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DE102009034509A1 - Axle drive for vehicles - Google Patents

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DE102009034509A1
DE102009034509A1 DE102009034509A DE102009034509A DE102009034509A1 DE 102009034509 A1 DE102009034509 A1 DE 102009034509A1 DE 102009034509 A DE102009034509 A DE 102009034509A DE 102009034509 A DE102009034509 A DE 102009034509A DE 102009034509 A1 DE102009034509 A1 DE 102009034509A1
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axle drive
drive according
control unit
switching element
axle
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German (de)
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Jochen Assfalg
Reinhard Dr. Simkovics
Karsten Fabian
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Achsgetriebe für Fahrzeuge, umfassend eine linke und eine rechte Abtriebswelle (111a, 111b), eine erste elektrische Antriebsmaschine (105a), welche mit der linken Abtriebswelle (111a) in Wirkverbindung steht, und eine zweite elektrische Antriebsmaschine (105b), welche mit der rechten Abtriebswelle (111b) in Wirkverbindung steht. Die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine (105a, 105b) sind jeweils als Drehstromgenerator ausgebildet und dazu vorgesehen, in einem oder mehreren vorbestimmten Betriebszuständen ein Drehmoment zu erzeugen, welches ein Differenzmoment zwischen der linken und der rechten Abtriebswelle (111a, 111b) erzeugt, so dass die beiden Abtriebswellen (111a, 111b) unterschiedlich große Drehmomente übertragen können.The invention describes an axle drive for vehicles, comprising a left and a right output shaft (111a, 111b), a first electrical drive machine (105a) which is in operative connection with the left output shaft (111a), and a second electrical drive machine (105b), which is in operative connection with the right output shaft (111b). The first and second electric drive machines (105a, 105b) are each designed as a three-phase generator and are intended to generate a torque in one or more predetermined operating states that generates a differential torque between the left and right output shafts (111a, 111b), see above that the two output shafts (111a, 111b) can transmit torques of different sizes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Achsgetriebe für Fahrzeuge. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Achsgetriebe zum Verteilen eines Antriebsmoments auf wenigstens zwei Abtriebswellen einer Hinterachse eines Fahrzeugs.The The invention relates to a transaxle for vehicles. The The invention particularly relates to a transaxle for distributing a Drive torque on at least two output shafts of a rear axle of a vehicle.

Bei Fahrzeugen wird ein von einer Antriebsmaschine erzeugtes Antriebsmoment bedarfsgerecht über ein Getriebe zu den Antriebsrädern geleitet. Zur Leistungsverteilung werden Ausgleichsgetriebe eingesetzt, wobei als Ausgleichsgetriebe sog. Querdifferentiale in Bezug auf die Fahrtrichtung eines Fahrzeugs zur Querverteilung der Antriebsleistung auf die Antriebsräder einer Fahrzeugachse verwendet werden. Für die Quermomentverteilung an der Hinterachse von Fahrzeugen sind verschiedene Arten von Ausgleichsgetrieben bekannt, die auch als sog. Torque-Vectoring-Systeme bezeichnet werden. Hierbei wird zwischen kupplungsbasierten und kupplungslosen Systemen unterschieden. Ein kupplungsloses Torque-Vectoring-System mit einer elektromotorischen Aktuierung ist beispielsweise aus der DE 103 19 684 A1 bekannt. Bei diesem System wird zur Quermomentverteilung ein einziger Elektromotor verwendet.In vehicles, a drive torque generated by a prime mover is directed as needed via a transmission to the drive wheels. For power distribution differential gear are used, being used as a differential so-called. Transverse differential with respect to the direction of travel of a vehicle for the transverse distribution of the drive power to the drive wheels of a vehicle axle. For the transverse torque distribution at the rear axle of vehicles various types of differential gears are known, which are also referred to as so-called. Torque vectoring systems. Here, a distinction is made between clutch-based and clutchless systems. A clutchless torque vectoring system with an electromotive actuation, for example, from DE 103 19 684 A1 known. In this system, a single electric motor is used for the transverse torque distribution.

Daneben können auch direktmotorische, kupplungslose Systeme (kupplungsloses Momentenverteilungssystem KMV) zu einer Quermomentverteilung an einer Antriebsachse eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Eine schematische Darstellung eines derartigen Systems ist beispielhaft in 2 dargestellt. Bei dem in 2 gezeigten Achsgetriebe wird mit Hilfe zweier elektrischer Antriebsmaschinen 105a, 105b ein Bremsmoment auf einen Planetenträger 107 eines Überlagerungsgetriebes 107, 109 aufgebracht. In einem nicht aktuierten Fall, d. h. bei gleichem Drehmoment an den Abtriebswellen 111a, 111b, erfolgt ein Antriebsmomentenfluss über ein Ritzel 101 der Antriebswelle 100. Das Antriebsmoment wird über ein Tellerrad 102 und ein Kegelraddifferential 103 auf zwei Abtriebswellen 111a, 111b verteilt. Dies entspricht dem Antriebsfluss eines konventionellen, passiven Achsgetriebes mit offenem Differential. Sofern über eine der elektrischen Antriebsmaschinen 105a, 105b ein Bremsmoment auf die zugeordnete Abtriebswelle 111a, 111b aufgebracht wird, wird über ein Ritzel 106 der Planetenträger 107 des Überlagerungsgetriebes abgebremst. Somit erfolgt ein zusätzlicher Momentenfluss von dem Kegelraddifferential 103 über das Überlagerungsgetriebe 107, 109 auf eine jeweilige Abtriebswelle 111a, 111b.In addition, direct-motor, clutch-free systems (clutchless torque distribution system KMV) can be used for a transverse torque distribution on a drive axle of a vehicle. A schematic representation of such a system is exemplified in FIG 2 shown. At the in 2 shown axle drive is using two electric drive machines 105a . 105b a braking torque on a planet carrier 107 a superposition gear 107 . 109 applied. In a non-actuated case, ie at the same torque on the output shafts 111 . 111b , a drive torque flow takes place via a pinion 101 the drive shaft 100 , The drive torque is via a crown gear 102 and a bevel gear differential 103 on two output shafts 111 . 111b distributed. This corresponds to the drive flow of a conventional, passive differential with open differential. If one of the electric drive machines 105a . 105b a braking torque on the associated output shaft 111 . 111b being applied is via a pinion 106 the planet carrier 107 of the superposition gear braked. Thus, an additional torque flow from the bevel gear differential 103 over the superposition gearbox 107 . 109 on a respective output shaft 111 . 111b ,

