用于操作工作机器的驱动系的方法、工作机器的驱动系、以及工作机器与流程

用于操作工作机器的驱动系的方法、工作机器的驱动系、以及工作机器
1.本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于操作工作机器的驱动系的方法、一种根据权利要求6的前序部分所述的用于工作机器的驱动系以及一种相应的工作机器。
2.现有技术中已知电驱动工作机器，例如轮式装载机、小型装载机、伸缩式搬运机、自卸车或挖掘机。这种电驱动工作机器要么是纯电驱动的，即它们仅具有电池或蓄电池来为其供应能量。要么是柴油
‑
电驱动的，即由柴油驱动发电机供应所需的能量，通常结合电缓冲存储器，例如，相应尺寸的电容器。在所有情况中，牵引驱动器和工作驱动器所需的机械动力由一个或多个电动马达产生。此外，已知的还有混合电动工作机器，其中所需的机械动力主要由燃烧发动机(通常为柴油机)产生。在此附加设置的电动马达通常执行所谓的助力功能。
3.用于工作机器的可动力换挡的变速器同样是已知的，其中，在换挡操作期间，执行驱动单元的速度与待接合的齿轮级的速度之间的速度同步。在升挡操作的情况下，驱动单元的速度相应减小，而在降挡操作的情况下，该速度相应增大。
4.在此背景下，de 20 2014 000 738 u1描述了一种纯电动驱动的轮式装载机，该轮式装载机具有用于牵引驱动器的第一电动马达和用于工作驱动器的第二电动马达。
5.从ep 0 962 597 a2中已知一种以电池操作的工作机器，该工作机器具有用于牵引驱动器的两个电动马达和用于工作驱动器的另一电动马达。用于牵引驱动器的两个电动马达整合到前车桥中，其中各电动马达均驱动车轮。
6.从de 10 2010 063 503 a1进一步已知一种工作机器的行星式多级变速器。多级变速器包括：壳体，四个行星式齿轮组和多个轴接纳在该壳体中；以及由至少一个制动器和多个离合器形成的换挡元件，并且通过对该换挡元件针对性的致动可以描述驱动轴与输出轴之间的八个不同传动比。de 10 2010 063 503 a1的变速器允许动力换挡。
7.然而，已知的电驱动式工作机器的缺陷在于，与由燃烧发动机驱动的工作机器中的相同操作相比，在动力下的换挡操作中涉及的齿轮级速度同步更加困难。这样的原因一方面是与燃烧发动机相比，电动马达的转动惯量相对较大，另一方面是电动马达的速度谱相对较大，因此也可能对应地有较大的速度差。这按常规需求电力驱动式工作机器中的离合器的尺寸确定对应地更大且更强有力。然而，离合器的这种相对更大且更强有力的设计导致空间需求增加、重量增加和生产成本增加。
8.本发明的目的是提出一种用于操作工作机器的驱动系的改进的方法。
9.根据本发明，该目的通过如权利要求1所述的用于操作工作机器的驱动系的方法来实现。本发明的有利实施例和进一步发展从从属权利要求得出。
10.本发明涉及一种用于操作工作机器的驱动系的方法，其中第一电动马达经由第一变速器装置来驱动该工作机器的工作驱动器，其中第二电动马达经由第二变速器装置来驱动该工作机器的牵引驱动器，并且其中，在该第二变速器装置从较低齿轮级到较高齿轮级的换挡操作期间，执行该第二电动马达的速度降低。根据本发明的方法的特征在于，在该换
挡操作期间，经由第一离合器在该第一电动马达与该第二变速器装置之间建立驱动连接，以使得该第一电动马达在该换挡操作期间驱动该牵引驱动器。
11.在从较低齿轮级到较高齿轮级的换挡操作期间，与牵引驱动器相关联的第一电动马达必须非常快速地降低其速度，以便在换挡操作中所涉及的离合器元件之间建立必要的速度同步。根据现有技术，这种速度同步是经由换挡操作中所涉及的离合器元件之间的对应摩擦功来执行的，其中，特别是在电动马达中，会出现相对大的速度差，这种速度差必须不利地通过特别强有力且因此笨重且昂贵的离合器来平衡。然而，因为速度同步是通过摩擦功执行的，所以在换挡操作期间的任何时间，扭矩都可以继续从第二电动马达传递到牵引驱动器。
12.根据本发明的方法从此处开始：通过有利地使得牵引驱动器可以在第二变速器装置的换挡操作期间由实际上与工作驱动器相关联的第一电动马达驱动，第二电动马达可以在驱动方面与牵引驱动器分离，并且新的降低的速度可以在牵引驱动器中没有牵引力损失的情况下被设定或调整。因此，当实施根据本发明的方法时，不需要通过摩擦功来实现速度同步，以使得换挡操作中所涉及的第二变速器装置的离合器可以被设计成相对较小且较便宜。
