ITMI20121463A1 - Dispositivo di trazione per un autoveicolo a trazione ibrida - Google Patents

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ITMI20121463A1
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IT
Italy
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sub
gearbox
traction
gear
drive
Prior art date
Application number
IT001463A
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English (en)
Inventor
Fabio Belletti
Roberto Diani
Riccardo Parenti
Gian Paolo Poltronieri
Yves Toussaint
Original Assignee
Automobili Lamborghini Spa
Green Propulsion Sa
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Description

DISPOSITIVO DI TRAZIONE PER UN AUTOVEICOLO A TRAZIONE IBRIDA
DESCRIZIONE
La presente invenzione à ̈ relativa ad un dispositivo di trazione per un autoveicolo a trazione ibrida, come definito nel preambolo della rivendicazione 1.
Nei tradizionali dispositivi di trazione ibrida che impiegano un motore a combustione interna come prima fonte di trazione ed una macchina elettrica come seconda fonte di trazione, il motore a combustione interna agisce sul differenziale di un assale (per fornire una trazione anteriore o posteriore) oppure sui differenziali di due assali (per fornire una trazione integrale), tramite un cambio di velocità avente dei rapporti di trasmissione (ad esempio 6 o 7) che coprono la gamma di velocità dell'autoveicolo. La macchina elettrica à ̈ in grado di fornire trazione ad uno dei differenziali degli assali sia direttamente che venendo accoppiata ad esso tramite il cambio. Se l'autoveicolo ha una gamma di velocità relativamente ampia e questa gamma deve essere coperta da una macchina elettrica di carico adeguato (ma la cui coppia à ̈ bassa), allora à ̈ richiesto in corrispondenza della macchina elettrica un ulteriore cambio avente ad esempio due rapporti.
DE 102008 023732 A1 mostra ad esempio una trazione ibrida in cui una prima macchina elettrica à ̈ inserita tra un motore a combustione interna e il cambio ed una seconda macchina elettrica fornisce una trazione allo stesso differenziale di assale del motore a combustione interna, tramite un ingranaggio planetario per consentire la sincronizzazione delle velocità.
Inoltre, WO 2011/014531 descrive un dispositivo di trazione ibrida in cui una prima macchina elettrica à ̈ accoppiata al cambio di velocità montato tramite una flangia sul motore a combustione interna ed à ̈ in grado inoltre di fornire trazione ad un differenziale di assale, mentre una seconda macchina elettrica à ̈ collegata per la trazione diretta ad un secondo differenziale di assale per fornire la trazione integrale.
Le macchine elettriche possono essere collegate nel solito modo per agire come motori di trazione, per ruotare liberamente o per agire come generatori in modalità di recupero.
Uno scopo dell'invenzione à ̈ quello di proporre un dispositivo di trazione ibrida del tipo generico che, con ridotto costo e complicazione strutturale, sia in grado di coprire un'ampia gamma di velocità per un veicolo, il motore a combustione interna e l’almeno una macchina elettrica essendo in grado di essere azionati in una gamma di velocità che à ̈ buona per l'efficienza.
Questo scopo viene conseguito grazie alle caratteristiche fornite nella rivendicazione 1. Vantaggiosi perfezionamenti dell'invenzione sono proposti nelle rivendicazioni dipendenti.
Secondo l'invenzione, viene proposto che il cambio sia diviso in due sotto-cambi ciascuno avente almeno due rapporti di trasmissione, con il motore a combustione interna che à ̈ collegato per la trazione al primo sotto-cambio, cioà ̈ in modo tale da non poter essere disaccoppiato. Inoltre, la macchina elettrica à ̈ disposta, nel percorso lungo il quale viene trasmessa la forza, a valle della frizione di disaccoppiamento disposta all'uscita del primo sotto-cambio ma a monte del secondo sotto-cambio, e l'uscita del secondo sotto-cambio fornisce trazione in uscita al differenziale dell’assale. Quando ad esempio l'autoveicolo à ̈ in modalità di trazione col motore a combustione interna, la proposta suddivisione del cambio fa sì che il motore a combustione interna agisca su entrambi i sotto-cambi, nel quel caso i rapporti di trasmissione dei due sotto-cambi sono moltiplicati, mentre la macchina elettrica fornisce trazione attraverso un sotto-cambio. Mediante la frizione di disaccoppiamento, il motore a combustione interna e il primo sotto-cambio possono essere arrestati nella modalità di trazione elettrica e quindi non causano alcuna perdita da trascinamento o attrito.