Das Bremsmoment kann durch elektromotorisches Bremsen unter Energiezufuhr aus einem Bordnetz des Fahrzeugs oder durch generatorisches Bremens unter Energiezufuhr aus dem Antriebsstrang erzeugt werden. Ferner ist die zusätzliche Einspeisung eines elektromotorischen Antriebsmoments über eine der beiden elektrischen Antriebsmaschinen 105a, 105b möglich. Hierbei ist insbesondere ein kombinierter Betrieb vorteilhaft, z. B. ein generatorisches Bremsen mit der Antriebsmaschine 105a und Nutzung der rückgespeisten Energie zum Antrieb der Antriebsmaschine 105b. Über die erste elektrische Antriebsmaschine 105a kann aus dem Antriebsstrang eine Leistung gewonnen werden. Diese wird in Kombination mit einem Leistungsanteil, der aus dem Bordnetz bezogen wird, für den Antrieb der zweiten Antriebsmaschine 105b genutzt. Dadurch kann das von der einzelnen Antriebsmaschine zu stellende Moment reduziert werden.The braking torque can be generated by electric motor braking with energy from an electrical system of the vehicle or by regenerative braking under power from the drive train. Furthermore, the additional feed of an electromotive drive torque via one of the two electric drive machines 105a . 105b possible. In this case, in particular a combined operation is advantageous, for. B. a regenerative braking with the prime mover 105a and using the recycled energy to drive the prime mover 105b , About the first electric drive machine 105a can be obtained from the powertrain performance. This is in combination with a power component, which is obtained from the electrical system, for the drive of the second drive machine 105b used. As a result, the moment to be set by the individual drive machine can be reduced.

Eine entscheidende Rolle zur Gewährleistung der beschriebenen Funktion kommt hierbei den verwendeten elektrischen Antriebsmaschinen zu. Bestehende kupplungslose Torque-Vectoring-Systeme sehen als Antriebsmaschinen permanentmagnetisch erregte, elektrisch kommutierte (EC)-Maschinen vor. Beispielsweise werden permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen oder Transversalflussmaschinen eingesetzt. Der Vorteil dieser Antriebsmaschinen besteht darin, dass diese verschleißfrei arbeiten und gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Der Einsatz permanentmagnetisch erregter EC-Maschinen in einem Achsgetriebe der beschriebenen Art bringt jedoch folgende Nachteile mit sich.

  • 1. Im inaktiven Betrieb des Achsgetriebes entstehen hohe Schleppverluste. Aufgrund der sich zeitlich bzw. rotatorisch ändernden permanentmagnetisch erregten Luftspaltfelder der EC-Maschinen treten im inaktiven Betriebszustand des Achsgetriebes, d. h. bei einer ungebremsten Geradeausfahrt des Fahrzeugs, magnetische Verluste auf. Da sich die magnetischen Schleppverluste mit mechanischen Schleppverlusten summieren, werden Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen erhöht.
  • 2. Im Fehlerfall des Achsgetriebes muss ein sofortiger Wechsel des aktuellen Betriebszustands in einen vollständigen Leerlauf erfolgen. Vollständiger Leerlauf bedeutet, dass von den Antriebsmaschinen keinerlei Momente auf die Abtriebswellen aufgebracht werden. Fällt beispielsweise bei dem in 2 beschriebenen Achsgetriebe eine der beiden Antriebsmaschinen 105a, 105b aus, so muss gewährleistet sein, dass die noch arbeitende, zweite Antriebsmaschine unverzüglich in den Leerlauf überführt wird. Ohne diese Funktion besteht die Gefahr, dass das Fahrzeug aufgrund des fehlerhaften, einseitigen Betriebs und des daraus hervorgehenden Giermoments einen sicherheitskritischen Zustand einnehmen kann. Aufgrund der bereits erwähnten magnetischen Schleppverluste ist eine derartige Sicherheitsfunktion mit EC-Maschinen nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar. Der Wechsel des Betriebszustands in den vollständigen Leerlauf kann nur durch eine Regelung realisiert werden, die das Antriebsmoment der jeweiligen Antriebsmaschinen aktiv zu Null regelt. Eine zuverlässige Ausführung der derartigen Sicherheitsfunktion ist nur sehr aufwändig realisierbar.
  • 3. Ein weiterer Nachteil ist die thermische Belastung der Leistungselektronik im Rekuperationsbetrieb. Die im Rekuperationsbetrieb generierte elektrische Leistung hängt funktionsbedingt von der Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschinen bzw. der Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Die Regelung einer konstanten Ladespannung einer Batterie erfordert, überschüssig generierte elektrische Leistung abzuleiten. Die dabei entstehende Wärme muss durch eine geeignete Kühlung der Leistungselektronik abgeführt werden, welche wiederum zusätzliche Kosten verursacht.
  • 4. Die elektrischen Antriebsmaschinen derzeitiger Achsgetriebe sind hinsichtlich kostenökonomischer und fertigungstechnischer Aspekte nur bedingt in Serienfahrzeugen einsetzbar, da permanentmagnetisch erregte EC-Maschinen sehr teuer sind.
A crucial role to ensure the described function comes here to the electric drive machines used. Existing clutchless torque vectoring systems provide for permanent magnetically excited, electrically commutated (EC) machines as prime movers. For example, permanently magnetically excited synchronous machines or transverse flux machines are used. The advantage of these drive machines is that they work wear-free and at the same time have a high power density. However, the use of permanently magnetically excited EC machines in a transaxle of the type described has the following disadvantages.
  • 1. In inactive operation of the transaxle, high drag losses occur. Due to the temporally or rotationally changing permanent magnetically excited air gap fields of the EC machines, magnetic losses occur in the inactive operating state of the axle drive, ie during unrestrained straight-ahead driving of the vehicle. As magnetic drag losses add up to mechanical drag losses, fuel consumption and CO 2 emissions are increased.
  • 2. In the event of a fault in the final drive, an immediate change of the current operating state to a complete idle must occur. Full idling means that no torque is applied to the output shafts by the prime movers. Falls for example in the in 2 described axle drive one of the two prime movers 105a . 105b from, it must be ensured that the still working, second drive machine is immediately transferred to idle. Without this function, there is a risk that the vehicle may assume a safety-critical state due to the faulty, unilateral operation and the resulting yaw moment. Due to the magnetic drag losses already mentioned, such a safety function can only be realized with EC machines with very high outlay. The change of the operating state in the full permanent idling can only be realized by a control that actively controls the drive torque of the respective drive machines to zero. A reliable execution of such a safety function is very complex feasible.
  • 3. Another disadvantage is the thermal load on the power electronics in Rekuperationsbetrieb. The electrical power generated in the recuperation operation depends on the function of the speed of the electric drive machines or the vehicle speed. The regulation of a constant charging voltage of a battery requires to dissipate excessively generated electric power. The resulting heat must be dissipated by a suitable cooling of the power electronics, which in turn causes additional costs.
  • 4. The electric drive machines of current axle gearboxes can only be used to a limited extent with regard to cost-economic and production-related aspects in production vehicles, since permanently magnetically excited EC machines are very expensive.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Achsgetriebe anzugeben, welches die eingangs beschriebene Funktion auf einfachere und kostengünstigere Weise bereitstellt.It is therefore an object of the present invention to provide an axle drive, which the function described above to simpler and cheaper Way.