13.在本发明的意义内，从较低齿轮级到较高齿轮级的换挡操作被理解为从具有相对较低的输出速度和相对较高的输出扭矩的齿轮级到具有相对较高的输出速度和相对较低的输出扭矩的齿轮级的换挡操作。
14.虽然在降挡操作的情况下，也就是说，在从较高齿轮级到较低齿轮级的换挡操作的情况下，实施根据本发明的方法是可以想到的并且是优选的，但是这通常不是必要的，因为在提高第二电动马达的速度的意义上的速度同步的情况下，扭矩可以在换挡操作期间的任何时间传递到牵引驱动器。
15.速度同步所需的第二电动马达的速度降低可以优选通过在与当前旋转方向相反的方向上激励第二电动马达而发生。因此，建立了主动制动扭矩，这允许第二电动马达的速度几乎立即降低和同步。
16.然而，同样可能并且优选的是，将第二电动马达转换到发电机模式，以使得在不激励的情况下，所需的速度降低或速度同步仅由第二电动马达的转子由于发电机模式而经受的电磁制动力引起。
17.还可以想到并且优选的是，不仅设置单个第一电动马达或第二电动马达，而且设置多个第一电动马达或第二电动马达，这些电动马达可以例如经由累加齿轮彼此联接，或者可以在驱动方面可分离地连接到第一变速器装置或第二变速器装置。
18.优选地，至少第二变速器装置具有呈前进挡形式的多个齿轮级和呈倒挡形式的至少一个齿轮级。特别优选地，前进挡的数量对应于倒挡的数量。第一变速器装置也可以具有呈前进挡形式的不止一个齿轮级。此外，第一变速器装置的呈倒挡形式的一个或多个齿轮级也是可以想到的。
19.根据本发明的优选实施例，提供的是，在动力下执行该换挡操作。在本发明的含义内，表述“在动力下”是指驱动系的状态，其中扭矩从第二电动马达或者在换挡操作期间也从第一电动马达传递到牵引驱动器，以使得工作机器经历例如加速，或者以恒定速度在斜坡上坡。具体地，在换挡操作期间，如果不使用根据本发明的方法，将会中断扭矩的传递，除
非使用根据现有技术的不利的大的、昂贵的且笨重的离合器。从这个意义上来说，根据本发明的方法的优点自身显现出来并且尤其是在动力下的换挡操作中显现出来，因为这在不中断牵引力的情况下并且在存在相对小的、便宜的且动力低的离合器的情况下成为可能。就效果来说，实施根据本发明的方法的驱动系因此实现了与设有相对大的、笨重的且昂贵的离合器的驱动系相同的可动力换挡能力，而不会中断牵引力。
20.根据本发明的又一优选实施例，提供的是，在该换挡操作期间，该第一电动马达同时驱动该牵引驱动器和该工作驱动器。这具有的优点是，工作驱动器也不会被换挡操作中断，并且可连续使用。仅经由第一离合器在第一电动马达与第二变速器装置之间建立驱动连接，以使得在换挡操作期间，除了工作驱动器的动力需求之外，牵引驱动器所需的动力需求也可以由第一电动马达提供。
21.根据本发明的又一优选实施例，提供的是，仅在该换挡操作期间该牵引驱动器的动力需求与可以由该第二电动马达提供的动力之间的动力差被桥接的情况下，该第一电动马达才驱动该牵引驱动器。因此，这意味着第一电动马达在换挡操作期间提供的机械动力有利地确切增大，以使得一方面，牵引驱动器不会由于换挡操作而经历任何动力限制，但是另一方面，也不会经历任何不需要的动力增大。这具有的优点是，牵引驱动器的行为不受换挡操作的影响。因此，在换挡操作期间也无限制地提供例如工作机器的操作者针对牵引驱动器所需的动力，出于此目的，由第一电动马达提供的动力增大到由第二电动马达提供的动力由于换挡操作而减小的程度。然而，提供给牵引驱动器的总动力得以维持。
22.根据本发明的特别优选的实施例，提供的是，该第一电动马达仅在可以在该换挡操作期间完全满足该工作驱动器的动力需求的情况下驱动该牵引驱动器。这具有的优点是，在每种情况下，都确保即使在换挡操作期间，工作驱动器也接收到工作机器的操作者所需求的所需动力，以使得可以避免工作驱动器的突然动力下降，特别是操作者没有预料到的动力下降。例如，如果由工作驱动器操作的工作机器的提升设备不再接收保持所提升的负载所需的动力，那么操作者没有预料到的工作驱动器的动力下降可能导致危险情形。另一方面，牵引驱动器中的短时间动力损失通常不会导致危险情形。