I rapporti di trasmissione dei due sotto-cambi possono essere abbinati alle velocità inferiori del motore a combustione interna e alle velocità notevolmente superiori della macchina elettrica; in particolare, i rapporti di trasmissione dei due sotto-cambi possono essere progettati in modo tale che il motore a combustione interna e l’almeno una macchina elettrica raggiungano le loro prefissate velocità massime ad una predefinita velocità finale del veicolo.
Con particolare preferenza, il secondo sotto-cambio può passare da una trasmissione 1:1 (nella gamma di velocità più alta) ad un rapporto di trasmissione che differisce da esso ed à ̈ preferibilmente inferiore. Specialmente questo sotto-cambio può essere un cambio planetario, che ha buona efficienza e può essere cambiato sotto carico, cioà ̈ può essere azionato senza l'uso di una ulteriore frizione, ad esempio in maniera elettro-idraulica.
Perdipiù, il primo sotto-cambio può avere una marcia indietro per rendere possibile all’autoveicolo di spostarsi in retromarcia anche quando à ̈ in una modalità in cui esso à ̈ azionato unicamente dal motore a combustione interna (ad esempio quando la batteria di trazione à ̈ scarica).
Con particolare preferenza, il primo sotto-cambio può avere almeno la metà delle marce in avanti o esattamente metà delle marce in avanti e/o tre o più marce in avanti, e in congiunzione con il secondo sotto-cambio si può ottenere o prestabilire un definito rapporto totale dei rapporti di trasmissione, per ottenere ad esempio un rapporto totale di trasmissione >4 e, di regola, all'incirca di 6. In questo modo i due sotto-cambi coprono adeguatamente la gamma di conversione appropriata per il motore a combustione interna e assicurano anche l'ottenimento di un'ottimale corrispondenza per la macchina elettrica.
Dal punto di vista del controllo à ̈ particolarmente benefico che il secondo sottocambio sia in grado di cambiare rapporto, nella trazione col motore a combustione interna e nella trazione ibrida, in funzione, tra le altre cose, del rapporto nel quale à ̈ il primo sotto-cambio, e, quando la trazione à ̈ elettrica, che sia in grado di cambiare il suo rapporto in funzione, tra le altre cose, della velocità dell’autoveicolo.
Nella modalità di trazione col motore a combustione interna, il cambio di rapporto del secondo sotto-cambio dipende da normali parametri quali la velocità dell'autoveicolo, le richieste fatte dal carico, come trasmesse attraverso un pedale dell'acceleratore, la configurazione dei rapporti di trasmissione, eccetera; ciò che questo significa à ̈ che, eventualmente in alternanza, vi à ̈ un cambio del rapporto nel primo sotto-cambio e un cambio del rapporto viene fatto nel secondo sotto-cambio per cambiare al successivo rapporto (pieno) del cambio, e così via. Nella modalità di trazione elettrica, un valore limite di velocità ed eventualmente anche un segnale di carico possono essere significativi per il cambio di rapporto.
In un vantaggioso perfezionamento dell'invenzione, può essere possibile per un secondo differenziale di assale dell'autoveicolo essere azionato anch'esso, da una seconda macchina elettrica, per ottenere almeno temporaneamente una trazione integrale, questa macchina elettrica essendo collegata al differenziale di assale ad esempio attraverso un sotto-cambio che à ̈ preferibilmente identico come struttura alla prima macchina elettrica e che ha una pluralità di rapporti di trasmissione, quale ad esempio analoghi due, tra i quali può essere cambiato. In questo modo à ̈ possibile produrre una identità di parti per i differenziali degli assali, per i corrispondenti sottocambi ed eventualmente per le macchine elettriche, la quale identità di parti à ̈ benefica dal punto di vista della produzione.
