lega ωs, ωm e ωc è una relazione lineare rappresentabile su un piano cartesiano come mostrato in figura 3b.

A scopo dimostrativo, come rappresentato sempre in figura 3b, è possibile prendere in considerazione tre velocità angolari particolari del motore 2 e quindi anche del portasatelliti 6.

Nei casi rappresentati, la velocità massima (50 Km/h) dell'autoveicolo viene raggiunta quando la velocità angolare del motore 2 assume il valore di 2200 giri/min.

Inoltre, in condizione di potenza massima erogata dal motore 2 la velocità angolare dell'albero 3 è di 2020 giri/min (linea B), mentre in condizione di velocità angolare massima dell'albero 3 la relazione che lega le velocità angolari è rappresentata dalla linea C.

E' chiaro che se si parte da una posizione di arresto dell'autoveicolo la curva da seguire è quella relativa allo sviluppo del massimo della coppia per una velocità angolare del motore 2 pari a 1150 giri/min (linea A di figura 3b).

Immaginiamo di partire dal punto PI della linea A in cui la velocità angolare del solare ωs è uguale a 3067 giri/min.

Se c'è bisogno di aumentare la coppia in uscita dal sistema si deve cominciare a frenare la macchina elettrica 13 suscitando una coppia negativa su di essa, per cui ci si comincia a spostare sulla retta A.

Tramite il rotismo epicicloidale 7 si genera, pertanto, una coppia sulla corona 10 che comincia a muoversi con una velocità angolare toc il cui andamento è dato dalla retta A. La velocità ωs comincia ad abbassarsi spostandosi sulla retta A.

Arrivati ad una velocità della corona 10 oc pari a circa 2000 giri /ιηίη, che corrisponde ad una velocità delle ruote di 19km/h, il solare 9 ha una velocità angolare ωs uguale a zero (punto P2 di figura 3b), cioè la macchina elettrica 13 non funziona né da generatore, né tantomeno da motore, ma fornisce coppia a velocità nulla.

Il solare 9, fino ad un istante prima del suo arresto nel punto P2, si muove secondo una freccia F2 concorde al senso di rotazione della corona 10 contrassegnato da una freccia F1, come mostrato nella figura 3a.

Se la velocità richiesta della corona 10, e quindi dell'autoveicolo, è maggiore di 2000 giri/min bisognerà passare nel quadrante negativo del grafico mostrato in figura 3b in cui si hanno velocità ωs negative.

Pertanto il solare 9 comincerà a ruotare secondo una freccia F3, cioè in senso opposto a quello della corona 10 ed il rotismo 7 diventa un moltiplicatore di velocità per la corona 10 e quindi per le ruote dell'autoveicolo. Alla fine il sistema si assesterà per una velocità oc, in questo caso pari a 5630 giri/min, uguale a quella selezionata dall'operatore sulla leva 38 .

Quindi tramite una velocità negativa del solare 9 secondo la freccia F3 si riesce ad aumentare la velocità della corona 10 e dunque delle ruote. Pertanto la macchina elettrica 13 si trasforma da macchina che prende potenza dal motore 2 a macchina che cede potenza al rotismo epicicloidale 7 in modo da aumentare la velocità della corona 10 ed in definitiva dell'autoveicolo.

Evidentemente è la centralina 35 che stabilisce il momento di conversione della macchina elettrica 13 da generatore a motore.

E' inoltre evidente che la potenza elettrica per far funzionare la macchina elettrica 13 come motore è fornita dalla macchina elettrica 20, la quale, questa volta, funziona come generatore perché posta in rotazione dalla coppia di ruote 23, 22 ingranate fra di loro. In questo caso la centralina 35 deve frenare la macchina elettrica 20.

Come è stato già detto, nella maggior parte dei regimi che possono essere assunti dal gruppo 1 le due macchine elettriche 13 e 20 si scambiano i ruoli, poiché quando una diventa generatore l'altra fa da motore, e viceversa .

Siccome vi è una potenza che viene scambiata tra le due macchine 13 e 20 e che non raggiunge il terreno, questa potenza viene considerata agli effetti del rendimento come una potenza apparente.

Per mantenere alti i rendimenti occorre limitare la potenza apparente che aumenta all'aumentare delle velocità delle macchine 13, 20. Pertanto, per aumentare la velocità dell'autoveicolo senza aumentare troppo la velocità delle macchine elettriche 13, 20 viene convenientemente inserito il cambio di velocità 27 a due rapporti che consente di passare da un rapporto di trasmissione inferiore, stato "LO", ad un rapporto di trasmissione superiore, stato "HI", come mostrato in figura 4.