23.重要的是，工作驱动器的动力需求完全由第一电动马达来满足，特别是在牵引驱动器和工作驱动器都提出相对高的动力需求而这些动力需求可能不再由第一电动马达总体提供的情形下。因此，如果所需的总动力超过可以由第一电动马达提供的最大动力，那么首先完全满足工作驱动器的需求。在换挡操作期间，第一电动马达仍然可以提供的剩余的残余动力然后可用于牵引驱动器。
24.本发明进一步涉及一种用于工作机器的驱动系，该驱动系包括第一电动马达和第二电动马达以及第一变速器装置和第二变速器装置，其中该第一电动马达和该第一变速器装置与该工作机器的工作驱动器相关联，并且其中，该第二电动马达和该第二变速器装置与该工作机器的牵引驱动器相关联。根据本发明的驱动系的特征在于，可以经由第一离合器在该第一电动马达与该第二变速器装置之间建立驱动连接。因此，根据本发明的驱动系有利地包括能够实施根据本发明的方法的所有必要装置和设备。这进而产生已结合根据本发明的方法所描述的优点。
25.为了确保根据本发明的方法由根据本发明的驱动系最佳地实施，第一电动马达和第二电动马达优选地在它们能够提供的动力和它们的扭矩
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速度特性方面相互匹配。这意
味着可以由第一电动马达提供的最大动力有利地在可以由第二电动马达提供的最大动力的50％至150％的范围内、特别是在80％至120％的范围内变动。此外，第一电动马达的扭矩
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速度特性有利地在第二电动马达的扭矩
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速度特性的50％至150％的范围内、特别是在80％至120％的范围内变动。
26.驱动系优选进一步在每种情况下都包括自身的功率电子装置功率电子装置或单个共用功率电子装置，该功率电子装置用于控制或调节第一电动马达和第二电动马达的速度或扭矩、或要由第一电动马达和第二电动马达提供的动力。同样优选地，驱动系包括电子控制装置，该电子控制装置经由相应的自身的功率电子装置或经由共用功率电子装置来控制或调节第一电动马达和第二电动马达。
27.根据本发明的优选实施例，提供的是，该第一电动马达和该第二电动马达布置在共用壳体中。这允许第一电动马达和第二电动马达以节省空间和重量的方式布置在工作机器中的驱动系内。此外，与两个单独壳体相比，共用壳体节省了重量和成本。第一电动马达和第二电动马达可以安装在共用壳体中(例如，轴向地一个接一个地安装)，其中马达输出轴例如可以在相反的轴向方向上伸出壳体。然而，在对应地配置的壳体中轴向并排的布置同样是可能的且优选的，以使得两个马达输出轴可以指向例如相同的轴向方向。
28.根据本发明的优选实施例，提供的是，该第二变速器装置可在多个齿轮级上动力换挡。这具有的优点是，不仅针对从非常具体的较低齿轮级到非常具体的较高齿轮级的换挡操作，而且针对多个齿轮级，确保了可以由根据本发明的方法提供的动力换挡能力。因此，根据本发明的驱动系变得较灵活。这需求对应地适应的速度
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扭矩行为以及对应地配置的性能，特别是第一电动马达的速度
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扭矩行为和性能。
29.特别优选的是，提供的是，该第二变速器装置可在所有齿轮级上动力换挡。这使得根据本发明的驱动系的灵活性更进一步提高。
30.特别优选的是，提供的是，该第一变速器装置可经由三个第二离合器、藉由根据本发明的方法来换挡或动力换挡。在实际应用中，这已被证明是一方面由于多个可动力换挡的齿轮级而带来的灵活性与另一方面驱动系所需的空间需求、重量和生产成本之间的良好折衷。
31.根据本发明的又一优选实施例，提供的是，该驱动系被配置成实施根据本发明的方法。