Per quanto riguarda il controllo, il sotto-cambio del differenziale di assale che ha una trazione elettrica supplementare può essere cambiato semplicemente in funzione solo della velocità dell'autoveicolo e/o in sincronizzazione con il secondo sotto-cambio che appartiene all'altro differenziale di assale.
Inoltre, quando l'autoveicolo à ̈ nella modalità di trazione integrale e la batteria di trazione à ̈ in una condizione marginale di carica (cioà ̈ ha raggiunto un predefinito livello/soglia per quanto riguarda la condizione di carica), la macchina elettrica collegata al motore a combustione interna può essere collegata come un generatore che fornisce l’energia di trazione per la seconda macchina elettrica, per consentire di mantenere la trazione integrale.
Infine, in una forma realizzativa alternativa del secondo assale di trazione a trazione elettrica dell'autoveicolo, possono essere previste due macchine elettriche che separatamente e senza un differenziale forniscono direttamente o indirettamente una trazione ai semiassi collegati alle ruote dell'assale di trazione. Le due macchine elettriche non solo permettono la richiesta compensazione di velocità tra le ruote nelle curve ma permettono anche la vettorizzazione della coppia per incrementare le proprietà dinamiche di trazione dell'autoveicolo.
Tre forme realizzative dell'invenzione sono spiegate in dettaglio di seguito unitamente ad ulteriori dettagli, nei disegni schematici:
la Fig.1 à ̈ uno schema a blocchi circuitale di un primo dispositivo di trazione ibrida, per un autoveicolo a trazione posteriore, che ha un motore a combustione interna, una frizione di disaccoppiamento e due sotto-cambi cooperanti e nei quali à ̈ funzionalmente incorporata una macchina elettrica;
la Fig.2 Ã ̈ un ulteriore schema a blocchi circuitale di un dispositivo di trazione come mostrato in Fig.1 ma avente una seconda macchina elettrica per consentire l'ottenimento della trazione integrale per l'autoveicolo;
la Fig.3 Ã ̈ uno schema a blocchi circuitale di una configurazione alternativa del secondo assale di trazione con due macchine elettriche.
La Fig.1 à ̈ uno schema a blocchi circuitale che mostra un dispositivo di trazione ibrida 1 in un autoveicolo, il quale dispositivo di trazione ibrida 1 ha, in sostanza, un motore a combustione interna 2, un cambio di velocità formato da due sotto-cambi 3, 4, una frizione di disaccoppiamento 5 ed una macchina elettrica 6 che fornisce trazione ad un differenziale posteriore 7 dell'autoveicolo. Il differenziale 7 aziona le ruote posteriori dell'autoveicolo tramite i semiassi 12 dei quali sono mostrate solo delle parti.
Il motore a combustione interna 2, che à ̈ disposto ad esempio come un motore centrale dell'autoveicolo, à ̈ collegato per la trazione ad un primo sotto-cambio 3 posizionato a valle di esso. Una frizione di disaccoppiamento in grado di interrompere il flusso della forza di trazione non à ̈ necessariamente prevista. Tuttavia, uno smorzatore di oscillazioni rotazionali (ad esempio un volano a doppia massa) o, quando come sottocambio 3 viene utilizzato un cambio automatico, un convertitore di coppia, può essere inserito nel collegamento tra l'albero d'ingresso del cambio 3 e l'albero di uscita (albero motore) del motore a combustione interna 2.
Il sotto-cambio 3 à ̈ preferibilmente un cambio manuale o automatico di tipo noto che à ̈ fornito di almeno due, e nella forma realizzativa di quattro, marce avanti ed una marcia indietro.
La frizione di disaccoppiamento 5 (quale ad esempio una tradizionale frizione a secco) Ã ̈ inserita tra l'albero di uscita 8 del sotto-cambio 3 ed un albero di trazione continua 9 della macchina elettrica 6.
La macchina elettrica 6 à ̈ ad esempio una macchina trifasica (non mostrata) che à ̈ nota per la trazione ibrida, avente un rotore sull'albero di trazione continua 9 ed uno statore fissato sul suo alloggiamento, e, tramite una configurazione di controllo elettronico (non mostrata), può essere collegata come motore di trazione, per ruotare liberamente o a vuoto, oppure per agire come generatore per alimentare corrente alla batteria di trazione dell'autoveicolo.