In altre termini esiste una velocità massima ωc della corona 10, e quindi un valore Vo dell'autoveicolo (figura 4), oltre la quale non conviene andare, perché al di là di tale valore il rendimento η relativo rispetto ad un rendimento ideale puramente meccanico scenderebbe drasticamente in quanto aumenterebbe troppo la potenza trasmessa tra le due macchine elettriche 13, 20.

Tornando al rotismo epicicloidale 7 mostrato in particolare nelle figure 2 e 3a, affinché l'autoveicolo vada a marcia indietro deve accadere che per una data velocità del motore 2, e quindi del portasatelliti 6, la velocità angolare ωs del solare 9 è talmente elevata da rendere negativa la velocità angolare dei satelliti 11.

È mostrato in figura 3b che, se ci troviamo sempre sulla linea A e se si dà al solare una velocità angolare (OS superiore a 3067 giri/min, la velocità angolare ωο della corona 10 diventa negativa, cioè l'autoveicolo va all'indietro. In questo caso la macchina elettrica 13 deve fornire un numero di giri più alto funzionando da motore e la macchina 20 rimane motore con senso di rotazione invertito.

Se si inserisce la PTO (non mostrata) innestando la frizione 8 si dovrà passare dalla linea A alle linee B e C mostrate in figura 3b. Difatti, per far funzionare la PTO in maniera conveniente bisogna che sia disponibile un numero di giri prestabilito dell'albero 4 piuttosto alto. Pertanto, a parità di velocità angolare ωc della corona 10, quindi a parità di velocità dell'autoveicolo, si hanno velocità più alte del solare 9, e quindi la macchina elettrica 13 ruota ad una velocità angolare superiore quando funziona da generatore (quadrante di destra di figura 3b), ed inferiore quando funziona da motore (quadrante di sinistra di figura 3b).

Pertanto, con la PTO inserita le considerazioni sui diversi regimi che possono essere occupati dal gruppo 1 saranno legate all'andamento delle linee B e C di figura 3b.

E' evidente, inoltre, che in caso di malfunzionamento del motore 2, oppure nel caso in cui l'autoveicolo debba lavorare in un ambiente chiuso, per esempio in una serra, si può fare in modo che il gruppo 1 funzioni come un gruppo elettrico in cui le macchine elettriche 13, 20, funzionanti da motori, attingono energia elettrica dal dispositivo 33.

Inoltre, come mostrato in figura 2, la centralina 35 per mezzo della linea elettrica 40 è collegata al dispositivo 5. Disconnettendo questo dispositivo 5 e facendo funzionare soltanto le macchine elettriche 13, 20 è possibile azionare elettricamente la PTO, con tutti i relativi vantaggi che questo fatto comporta soprattutto per quanto riguarda l'inquinamento dell'ambiente in cui sta lavorando l'autoveicolo.

I vantaggi del gruppo oggetto della presente invenzione sono i seguenti:

- una regolazione fine e continua della potenza che viene trasferita dal motore a combustione interna alle ruote dell'autoveicolo;

- la frazione predominante della potenza trasferita rimane comunque meccanica per cui si riducono le perdite dovute alla doppia conversione meccanica/elettrica ed elettrica/meccanica;

- rendimenti totali confrontabili con quelli di una trasmissione meccanica pura ed ottimizzabili sulle velocità caratteristiche prevalentemente usate;

- nel caso di una grande richiesta di potenza da parte dell'autoveicolo si ha il cosiddetto "overboost" ed è contemplata la possibilità che la potenza utilizzata sia erogata contemporaneamente dal motore a combustione interna e da almeno una macchina elettrica funzionante come motore; ed infine

- possibilità di far funzionare il gruppo soltanto con la energia elettrica immagazzinata nelle batterie sia per quanto riguarda la movimentazione dell'autoveicolo che per quanto concerne la PTO; in questa fattispecie la sola energia elettrica è utilizzata per movimentare il gruppo di propulsione e/o per porre in rotazione la PTO.