Diese Aufgabe wird durch ein Achsgetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.These The object is achieved by a axle drive with the features of claim 1 solved. Advantageous embodiments emerge the dependent claims.

Die Erfindung schafft ein Achsgetriebe für Fahrzeuge, das eine linke und eine rechte Abtriebswelle, eine erste elektrische Antriebsmaschine, welche mit der linken Abtriebswelle in Wirkverbindung steht, und eine zweite elektrische Antriebsmaschine, welche mit der rechten Abtriebswelle in Wirkverbindung steht, umfasst. Hierbei sind die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine jeweils als Drehstromgenerator ausgebildet und dazu vorgesehen, in einem oder mehreren vorbestimmten Betriebszuständen ein Drehmoment zu erzeugen, welches ein Differenzmoment zwischen der linken und der rechten Abtriebswelle erzeugt, so dass die beiden Abtriebswellen unterschiedlich große Drehmomente übertragen können.The Invention provides an axle for vehicles, the one left and right output shafts, a first electric drive machine, which is in operative connection with the left output shaft, and a second electric drive machine, which with the right Output shaft is operatively connected includes. Here are the first and the second electric drive machine each as a three-phase generator designed and provided in one or more predetermined Operating conditions to generate a torque which a Differential torque between the left and right output shaft generated so that the two output shafts of different sizes Can transmit torques.

Im Vergleich zu einer permanentmagnetisch erregten EC-Maschine sind der Wirkungsgrad sowie die Leistungsdichte geringer. Darüber hinaus sind Drehstromgeneratoren typischerweise größer als die für ein Achsgetriebe vorgeschlagenen EC-Maschinen. Normalerweise wird ein Drehstromgenerator ausschließlich als Generator, z. B. als Lichtmaschine in einem Fahrzeug, eingesetzt. Trotz dieser Nachteile ist die Verwendung von Drehstromgeneratoren in einem, auf einem direktmotorischen, kupplungslosen KMV-System basierenden Achsgetriebe vorteilhaft. Der Vorteil eines Drehstromgenerators in einem erfindungsgemäßen Achsgetriebe besteht darin, dass diese Großserienbauteile darstellen und somit kostengünstig zur Verfügung stehen. Durch den Einsatz von feldorientierten Ansteuerungen ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionswerte realisierbar. Darüber hinaus weist die Verwendung von Drehstromgeneratoren sicherheitstechnische Vorteile im Falle eines Fehlers eines der beiden Antriebsmaschinen auf.Compared to a permanently magnetically excited EC machine, the efficiency and power density are lower. In addition, three-phase generators are typically larger than the EC machines proposed for a final drive. Normally, a three-phase generator is used exclusively as a generator, for. B. used as an alternator in a vehicle. Despite these disadvantages, the use of three-phase generators in one axle drive based on a direct-motor, clutch-free KMV system is advantageous. The advantage of a three-phase generator in a axle drive according to the invention is that these represent high-volume components and thus are available at low cost. Through the use of field-oriented controls, a reduction in fuel consumption and CO 2 emission values can be achieved. In addition, the use of three-phase generators safety advantages in case of failure of one of the two drive machines.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Drehstromgeneratoren Klauenpol-Drehstromgeneratoren sind. Ebenso können schleifringlose Leitstückläufer-Drehstromgeneratoren eingesetzt werden. Die Drehstromgeneratoren des erfindungsgemäßen Achsgetriebes können ferner als Doppelgenerator ausgebildet sein, mit dem in einem Rekuperationsbetrieb die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes vornehmbar ist. Die zuletzt genannte Variante ist auch dann von Vorteil, wenn die Anforderung einer höheren Leistung besteht. Diese genannten Typen von Drehstromgeneratoren werden in einer großen Stückzahl in Kraftfahrzeugen typischerweise als Lichtmaschinen eingesetzt. Aufgrund der großen Stückzahlen können diese einfach und kostengünstig hergestellt werden. Somit werden die Nachteile der hohen Kosten und der unzureichenden Industrialisierbarkeit derzeit verwendeter bzw. angedachter EC-Maschinen umgangen.Especially It is envisaged that the three-phase generators are claw-pole alternators. Similarly, slip-ringless Leitstückläufer three-phase generators be used. The three-phase generators of the axle transmission according to the invention can also be designed as a double generator, with in a Rekuperationsbetrieb the supply of a two-voltage on-board network is vornehmbar. The latter variant is also of Advantage if the demand for higher performance exists. These mentioned types of three-phase generators are in large numbers used in motor vehicles typically as alternators. Due to the large quantities can These are easily and inexpensively manufactured. Consequently become the disadvantages of high costs and insufficient industrializability currently used or planned EC machines bypassed.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste und zweite elektrische Antriebsmaschine jeweils über ein Planetengetriebe mit dem Achsgetriebe in Wirkverbindung stehen, wobei eine jeweilige Antriebsmaschine eine Drehkomponente, insbesondere ein Ritzel eines Planetenträgers, antreibt.In an expedient embodiment is provided that the first and second electric drive machine in each case via a planetary gear are in operative connection with the axle drive, wherein a respective drive machine is a rotary component, in particular a pinion of a planet carrier, drives.