L'albero di trazione continua 9 à ̈ anche collegato per la trazione all'albero d'ingresso 10 del secondo sotto-cambio 4, il cui albero di uscita 11 aziona il differenziale posteriore 7 dell'autoveicolo. Il differenziale 7 può essere ad esempio un differenziale a ingranaggi conici di tipo convenzionale.
Il secondo sotto-cambio 4 prende la forma di un cambio planetario (non mostrato) il cui elemento d'ingresso (come la corona dentata ad esempio) può essere vincolato all'albero di ingresso 10, in cui il portatore dell'ingranaggio planetario può essere vincolato, come elemento di uscita, all'albero di uscita 11, e la cui ruota centrale può essere vincolata come elemento di reazione, il tutto tramite un freno (I rapporto di trasmissione).
Inoltre, tramite una frizione integrata multi-piastra, l'elemento d'ingresso o corona dentata e l'elemento di uscita o portatore dell'ingranaggio planetario possono essere collegati direttamente per ottenere una trasmissione 1:1 (II rapporto di trasmissione).
Il secondo sotto-cambio 4 può anche essere un cambio applicato (cambio con staffa di montaggio) o un qualsiasi altro tipo di trasmissione manuale o automatica, che può essere cambiata nei due rapporti di trasmissione I e II.
Mediante i due rapporti di trasmissione I e II forniti dal sotto-cambio 4 a valle, le quattro marce in avanti del sotto-cambio 3 possono essere moltiplicate o estese a otto marce avanti quando l'autoveicolo à ̈ nella modalità di trazione col motore a combustione interna, la trasmissione complessiva fornita dai cambi 3 e 4 producendo un rapporto totale di trasmissione di circa 6.
I rapporti di trasmissione I e II del sotto-cambio 4 sono anche progettati in modo che, sull'intera gamma di velocità dell'autoveicolo (ad esempio da 0 a 300 km/h), siano ottenute per la macchina elettrica 6 condizioni di velocità ottimali che assicurano che vi sia una coppia di avvio sufficientemente elevata nel I rapporto di trasmissione ma che non causi una sovravelocità alla velocità finale dell'autoveicolo nel II rapporto di trasmissione.
I rapporti di trasmissione delle quattro marce avanti del sotto-cambio 3 ed i due rapporti di trasmissione del sotto-cambio 4 sono anche progettati in modo che entrambe le fonti di trazione raggiungano la loro soglia di velocità o velocità massima, come stabilito dal loro progetto, quando l'autoveicolo à ̈ alla sua velocità finale in trazione ibrida (trazione da parte del motore a combustione interna 2 e della macchina elettrica 6).
Quando si impegna la frizione di disaccoppiamento 5, l'autoveicolo può essere mosso o azionato in avanti o all'indietro dal motore a combustione interna 2. La macchina elettrica 6 à ̈ in grado di ruotare liberamente in questo caso oppure, nella trazione ibrida (come ad esempio nelle fasi di spinta), à ̈ in grado di condividere la trazione. Quando richiesto, essa può anche essere collegata come un generatore e può alimentare energia alla batteria di trazione.
In base alla velocità dell'autoveicolo e in funzione delle richieste fatte dal carico, i rapporti di trasmissione dei due sotto-cambi 3 e 4 possono essere cambiati automaticamente oppure le quattro marce avanti del sotto-cambio 3 possono essere cambiate manualmente (quando à ̈ un cambio manuale) ed il sotto-cambio 4 (quando à ̈ un cambio planetario, altrimenti anche questo può essere cambiato manualmente) può essere cambiato automaticamente tramite mezzi elettro-idraulici seguendo un predefinito schema di cambiata.
Nella modalità di trazione elettrica, la frizione di disaccoppiamento 6 à ̈ disimpegnata. Il motore a combustione interna 2 e il sotto-cambio 3 vengono così fermati anche quando l'autoveicolo à ̈ in movimento e pertanto non creano alcuna perdita da trascinamento o attrito. Tramite il sotto-cambio 4, la macchina elettrica 6 aziona l'autoveicolo nei rapporti di trasmissione I e II; in questo caso il I rapporto di trasmissione può eventualmente essere sufficiente a coprire la velocità che il veicolo à ̈ in grado di raggiungere in trazione elettrica.