32.优选地，提供的是，该第一电动马达和/或该第二电动马达被进一步配置成在该工作机器的制动操作中回收动能。藉由可以经由第一离合器在第一电动马达和第二变速器装置之间建立的根据本发明的驱动连接，动能可以有利地由第二电动马达和第一电动马达两者回收。出于此目的，驱动系进一步有利地包括电能储存器，由回收操作供应的电能可以被供应到该电能储存器。在回收操作中，第一电动马达和/或第二电动马达作为发电机工作，并将机械能(即，动能)转换成电能。如果需要，此电能随后可以再次从电能储存器汲取，以便供应给第一电动马达和/或第二电动马达。此外，还可以提供的是，电能储存器可以经由充电电缆或其他合适的充电装置(例如，感应充电装置)用外部电能充电。使用第一电动马达和/或第二电动马达进行回收另外减少了机械摩擦制动器的磨损。
33.本发明进一步涉及一种包括根据本发明的驱动系的工作机器。也针对根据本发明的工作机器获得了已结合根据本发明的驱动系描述的优点。
34.根据本发明的优选实施例，提供的是，该工作机器呈轮式装载机的形式。
35.替代性地，工作机器也可以优选呈翻斗车、挖掘机、伸缩臂式叉装车或牵引车的形式。
36.下文将参照附图所示的实施例，通过举例方式来解释本发明。
37.在附图中：
38.图1通过示例示意性地示出了工作机器的根据本发明的驱动系的可能实施例，
39.图2通过举例的方式并以轮图的形式示出了根据本发明的用于工作机器的驱动系1的另一可能的实施例，
40.图3以流程图的形式通过示例示意性地示出了根据本发明的用于操作工作机器的驱动系的方法的可能实施例，以及
41.图4通过举例的方式示意性地示出了换挡操作期间的牵引驱动器的扭矩曲线、牵引驱动器的速度曲线以及第二电动马达的动力曲线和第一电动马达的动力曲线。
42.在所有附图中，相同的对象、功能单元和类似的部件用相同的附图标记表示。这些对象、功能单元和类似部件在其技术特征方面形式上是相同的，除非描述中明确地或隐含地显示出不同。
43.图1通过举例方式示意性地示出了根据本发明的用于工作机器(在图1中未示出)的驱动系1的可能实施例。通过举例方式示出的驱动系1包括第一电动马达2和第二电动马达3以及第一变速器装置4和第二变速器装置5。第二变速器装置5被配置成可在多个齿轮级上动力换挡。第一电动马达2和第一变速器装置4与驱动系1的工作驱动器6相关联，其中工作驱动器6呈例如pto(动力输出)接口6的形式。另一方面，第二电动马达3和第二变速器装置5与驱动系1的牵引驱动器7相关联。此外，可以经由第一离合器8在第一电动马达2与第二变速器装置5之间建立驱动连接，其中根据示例具体地可以从第一电动马达2到第二变速器装置5的中间轴5'建立驱动连接。在第二变速器装置5的换挡操作期间，从第一电动马达2到第二变速器装置5的驱动连接有利地允许由实际上与工作驱动器6相关联的第一电动马达2驱动牵引驱动器7。因此，第二电动马达3可以在驱动方面与牵引驱动器7分离，并且可以设定或调节第二电动马达3的速度降低的意义上的速度同步，而牵引驱动器7中没有任何牵引力损失。因此，当实施根据本发明的方法时，不需要通过摩擦功来实现速度同步，以使得相比现有技术中的常规离合器，第二变速器装置4的对应离合器可以被设计成相对更小且更便宜。根据示例，速度同步所需的第二电动马达3的速度降低代替地通过在与当前旋转方向相反的方向上激励第二电动马达3来实现。
44.图2通过举例的方式并以轮图的形式示出了根据本发明的用于工作机器(图2未示出)的驱动系1的另一可能的实施例。根据该示例，图2的驱动系1包括布置在共用壳体9中的第一电动马达2和第二电动马达3。图2的驱动系1进一步包括第一变速器装置4和第二变速器装置5，其中，第一电动马达2和第一变速器装置4与驱动系1的工作驱动器6相关联。另一方面，第二电动马达3和第二变速器装置5与驱动系1的牵引驱动器7相关联。可以经由第一离合器8在第一电动马达2与第二变速器装置5之间建立驱动连接，其中可以根据示例从第一电动马达2到第二变速器装置5的中间轴5'建立驱动连接。因此，当第一离合器8闭合时，第一电动马达2可以驱动牵引驱动器7。根据示例，第二变速器装置进一步包括三个第二离合器9、9'和9"，以便藉由三个不同的正齿轮级10、10'、10"提供第二变速器装置5的三个可
换挡的齿轮级。