Eine wichtige Rolle bei der Aktuierung der elektrischen Antriebsmaschinen des erfindungsgemäßen Achsgetriebes kommt der Gestaltung der Leistungselektronik zu. Da Drehstromgeneratoren im Betrieb nicht nur generatorisch, sondern auch motorisch arbeiten, kann die üblich eingesetzte Leistungselektronik der Lichtmaschinen nicht verwendet werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist jeder der Antriebsmaschinen eine Steuereinheit zur Ansteuerung einer Steuerschaltung zugeordnet, wobei der Steuereinheit als Steuergrößen zumindest ein Soll-Drehmoment und eine Soll-Spannung zuführbar sind. Es wird somit eine Ansteuerung verwendet, wie sie zur Ansteuerung elektronisch kommutierter Maschinen zum Einsatz kommt. Hiermit wird eine feldorientierte Regelung ermöglicht.A important role in the actuation of electric drive machines the axle transmission according to the invention comes Design of power electronics too. Because three-phase generators in operation not only regenerative, but also motor work, the usual used power electronics of the alternators not used become. According to another embodiment Each of the drive machines, a control unit for controlling a Assigned control circuit, wherein the control unit as control variables at least one desired torque and a desired voltage can be fed. It is thus used a control, as to control electronically commutated machines is used. Hereby becomes a field-oriented regulation allows.

Insbesondere ist der Steuereinheit als weitere Steuergröße zumindest eine den Betriebszustand der elektrischen Antriebsmaschine charakterisierende Messgröße, insbesondere ein mechanischer Winkel und eine Winkelgeschwindigkeit, zuführbar.In particular, the control unit is at least one the operating state as a further control variable the electrical drive machine characterizing measured variable, in particular a mechanical angle and an angular velocity, fed.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Steuerschaltung eine pulsweitenmodulierbare B6-Brückenschaltung.According to one In another embodiment, the control circuit comprises a pulse width modulatable B6 bridge circuit.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist durch die Steuereinheit mittels eines Schaltelements, insbesondere ein Halbleiterschaltelement, der Strom durch eine Erregerwicklung der elektrischen Antriebsmaschine einstellbar. Hierdurch wird das feldorientierte Regelungsverfahren ermöglicht, das eine einfache Ansteuerung sowie sicherheitstechnische Vorteile bietet.According to one Another embodiment is by the control unit by means of a Switching element, in particular a semiconductor switching element, the current through an exciter winding of the electric drive machine adjustable. This enables the field-oriented regulatory procedure, the simple control and safety advantages offers.

Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das Schaltelement im inaktiven Betrieb des Achsgetriebes geöffnet zu schalten. Der inaktive Betrieb des Achsgetriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass ein gleiches Drehmoment an beiden Abtriebswellen anliegt, d. h. keine positive oder negative Momentenbeaufschlagung durch eine der elektrischen Antriebsmaschinen erfolgt.Conveniently, the control unit is adapted to the switching element in inactive operation of the axle drive to be opened. The inactive operation of the transaxle is characterized in that an identical Torque is applied to both output shafts, d. H. no positive or negative torque application by one of the electrical Drive machines done.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet ist, das Schaltelement in einem Störfall geöffnet zu schalten. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Achsgetriebe mit EC-Maschinen ist die Gewährleistung eines vollständigen Leerlaufs in einem Störfall, bei dem von den Antriebsmaschinen keinerlei Drehmomente an die Abtriebswellen abgegeben werden dürfen, nicht oder nur sehr aufwändig realisierbar. Beim Einsatz des Achsgetriebes in einem Torque-Vectoring-System ist die Gewährleistung eines vollständigen Leerlaufs im Störfall jedoch von hoher Relevanz. Durch das erfindungsgemäße Achsgetriebe kann der Leerlauf im Störfall durch einfaches Unterbrechen der Stromzufuhr zu den Erregerwicklungen des betreffenden Drehstromgenerators, durch entsprechende Ansteuerung des Halbleiterschaltelements, realisiert werden.It is also useful if the control unit is further adapted to the switching element in an accident to open. In the from the prior art known axle drive with EC machines is the warranty a complete idling in an accident, in which of the prime movers no torques to the output shafts may be delivered, not or only very expensive realizable. When using the axle drive in a torque vectoring system is the guarantee of a complete idling but in case of failure of high relevance. By the invention Achsgetriebe, the idle in the event of a fault by simple Interrupting the power supply to the excitation windings of that concerned Three-phase generator, by appropriate control of the semiconductor switching element, will be realized.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Steuereinheit derart ausgebildet ist, das Schaltelement im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Antriebsmaschine zur Regelung einer Ladespannung anzusteuern. Die Steuereinheit in Verbindung mit der Steuerschaltung erlaubt es, die Rekuperation nach dem Funktionsprinzip einer konventionellen Lichtmaschine vorzunehmen. Da das Erregerfeld des Drehstromgenerators frei variierbar ist, kann eine konstante, von der Drehzahl unabhängige Spannung zur Aufladung der Batterie effizient und einfach realisiert werden. Hierbei wird gegenüber bekannten Systemen im Rekuperationsbetrieb keine überschüssige Energie gewandelt, die anschließend wiederum mit hohem Aufwand in Form von Wärme abgeführt werden muss.It is also advantageous if the control unit is designed in this way is, the switching element in the recuperation of the electrical Drive machine to control a charging voltage to control. The Control unit in conjunction with the control circuit allows Recuperation according to the functional principle of a conventional Make alternator. As the exciter field of the alternator is freely variable, can be a constant, independent of the speed Voltage to charge the battery efficiently and easily realized become. This is compared to known systems in recuperation no excess energy was converted, which subsequently again with great effort in the form of heat dissipated must become.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist zusätzlich eine gemeinsame Ansteuerung für die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Antriebsmaschinen selektiv als Generator oder Motor zu betreiben. Hierdurch kann die zur Aufbringung eines Bremsmoments notwendige Energie nicht nur durch elektromotorisches Bremsen unter Energiezufuhr aus dem Bordnetz oder durch generatorisches Bremsen unter Energiezufuhr aus dem Antriebsstrang erfolgen, sondern auch die Einspeisung von elektrischer Energie aus derjenigen elektrischen Antriebsmaschine, welche nicht zur Aufbringung des Bremsmoments verwendet wird und sich demgemäß im Rekuperationsbetrieb befindet.According to one further expedient embodiment is additional a common control for the first and the second provided electric drive machine, which is designed to is, the drive machines selectively as a generator or engine too operate. This allows the application of a braking torque necessary energy not only by electric motor braking with energy supply from the electrical system or by regenerative braking with energy supply taken from the drive train, but also the feed of electrical energy from the electric drive machine, which is not used to apply the braking torque and Accordingly, it is in recuperation.

Das erfindungsgemäße Achsgetriebe ermöglicht eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionswerte gegenüber dem eingangs beschriebenen System.The axle drive according to the invention makes it possible to reduce the fuel consumption and the CO 2 emission values compared with the system described in the introduction.

Dies resultiert daraus, dass bei dem erfindungsgemäßen Achsgetriebe das für die generatorische und motorische Funktion der Antriebsmaschine notwendige Erregerfeld der elektrischen Antriebsmaschinen ohne die Verwendung von Permanentmagneten erzeugt wird. Daher treten im inaktiven Zustand, z. B. bei ungebremster Geradeausfahrt des Fahrzeugs, weder Ummagnetisierungsverluste noch Verluste durch magnetische Induktion auf. Darüber hinaus können die hohen Schleppverluste bekannter, direktmotorischer kupplungsloser Systeme und die daraus resultierenden Erhöhungen von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen deutlich reduziert werden.This results from the fact that in the axle drive according to the invention the excitation field of the electric drive machines necessary for the regenerative and motor function of the drive machine is generated without the use of permanent magnets. Therefore, in the inactive state, e.g. As in unchecked straight ahead of the vehicle, neither Ummagnetisierungsverluste nor losses due to magnetic induction. In addition, the high towing losses of known, direct-motor clutchless systems and the resulting increases in fuel consumption and CO 2 emissions can be significantly reduced.

Die in einem erfindungsgemäßen Achsgetriebe einsetzbaren Drehstromgeneratoren werden in großen Stückzahlen als Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Diese können daher kostengünstig produziert werden. Damit kann die Verwendung teurer Spezialmotoren, wie z. B. permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen, bürstenlose Gleichstrommaschinen oder Transversalflussmaschinen, welche in bekannten Achsgetrieben vorgeschlagen wurden, vermieden werden.The can be used in a axle drive according to the invention Three-phase generators are in large numbers used as alternators in motor vehicles. these can therefore be produced inexpensively. This can make the use more expensive Special motors, such. B. permanent magnetically excited synchronous machines, brushless DC machines or transversal flux machines, which have been proposed in known axle transmissions avoided become.

Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:The The invention will be described in more detail below with reference to the figures. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ansteuerung eines in einem erfindungsgemäßen Achsgetriebe eingesetzten Drehstromgenerators, und 1 a schematic representation of an inventive control of an alternator used in an axle drive according to the invention, and

2 eine schematische Darstellung eines Achsgetriebes, das als direktmotorisches, kupplungsloses Torque-Vectoring-System ausgebildet ist. 2 a schematic representation of a transaxle, which is designed as a direct motor, clutchless torque vectoring system.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Achsgetriebes wurde eingangs bereits im Zusammenhang mit 2 beschrieben. Das erfindungsgemäße Achsgetriebe basiert somit auf einem aus dem Stand der Technik bekannten Achsgetriebe, nämlich einem direktmotorischen, kupplungslosen Torque-Vectoring-System, bei dem die bislang verwendeten permanentmagnetisch erregten EC-Maschinen durch Drehstromgeneratoren ersetzt sind. Die Drehstromgeneratoren können dabei als Klauenpol-Drehstromgeneratoren mit Schleifring oder als schleifringlose Leitstückläufer-Drehstromgeneratoren ausgeführt sein. Im Falle der Anforderung einer hohen Leistung oder der Notwendigkeit, dass im Rekuperationsbetrieb die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes möglich ist, können die elektrischen Antriebsmaschinen auch als Doppelgeneratoren realisiert sein. Die genannten Typen von Drehstromgeneratoren werden typischerweise in Kraftfahrzeugen als Lichtmaschinen eingesetzt. Sie stehen deshalb in großer Stückzahl kostengünstig zur Verfügung.The construction of the axle transmission according to the invention has already been described in connection with 2 described. The axle drive according to the invention is thus based on a known from the prior art axle drive, namely a direct motor, clutchless torque vectoring system in which the previously used permanent magnetically excited EC machines are replaced by three-phase generators. The three-phase generators can be designed as Klauenpol three-phase generators with slip ring or slip-less Leitstückläufer three-phase generators. In the case of a request for a high power or the necessity that the supply of a two-voltage on-board network is possible in recuperation, the electric drive machines can also be implemented as double generators. The types of three-phase generators mentioned are typically used in motor vehicles as alternators. They are therefore available in large quantities at low cost.