La Fig.2 mostra una ulteriore forma realizzativa dell'invenzione per l'ottenimento almeno temporaneo della trazione integrale per un autoveicolo. Le parti che eseguono le stesse funzioni sono state indicate dagli stessi riferimenti numerici. La descrizione à ̈ limitata ai cambiamenti principali rispetto alla Fig.1.
Nella Fig.2, il dispositivo di trazione ibrida 1’ dell'autoveicolo presenta anche un differenziale anteriore 13, che à ̈ in grado di azionare le ruote anteriori dell'autoveicolo attraverso semiassi 14 dei quali sono mostrate solo delle parti.
Collegati al differenziale 13 nella direzione di trasmissione della potenza vi sono una seconda macchina elettrica 6 ed un cambio planetario o sotto-cambio 4 che può essere di struttura analoga al sotto-cambio 4 del gruppo di trazione posteriore mostrato in Fig.1 e che analogamente presenta due rapporti di trasmissione I e II.
La trazione integrale dell'autoveicolo può essere controllata mediante questo gruppo di trazione anteriore 13, 6, 4, nel qual caso le ruote anteriori dell'autoveicolo possono essere azionate elettricamente e le ruote posteriori elettricamente, dal motore a combustione interna o da una combinazione dei due.
Inoltre, la macchina elettrica 6 posteriore può essere collegata come un generatore nella modalità di trazione col motore a combustione interna per alimentare energia di trazione alla macchina elettrica 6 anteriore per consentire il mantenimento della trazione integrale.
Il cambio tra i rapporti di trasmissione I e II della seconda macchina elettrica 6 può essere automatico in funzione della velocità dell'autoveicolo; nella modalità di trazione elettrica questo cambio può essere fatto in modo analogo in sincronia con la prima macchina elettrica 6.
Quando vi sono due macchine elettriche 6 (Fig.2) e quando l'autoveicolo sta frenando, cioà ̈ à ̈ nella modalità di recupero, solo una (preferibilmente la macchina elettrica 6 anteriore) o entrambe le macchine elettriche 6 sono collegate come generatori, a seconda della potenza frenante richiesta.
La Fig.3 accenna solo approssimativamente ad una forma realizzativa alternativa del secondo assale a trazione elettrica che à ̈ progettato con due macchine elettriche 6 invece del differenziale 13 secondo la Fig.2.
In questo caso, le due macchine elettriche 6 sono allineate coassialmente ai semiassi 14 che azionano le ruote e azionano separatamente ciascuna una ruota dell’assale di trazione (in questo caso l'assale anteriore) dell'autoveicolo. I cambi planetari 4 possono essere omessi se la coppia di trazione delle due macchine elettriche 6 à ̈ sufficiente.
Attivando in maniera corrispondente le macchine elettriche 6 esse possono azionare entrambe le ruote anteriori con una corrispondente funzione differenziale (compensazione della velocità) o al fine di produrre una vettorizzazione della coppia, ad esempio in curva, fornendo una coppia più elevata alla ruota esterna alla curva ed una coppia più bassa alla ruota interna alla curva.
L’invenzione non à ̈ limitata alle forme realizzative che sono state descritte.
In particolare, piuttosto che essere una trazione posteriore come descritto in Fig.1, il dispositivo di trazione 1, 1’ può anche essere una trazione anteriore nella modalità di trazione col motore a combustione interna con le sottounità disposte nell'ordine inverso.
Il motore a combustione interna 2, i due sotto-cambi 3, 4, la frizione di disaccoppiamento 5, la macchina elettrica 6 e il differenziale 7 mostrati in Fig.1 possono, se richiesto, essere combinati in una singola unità di trazione o essere collegati tra loro mediante uno o più alberi intermedi.