Claims (5)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Gruppo (1) di propulsione per un mezzo semovente, gruppo (1) comprendente un motore (2) a combustione interna ed almeno due macchine elettriche (13, 20); gruppo (1) caratterizzato dal fatto che detto motore (2) a combustione interna e dette almeno due macchine elettriche (13, 20) sono collegati meccanicamente con un dispositivo (39) di suddivisione/ricombinazione delle potenze erogate/assorbite da detto motore (2) a combustione interna e da dette macchine elettriche (13, 20), e dal fatto che dette macchine elettriche (13, 20) sono atte a funzionare sia da generatori che da motori.
2. 2. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 1, in cui detto dispositivo (39) di suddivisione/ricombinazione delle potenze comprende un rotismo epicicloidale (7).
3. 3. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 2, in cui un portasatelliti (6) di detto rotismo epicicloidale (7) è collegato meccanicamente a detto motore (2), in cui un solare (9) di detto rotismo epicicloidale (7) è collegato meccanicamente a detta macchina elettrica (13), mentre una corona (10) di detto rotismo epicicloidale (7) è collegata meccanicamente ad un differenziale (28) ed a detta macchina elettrica (20).
4. 4. Gruppo (1) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui a detto dispositivo (39) di suddivisione/ricombinazione delle potenze sono associati mezzi (26) di frenatura.
5. 5. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 3, in cui detto portasatelliti (6) è collegato meccanicamente ad una PTO. 7. Gruppo (1) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il funzionamento di dette macchine elettriche (13, 20) è controllato da un convertitore di potenza (15). 8. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 7, in cui detto convertitore di potenza (15) è, a sua volta, controllato da una centralina elettronica (35) la quale controlla, inoltre, l'iniezione di carburante in detto motore (2) e l'inserimento o meno di un dispositivo (5) limitatore di coppia e di connessione/disconnessione meccanica di un albero (3) ad un albero (4). 9. Gruppo (1) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette macchine elettriche (13, 20), a scelta di un operatore, sono atte a movimentare in maniera puramente elettrica un mezzo semovente comprendente detto gruppo (1) stesso. 10. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 9, in cui è previsto inoltre un dispositivo (33) di conservazione dell'energia elettrica. 11. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 8, in cui dette macchine (13, 20), detta centralina elettronica (35) e detto dispositivo (5) sono atti ad azionare in maniera puramente elettrica detta PTO. 12. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 8, in cui detta centralina (35) è atta a comandare dette macchine (13, 20) in modo tale che, quando detta macchina (13) funziona da motore detta macchina (20) si comporta da generatore, e viceversa. 13. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 12, in cui la energia elettrica prodotta dalla macchina (20) funzionante da generatore serve ad azionare detta macchina (13) funzionante da motore, e viceversa. 14. Gruppo (1) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto motore (2) ed almeno una di dette macchine (13, 20) sono atti a far funzionare detto gruppo (1) in caso di sovrarichiesta di potenza . 15. Gruppo (1) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuna di dette macchine (13, 20) è una macchina elettrica utilizzabile nei due sensi della velocità di rotazione e nei due sensi della coppia in modo da poter funzionare sia da motore che da freno. 16. Gruppo (1) come rivendicato alla rivendicazione 15, in cui dette macchine (13, 20) sono atte a realizzare la marcia indietro di un mezzo semovente su cui è montato detto gruppo (1) stesso. 17. Gruppo (1) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui è previsto un cambio di velocità (27) a due rapporti che consente di passare da un rapporto di trasmissione inferiore, stato "LO", ad un rapporto di trasmissione superiore, stato "HI" per mantenere alti i rendimenti del gruppo (1) stesso. 18. Metodo per il trattamento di una potenza su un gruppo di trasmissione di un mezzo semovente; metodo caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - dividere in un primo flusso ed in un secondo flusso la potenza meccanica prodotta da un motore a combustione interna; convertire detto primo flusso di potenza meccanica in un primo flusso di potenza elettrica; - manipolare convenientemente detto primo flusso di potenza elettrica; riconvertire detto primo flusso di potenza elettrica in un primo flusso di potenza meccanica; ed infine ricombinare detto primo flusso di potenza meccanica con detto secondo flusso di potenza meccanica, il quale nel contempo è stato condizionato per equilibrio da detto primo flusso di potenza meccanica in modo da essere sommabile con detto primo flusso stesso. 19. Metodo come rivendicato alla rivendicazione 18, in cui detto secondo flusso di potenza è condizionato, nei suoi fattori costitutivi di coppia e velocità ed in tutto l'intervallo funzionale del mezzo semovente, mediante una regolazione del primo flusso di potenza meccanica trasformato in flusso di potenza elettrica, la regolazione di detto primo flusso di potenza essendo ottenuta mediante variazioni delle velocità angolari, sia nel campo positivo che in quello negativo, di mezzi elettrici predisposti alla regolazione di detto primo flusso. 20. Metodo come rivendicato alla rivendicazione 18, in cui la quantità di energia trattata in detto primo flusso di potenza meccanica e che viene trasformata in potenza elettrica è inferiore alla quantità di energia manipolata in detto secondo flusso di potenza meccanica.