Eine wichtige Rolle bei der Aktuierung der Drehstromgeneratoren kommt hierbei der Gestaltung der Ansteuerung der Drehstromgeneratoren zu. Da die Drehstromgeneratoren im Betrieb nicht nur generatorisch, sondern auch motorisch arbeiten, kann die üblich eingesetzte Ansteuerung, wie diese für Lichtmaschinen vorgesehen ist, nicht verwendet werden. Die Erfindung schlägt deshalb die Verwendung einer Ansteuerung vor, wie diese zur Ansteuerung elektronisch kommutierter elektrischer Antriebsmaschinen verwendet wird. Eine mögliche Ausführung der Ansteuerung eines Drehstromgenerators in einem Achsgetriebe gemäß 2 ist in 1 dargestellt.An important role in the actuation of the three-phase generators in this case is the design of the control of the alternators. Since the three-phase generators operate not only as a generator but also as a motor during operation, the commonly used control, as provided for alternators, can not be used. The invention therefore proposes the use of a control as used to control electronically commutated electric drive machines. A possible embodiment of the control of an alternator in a transaxle according to 2 is in 1 shown.

Mit dem Bezugszeichen 1 sind Ankerwicklungen des Drehstromgenerators bezeichnet. Eine Erregerwicklung ist mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Die Ankerwicklungen 1 werden über einen Wechselrichter 2, der als B6-Brückenschaltung ausgebildet ist, gespeist. Der Wechselrichter 2 umfasst zu diesem Zweck sechs Halbleiterschaltelemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2-6, welchen jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Jeweils zwei der Schaltelemente 2-1 bis 2-6 sind seriell zu einer Halbbrücke miteinander verschaltet. Die drei Halbbrücken sind parallel zueinander verschaltet. Die Erregerwicklung 3 wird über einen seriell zu diesem verschalteten Schaltelement 4 aus einer Batterie 5 gespeist, welche ebenfalls zur Versorgung der B6-Brückenschaltung dient und dieser parallel geschaltet ist. Das Schaltelement 4 ist bevorzugt als Halbleiterschaltelement, z. B. als MOS-FET, ausgebildet. Der Batterie 5 ist ferner ein Kondensator 10 parallel geschaltet.With the reference number 1 are designated armature windings of the alternator. A field winding is denoted by the reference numeral 3 characterized. The armature windings 1 be via an inverter 2 , which is designed as a B6 bridge circuit fed. The inverter 2 includes six semiconductor switching elements for this purpose 2-1 . 2-2 . 2-3 . 2-4 . 2-5 . 2-6 , which in each case a freewheeling diode is connected in parallel. Two each of the switching elements 2-1 to 2-6 are connected in series to form a half bridge. The three half-bridges are connected in parallel with each other. The excitation winding 3 is connected via a series connected to this switching element 4 from a battery 5 which also serves to supply the B6 bridge circuit and this is connected in parallel. The switching element 4 is preferred as a semiconductor switching element, for. B. as a MOS-FET formed. The battery 5 is also a capacitor 10 connected in parallel.

Die Ansteuerung der Schaltelemente 2-1 bis 2-6 des Wechselrichters 2 sowie des Schaltelements 4 erfolgt durch eine Steuereinheit 8. Die Steuereinheit 8 ist dazu ausgebildet, ein vorgegebenes Soll-Drehmoment MSoll und eine vorgegebene Soll-Ladespannung USoll zu regeln. Optional kann zusätzlich eine Regelung eines vorgegebenen mechanischen Soll-Winkels γSoll und einer vorgegebenen Soll-Winkelgeschwindigkeit ωsoll erfolgen. Zu diesem Zweck werden der Steuereinheit 8 eine gemessene Spannung U sowie gemessene Ströme I1, I2, I3 und I4 zugeführt. Die Spannung U wird durch einen Spannungsmesser 6 gemessen, der der Batterie 5 parallel geschaltet ist. Die Ströme I1, I2 und I3 stellen die Ströme durch die Ankerwicklungen 1 dar, welche durch entsprechende Messvorrichtungen an den Ankerwicklungen erfasst werden. Der Strom 14 ist ein durch die Erregerwicklung fließender Strom, der an dieser erfasst wird. Darüber hinaus wird der Steuereinheit 8 ein durch einen Winkelsensor 7 gemessener Drehwinkel γ zugeführt. Aus diesen gemessenen und vorgegebenen Größen generiert die Steuereinheit Signale für die Schaltelemente 2-1 bis 2-6 des Wechselrichters 2 sowie für das Schaltelement 4.The control of the switching elements 2-1 to 2-6 of the inverter 2 and the switching element 4 is done by a control unit 8th , The control unit 8th is designed to control a predetermined setpoint torque M setpoint and a predetermined setpoint charging voltage U setpoint . Optionally, in addition, a control of a predetermined mechanical angle to the target setpoint ω γ and a predetermined desired angular velocity take place. For this purpose, the control unit 8th a measured voltage U and measured currents I 1 , I 2 , I 3 and I 4 supplied. The voltage U is through a voltmeter 6 measured, that of the battery 5 is connected in parallel. The currents I 1 , I 2 and I 3 set the currents through the armature windings 1 which are detected by corresponding measuring devices on the armature windings. The current 14 is a current flowing through the excitation winding, which is detected at this. In addition, the control unit 8th a through an angle sensor 7 measured rotation angle γ supplied. From these measured and predetermined variables, the control unit generates signals for the switching elements 2-1 to 2-6 of the inverter 2 as well as for the switching element 4 ,