45.图3以流程图的形式通过示例示意性地示出了根据本发明的用于操作工作机器的驱动系1的方法的可能实施例。驱动系1的第一电动马达2经由第一变速器装置4来驱动工作机器的工作驱动器6，并且驱动系1的第二电动马达3经由第二变速器装置5来驱动工作机器的牵引驱动器7。在方法步骤20中，由工作机器的操作者启动第二变速器装置5从较低齿轮级到较高齿轮级的换挡操作。换挡操作通过工作机器的对应换挡元件的操作(根据示例，藉由齿轮级选择杆)来启动。在方法步骤21中，控制装置检查与工作机械1的工作驱动器6相关联的第一电动马达2是否仍然具有足够的动力储备来辅助换挡操作以及驱动工作机械6。根据示例，情况如此，因为工作驱动器6目前未被驱动。因此，在接着的方法步骤22中，在第一电动马达2与第二变速器装置5之间建立驱动连接，这是通过闭合第一离合器8来实现的。在方法步骤23中，将第一离合器8完全闭合，并且第一电动马达2和第二电动马达3都向牵引驱动器7传递动力，也就是说，驱动牵引驱动器7。在方法步骤24中，第二电动马达3减少其向牵引驱动器7传递的动力，其中同时第一电动马达2增加其向牵引驱动器7传递的动力。由第一电动马达2传递的动力的增加确切地与由第二电动马达3传递的动力的减少相对应，以使得在换挡操作期间牵引驱动器7的动力需求与可以由第二电动马达3提供的动力之间的动力差被桥接。在接着的方法步骤25中，第二电动马达3将其向牵引驱动器7传递的动力减少到零，而第一电动马达2进一步增加其向牵引驱动器7传递的动力。牵引驱动器7现在仅由第一电动马达2驱动。在步骤26中，换挡操作中所涉及的第二变速器装置5的第二离合器9打开，以使得第二电动马达2与牵引驱动器7的驱动连接中断。接着，第二电动马达3以速度降低的形式开始速度同步。根据示例，通过将第二电动马达3转换到具有最大电流产生的发电机模式来执行速度降低。一完成必要的速度降低并实现速度同步，换挡操作中同样涉及的第二变速器装置5的离合器9'就闭合。因此再次建立第二电动马达3与牵引驱动器7之间的驱动连接。在方法步骤27中，第一电动马达2减少其向牵引驱动器7传递的动力，而第二电动马达3以相同的量增加其向牵引驱动器7传递的动力。在这种情况下，由第一电动马达2传递的动力的减少确切地与由第二电动马达3传递的动力的增加相对应。牵引驱动器7因此接收恒定的动力供应。最后，在方法步骤28中，第一电动马达2不再向牵引驱动器7传递任何动力。牵引驱动器7再次仅由第二电动马达3驱动。第一离合器8打开，并且因此中断第一电动马达2与第二变速器装置5或牵引驱动器7之间的驱动连接。因此，完成了换挡操作。因为在整个换挡操作期间，动力已从第一电动马达2或第二电动马达3传递到第二变速器装置5或牵引驱动器7，所以换挡操作是在动力下执行的。因此，驱动系1是可动力换挡的。
46.图4通过举例方式并示意性地、示出了换挡操作期间的牵引驱动器6的扭矩曲线30、牵引驱动器6的速度曲线31以及第二电动马达3的动力曲线32和第一电动马达2的动力曲线33。第二变速器装置5从较低齿轮级到较高齿轮级的换挡操作在时间t1开始。在时间t1，牵引驱动器7仅由第二电动马达3经由第二离合器9驱动。用于在第一电动马达2与第二变速器装置5之间建立驱动连接的第一离合器8是打开的。牵引驱动器7处的扭矩下降，同时速度增大。在时间t2，第一离合器8闭合。同时，第一电动马达2开始向牵引驱动器7传递动力。第一电动马达2一向牵引驱动器7传递足够动力，第二电动马达3就被切换到发电机模式，以便实现速度降低。牵引驱动器7处的扭矩进一步下降，并且牵引驱动器7处的速度进一步增大。在时间t3，第二离合器9'闭合，而第一离合器8同样保持闭合。第二离合器9'的闭合表示第
二变速器装置5的齿轮级的改变。同样在时间t3，牵引驱动器7处的扭矩进一步下降，并且牵引驱动器7处的速度进一步增大。在时间t4，第二电动马达3开始向第二变速器装置5并因此再次向牵引驱动器7传递动力。同时，第一电动马达2减少了它向第二变速器装置5并因此向牵引驱动器7传递的动力。第一离合器8和第二离合器9'都闭合。牵引驱动器7处的扭矩进一步下降，并且牵引驱动器7处的速度进一步增大。在时间t5，第一离合器8打开，并且因此第一电动马达2与第二变速器装置5或牵引驱动器7之间的驱动连接中断。第二离合器9'保持闭合。牵引驱动器7因此再次完全由第二电动马达6驱动，并且出于此原因，第二电动马达3再次增加其动力。第一电动马达2的动力再次减少。牵引驱动器7处的扭矩再次进一步下降，并且牵引驱动器7处的速度再次进一步增大。因此，完成了换挡操作。
47.附图标记
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驱动系
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第一电动马达
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第二电动马达
[0051]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一变速器装置
[0052]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二变速器装置
[0053]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
工作驱动器
[0054]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
牵引驱动器
[0055]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一离合器
[0056]
9、9'、9"
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第二离合器
[0057]
10、10'、10"
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正齿轮级
[0058]
11
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共用壳体
[0059]
20
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启动换挡操作
[0060]
21
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检查动力储备
[0061]
22
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建立驱动连接
[0062]
23
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第一离合器的完全闭合
[0063]
24
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第二电动马达的动力的减少，第一电动马达的动力的增加
[0064]
25
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第二电动马达的动力的进一步减少，第一电动马达的动力的进一步增加
[0065]
26
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第二离合器的打开和闭合，速度同步
[0066]
27
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第一电动马达的动力的减少，第二电动马达的动力的增加
[0067]
28
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第二电动马达的动力的进一步减少，第一电动马达的动力的进一步增加
[0068]
30
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牵引驱动器的扭矩曲线
[0069]
31
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牵引驱动器的速度曲线
[0070]
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第二电动马达的动力曲线
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第一电动马达的动力曲线
[0072]
t1、t2、t3、t
4 时间