Particolarmente quando à ̈ del tipo integrato, la frizione di disaccoppiamento 5 può anche essere una frizione a bagno d'olio o multi-piastra e può essere azionata o controllata elettro-idraulicamente.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di trazione per un autoveicolo a trazione ibrida, avente un motore a combustione interna ed almeno una macchina elettrica che, tramite un cambio di velocità avente una pluralità di rapporti di trasmissione, forniscono, alternativamente o insieme, una trazione in uscita ad almeno un differenziale di assale dell'autoveicolo, il motore a combustione interna essendo in grado di essere disaccoppiato mediante una frizione di disaccoppiamento, caratterizzato dal fatto che il cambio à ̈ diviso in due sotto cambi (3, 4), e preferibilmente in due sotto-cambi (3, 4) ciascuno dei quali ha almeno due rapporti di trasmissione, con il motore a combustione interna (2) che à ̈ collegato per la trazione al primo sotto-cambio (3), cioà ̈ in modo tale da non poter essere disaccoppiato, e con la macchina elettrica (6) che à ̈ inoltre disposta, nel percorso lungo il quale viene trasmessa la forza, a valle della frizione di disaccoppiamento (5) disposta all'uscita del primo sotto-cambio (3) ma a monte del secondo sotto-cambio (4), e con l'uscita (11) del secondo sotto-cambio (4) che fornisce una trazione in uscita al differenziale (7) dell'assale.
  2. 2. Dispositivo di trazione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i rapporti di trasmissione dei due sotto-cambi (3, 4) sono progettati in modo tale che il motore a combustione interna (2) e l’almeno una macchina elettrica (6) raggiungono le loro velocità massime prefissate ad una definita velocità finale del veicolo.
  3. 3. Dispositivo di trazione secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il secondo sotto-cambio (4) può essere cambiato da una trasmissione 1:1 ad un rapporto di trasmissione differente.
  4. 4. Dispositivo di trazione secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il secondo sotto-cambio (4) Ã ̈ un cambio planetario.
  5. 5. Dispositivo di trazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il primo sotto-cambio (3) ha una marcia indietro.
  6. 6. Dispositivo di trazione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il primo sotto-cambio (3) ha almeno metà delle marce avanti o esattamente metà delle marce avanti e/o tre o più marce avanti, e in combinazione con il secondo sotto-cambio (4), viene ottenuto o prefissato un rapporto totale di trasmissione, ed in particolare il primo sotto-cambio (3) ottiene, in combinazione col secondo sotto-cambio (4), un rapporto totale >4.
  7. 7. Dispositivo di trazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, nella trazione col motore a combustione interna e nella trazione ibrida, il rapporto del secondo sotto-cambio (4) à ̈ cambiato almeno in funzione del rapporto nel quale à ̈ il primo sotto-cambio (3) e, quando la trazione à ̈ elettrica, il rapporto à ̈ cambiato almeno in funzione della velocità dell'autoveicolo.
  8. 8. Dispositivo di trazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che anche un secondo differenziale (13) di assale dell'autoveicolo può essere azionato, tramite almeno una seconda macchina elettrica (6), per ottenere una trazione integrale, questa macchina elettrica (6) essendo collegata al differenziale (13) di assale tramite un sotto-cambio (4) che à ̈ preferibilmente identico in struttura alla prima macchina elettrica (6) e che ha una pluralità di rapporti di trasmissione che possono essere cambiati.
  9. 9. Dispositivo di trazione secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il sotto-cambio (4) del differenziale (13) di assale che ha una trazione elettrica supplementare viene cambiato in funzione della velocità dell'autoveicolo e/o in sincronia con il secondo sotto-cambio (4) dell'altro differenziale (7) di assale.
  10. 10. Dispositivo di trazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, quando l'autoveicolo à ̈ nella modalità a trazione integrale e la batteria di trazione à ̈ in una condizione di carica definita come marginale, la macchina elettrica (6) collegata al motore a combustione interna (2) à ̈ collegata come un generatore.
  11. 11. Dispositivo di trazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sul secondo assale di trazione a trazione elettrica dell’autoveicolo sono disposte due macchine elettriche (6) che direttamente o indirettamente forniscono trazione separatamente e senza un differenziale (13) ai semiassi (14) collegati alle ruote dell'assale di trazione.
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