Durch entsprechende Taktung des Schaltelements 4 wird in der Erregerwicklung 3 ein Strom eingestellt. Dieser erzeugt ein mit dem Strom variierbares, magnetisches Erregerfeld, welches die Ankerwicklungen 1 des Drehstromgenerators durchflutet. Wird das Schaltelement 4 geöffnet, so liegt kein Erregerfeld an. Eine generatorische oder motorische Wirkung des Aktuators bleibt dann vollständig aus. Somit kann das Schaltelement 4 im inaktiven Betrieb des Achsgetriebes geöffnet bleiben, wodurch magnetische Schleppmomente vollständig vermieden werden. In einem Störfall kann andererseits der Wechsel in den vollständigen Leerlauf unverzüglich herbeigeführt werden. Hierzu ist lediglich das Öffnen des Schaltelements 4 erforderlich. Im Rekuperationsbetrieb kann dagegen mittels des Schaltelements 4 eine einfache Regelung der Ladespannung realisiert werden, womit eine konstante und von der Drehzahl unabhängige Ladespannung gewährleistet werden kann.By appropriate timing of the switching element 4 is in the excitation winding 3 set a current. This generates a current-variable, magnetic excitation field, which the armature windings 1 flooded the alternator. Will the switching element 4 opened, so there is no exciter field. A regenerative or motor effect of the actuator then remains completely off. Thus, the switching element 4 remain open in the inactive operation of the axle, whereby magnetic drag torques are completely avoided. In the event of an incident, on the other hand, the change to complete idling can be brought about without delay. For this purpose, only the opening of the switching element 4 required. In recuperation, however, by means of the switching element 4 a simple control of the charging voltage can be realized, whereby a constant and independent of the speed charging voltage can be ensured.

Durch die Verwendung eines Drehstromgenerators in einem direktmotorischen, kupplungslosen Achsgetriebe und die beschriebene feldorientierte Regelung bzw. Ansteuerung kann eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionswerte in einem Fahrzeug erzielt werden. Darüber hinaus ergeben sich sicherheitstechnische Vorteile, da ein sofortiger Wechsel in einen vollständigen Leerlauf der Antriebsmaschine möglich ist. Im Rekuperationsbetrieb wird keine überschüssige Energie gewandelt, wodurch sich wiederum energetische Vorteile ergeben. Die eingesetzten Komponenten sind mit geringen Stückkosten verfügbar, da diese bereits in hoher Stückzahl im Automobilbereich eingesetzt werden.By using an alternator in a direct-drive clutchless axle drive and the described field-oriented control, a reduction in fuel consumption and CO 2 emission levels in a vehicle can be achieved. In addition, there are safety advantages, since an immediate change to a complete idle the drive machine is possible. In recuperation operation, no excess energy is converted, which in turn results in energetic benefits. The components used are available with low unit costs, since these are already used in large quantities in the automotive sector.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
DrehstromgeneratorAlternator
22
Wechselrichter (B6-Brückenschaltung)inverter (B6 bridge circuit)
2-12-1
Schaltelement mit Freilaufdiodeswitching element with freewheeling diode
2-22-2
Schaltelement mit Freilaufdiodeswitching element with freewheeling diode
2-32-3
Schaltelement mit Freilaufdiodeswitching element with freewheeling diode
2-42-4
Schaltelement mit Freilaufdiodeswitching element with freewheeling diode
2-52-5
Schaltelement mit Freilaufdiodeswitching element with freewheeling diode
2-62-6
Schaltelement mit Freilaufdiodeswitching element with freewheeling diode
33
Erregerwicklungexcitation winding
44
Schaltelementswitching element
55
Batteriebattery
66
Spannungsmesservoltmeter
77
Winkelsensorangle sensor
88th
Steuereinheitcontrol unit
99
Steuerschaltungcontrol circuit
1010
Kondensatorcapacitor
100100
Antriebswelledrive shaft
101101
Ritzelpinion
102102
Tellerradcrown
103103
Kegelraddifferentialbevel gear
104104
Herr Aßfalg: bitte ergänzen.Sir Aßfalg: please complete.
105a105a
erste elektrische Antriebsmaschinefirst electric drive machine
105b105b
zweite elektrische Antriebsmaschinesecond electric drive machine
106106
Ritzelpinion
107107
Planetenträgerplanet carrier
108108
Herr Aßfalg: bitte ergänzen.Sir Aßfalg: please complete.
109109
ÜberlagerungsgetriebestufeSuperposition gear stage
110110
Herr Aßfalg: bitte ergänzen.Sir Aßfalg: please complete.
111a111
erste Abtriebswellefirst output shaft
111b111b
zweite Abtriebswellesecond output shaft
MSollMSoll
Soll-DrehmomentDesired torque
USollUcomm
Soll-SpannungTarget voltage
γSollγSoll
mechanischer Soll-Drehwinkelmechanical Target rotation angle
ωSollωSoll
Soll-WinkelgeschwindigkeitTarget angular velocity
UU
gemessene Spannungmeasured tension
γγ
gemessener Drehwinkelmeasured angle of rotation
I1I1
gemessener Strommeasured electricity
I2I2
gemessener Strommeasured electricity
I3I3
gemessener Strommeasured electricity
I4I4
gemessener Strommeasured electricity

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10319684 A1 [0002] DE 10319684 A1 [0002]

Claims (13)

Achsgetriebe für Fahrzeuge, umfassend: – eine linke und eine rechte Abtriebswelle (111a, 111b); – eine erste elektrische Antriebsmaschine (105a), welche mit der linken Abtriebswelle (111a) in Wirkverbindung steht; – eine zweite elektrische Antriebsmaschine (105b), welche mit der rechten Abtriebswelle (111b) in Wirkverbindung steht; – wobei die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine (105a, 105b) jeweils als Drehstromgenerator ausgebildet und dazu vorgesehen sind, in einem oder mehreren vorbestimmten Betriebszuständen ein Drehmoment zu erzeugen, welches ein Differenzmoment zwischen der linken und der rechten Abtriebswelle (111a, 111b) erzeugt, so dass die beiden Abtriebswellen (111a, 111b) unterschiedlich große Drehmomente übertragen können.Axis transmission for vehicles, comprising: - a left and a right output shaft ( 111 . 111b ); A first electric drive machine ( 105a ), which with the left output shaft ( 111 ) is in operative connection; A second electric drive machine ( 105b ), which with the right output shaft ( 111b ) is in operative connection; - wherein the first and the second electric drive machine ( 105a . 105b ) are each designed as an alternator and are provided to generate in one or more predetermined operating states, a torque which is a differential torque between the left and right output shafts ( 111 . 111b ), so that the two output shafts ( 111 . 111b ) can transmit different sized torques. Achsgetriebe nach Anspruch 1, bei dem die Drehstromgeneratoren Klauenpol-Drehstromgeneratoren sind.Axle drive according to claim 1, wherein the three-phase generators Claw pole three-phase generators are. Achsgetriebe nach Anspruch 1, bei dem die Drehstromgeneratoren schleifringlose Leitstückläufer-Drehstromgeneratoren sind.Axle drive according to claim 1, wherein the three-phase generators slip-ring-type capstan rotor generators are. Achsgetriebe nach Anspruch 1, bei dem die Drehstromgeneratoren als Doppelgenerator ausgebildet sind, mit dem in einem Rekuperationsbetrieb die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes vornehmbar ist.Axle drive according to claim 1, wherein the three-phase generators are designed as a double generator with which in a recuperation the Supply of a two-voltage on-board network is vornehmbar. Achsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine (105a, 105b) jeweils über ein Planetengetriebe mit dem Achsgetriebe in Wirkverbindung stehen, wobei eine jeweilige Antriebsmaschine (105a, 105b) eine Drehkomponente, insbesondere ein Ritzel eines Planetenträgers, antreibt.Axle drive according to one of the preceding claims, in which the first and the second electric drive machine ( 105a . 105b ) in each case via a planetary gear with the axle drive in operative connection, wherein a respective drive machine ( 105a . 105b ) drives a rotary component, in particular a pinion of a planet carrier. Achsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder der Antriebsmaschinen eine Steuereinheit (8) zur Ansteuerung einer Steuerschaltung (9) zugeordnet ist, wobei der Steuereinheit (8) als Steuergrößen zumindest ein Soll-Drehmoment (MSoll) und eine Soll-Spannung (USoll) zuführbar sind.Axle drive according to one of the preceding claims, in which each of the drive machines has a control unit ( 8th ) for controlling a control circuit ( 9 ), wherein the control unit ( 8th ) as control variables, at least one setpoint torque (M setpoint ) and a setpoint voltage (U setpoint ) can be supplied. Achsgetriebe nach Anspruch 6, bei dem der Steuereinheit (8) als weitere Steuergröße zumindest eine den Betriebszustand der elektrischen Antriebsmaschine charakterisierende Messgröße, insbesondere ein mechanischer Winkel (γSoll) und eine Winkelgeschwindigkeit (ωSoll), zuführbar ist.Axle drive according to Claim 6, in which the control unit ( 8th ) as a further control variable at least one of the operating state of the electric drive machine characterizing measured variable, in particular a mechanical angle (γ target ) and an angular velocity (ω target ), can be fed. Achsgetriebe nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Steuerschaltung (9) eine pulsweitenmodulierbare B6-Brückenschaltung umfasst.Axle drive according to Claim 6 or 7, in which the control circuit ( 9 ) comprises a pulse width modulatable B6 bridge circuit. Achsgetriebe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem durch die Steuereinheit (8) mittels eines Schaltelements (4), insbesondere ein Halbleiterschaltelement, der Strom durch eine Erregerwicklung (3) der elektrischen Antriebsmaschine einstellbar ist.Axle drive according to one of claims 6 to 8, in which by the control unit ( 8th ) by means of a switching element ( 4 ), in particular a semiconductor switching element, the current through a field winding ( 3 ) of the electric drive machine is adjustable. Achsgetriebe nach Anspruch 9, bei dem die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (4) im inaktiven Betrieb des Achsgetriebes geöffnet zu schalten.Axle drive according to Claim 9, in which the control unit ( 8th ) is adapted to the switching element ( 4 ) to be opened in inactive operation of the transaxle. Achsgetriebe nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (4) in einem Störfall geöffnet zu schalten.Axle drive according to Claim 9 or 10, in which the control unit ( 8th ) is adapted to the switching element ( 4 ) to be opened in case of an accident. Achsgetriebe nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem die Steuereinheit (8) derart ausgebildet ist, das Schaltelement (4) im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Antriebsmaschine zur Regelung einer Ladespannung anzusteuern.Axle drive according to Claim 9, 10 or 11, in which the control unit ( 8th ) is designed such that the switching element ( 4 ) in the recuperation of the electric drive machine to control a charging voltage. Achsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich eine gemeinsame Ansteuerung für die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, die Antriebsmaschinen selektiv als Generator oder Motor zu betreiben.Axle drive according to one of the preceding claims, in addition to a common control for the first and the second electric drive machine provided which is adapted to the drive machines selectively to operate as generator or motor.
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CN102720820A (en) * 2011-03-30 2012-10-10 张维国 Difference-adjusting differential for wheelchair

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