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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft einen Fahrzeugantriebsstrang mit einem Elektromotor, der ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul verwendet.
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HINTERGRUND
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Ingenieure entwickeln laufend Fahrzeuge, die verschiedene Energiequellen verwenden. Viele dieser innovativen Energiequellen werden nicht direkt auf den Antriebsstrang eines Fahrzeugs aufgebracht, sondern werden stattdessen zuerst in elektrische Leistung umgeformt und durch ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul, das im Folgenden nur als Wechselrichtermodul bezeichnet wird, geleitet, das mit einem Elektromotor gekoppelt ist. Wechselrichtermodule ermöglichen die Umwandlung von elektrischer Gleichstrom-Leistung in elektrische Wechselstrom-Leistung zur Verwendung durch den Motor. Obwohl Wechselstrom zur Verwendung in dem Elektromotor wegen einer großen Vielzahl von Vorteilen wünschenswert ist, schafft die Erzeugung von Wechselstrom in dem Wechselrichtermodul auch Nachteile, welche die Erzeugung eines Hochfrequenzsignal-Streurauschens („HF“-Signal-Streurauschens) umfassen.
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Ein elektromagnetisches Feld wird immer dann erzeugt, wenn eine Veränderung bei einer Spannung vorliegt, die in einem leitfähigen Medium erzeugt wird. Wie in der Technik wohlbekannt ist, verwenden Wechselrichtermodule ein Schalten bei hoher Geschwindigkeit, um die Wechselstromleistungsquelle für den Elektromotor zu erzeugen, und dieses Schalten kann Spannungsanstiege mit Zeitspannen erzeugen, welche in Nanosekunden gemessen werden. Die von dem Wechselrichtermodul erzeugten Spannungsänderungen wandern durch den Elektromotor und erzeugen eine Schaltung durch angeschlossene leitfähige Teile. Wie bei jeder elektrischen Schaltung wird die an der erzeugenden Quelle geschaffene elektrische Ladung versuchen, die Schaltung durch den Pfad des geringsten Widerstandswerts zu schließen. Wenn die Schaltung jedoch geöffnet ist, was bedeutet, dass kein leitfähiger Pfad für die elektrische Ladung existiert, um zu der erzeugenden Quelle zurückzufließen, breiten sich die von der Quelle erzeugten Spannungsänderungen durch jedes angeschlossene leitfähige Medium aus, bevor ein elektrisches Feld über den Spalt erzeugt wird, um die Schaltung zu schließen. Diese Ausbreitung von Spannungsänderungen bewirkt, dass jedes angeschlossene leitfähige Medium wie eine Rundfunkantenne wirkt, wobei ein elektromagnetisches Feld in der Form eines Hochfrequenzsignalrauschens durch die ausgebreiteten Spannungsänderungen erzeugt wird. Hochfrequenzsignal-Streurauschen sind Funkstreusignale oder Interferenzmuster, welche die Leistungsfähigkeit einer anderen nahe gelegenen elektrischen Ausrüstung beeinträchtigen oder verschlechtern kann. Ein Weg, die Erzeugung von Hochfrequenzsignal-Streurauschen zu verringern, besteht darin, die Ausbreitung einer Hochfrequenzsignale erzeugenden Spannung zu verringern, indem ein leitfähiger Rückkehrpfad für Ladung bereitgestellt wird, die durch das Schalten mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird, um sie zu der erzeugenden Quelle zurückzuführen.
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Bei Fahrzeugantriebsstrang-Anwendungen trifft man Elektromotoren an, die leitfähig an dem Endantrieb angeschlossen sind, der häufig die Form einer Getriebeabtriebswelle annimmt, die sich aus einem Getriebegehäuse heraus erstreckt. Diese Getriebeabtriebswelle dreht sich und kann daher nicht in einen festen Kontakt mit dem Getriebegehäuse treten. Häufig wird ein Lager aus Metall verwendet, um eine axial starre aber rotierende Einheit zwischen dem Getriebegehäuse und der Getriebeabtriebswelle zu schaffen. Obwohl dieser durch das Lager geschaffene Kontakt bei einigen Bedingungen als ein leitfähiger Kontakt zwischen dem Getriebegehäuse und der Getriebeabtriebswelle angemessen sein kann, existiert tatsächlich ein dünner Film aus Getriebefluid als ein Schmiermittel zwischen den zusammenpassenden Oberflächen des Lagers. Bei vielen Anwendungen bewirkt ein schmaler Spalt, wie etwa einer, der durch einen Schmierfilm erzeugt wird, dass sich ein kleiner Lichtbogen über dem Film ausbildet, wodurch die Schaltung geschlossen wird und irgendwelche möglichen Probleme eines Hochfrequenzsignalrauschens beseitigt werden. Jedoch haben Tests gezeigt, dass aktuelle Entwicklungen bei Wechselrichtermodulen, die höhere Schaltgeschwindigkeiten verwenden, dazu geführt haben, dass der Spalt, der durch den Film verursacht wird, wesentlicher geworden ist. Der Spannungsanstieg in dem Wechselrichtermodul und irgendeinem daran angeschlossenen leitfähigen Medium ist so schnell, dass sich die Spannung durch das leitfähige Medium ausbreitet, bevor sich ein Lichtbogen ausbilden kann, um den Spalt zu überqueren.
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Die Druckschrift
DE 42 01 373 A1 offenbart einen Antriebsstrang mit einem Getriebemotor in einem Getriebegehäuse mit einer Getriebeabtriebswelle, die durch eine Öffnung aus dem Getriebegehäuse hervorsteht. Eine Rotorwelle des Getriebemotors ist durch einen Tragarm, der ein Schmiermittel nicht kontaktiert, mit dem Getriebegehäuse verbunden.
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In der Druckschrift
US 3 783 173 A ist eine elektrisch leitfähige elastomere Dichtung offenbart, die eine elektrisch leitfähige Verstärkungsschicht aus Metall zwischen zwei elektrisch leitfähigen elastomeren Außenschichten oder einen elektrischen Leiter, der von einem elektrisch leitfähigen Elastomer umgeben ist, umfasst.
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Die Druckschrift US 2004 / 0 233 592 A1 offenbart eine Entstörungseinrichtung für einen Elektromotor in Gestalt einer Erdungsbürste, die mehrere leitfähige Fäden umfasst, die an einem ringförmigen Rahmen um eine Welle des Elektromotors herum befestigt sind, wobei die Enden der Fäden in einem Kanal des ringförmigen Rahmens verlaufen und zu der Welle hin orientiert sind. Durch eine Drehung der Welle induzierte Störströme können durch die Enden der Fäden abgeleitet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Vorrichtung zur Verringerung von Hochfrequenzsignalrauschen in einem Antriebsstrang, der ein Wechselrichtermodul verwendet, umfasst ein Getriebegehäuse, das mit dem Wechselrichtermodul geerdet ist, eine Getriebeabtriebswelle, die aus dem Getriebegehäuse durch eine Öffnung hervorragt, und eine Verbindung mit niedriger Impedanz zwischen der Getriebeabtriebswelle und dem Getriebegehäuse, wobei die Verbindung mit niedriger Impedanz nicht durch ein Getriebefluid geschmiert wird.
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Figurenliste
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Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 eine Datenaufzeichnung ist, die ein Prinzip hinter der Offenbarung veranschaulicht, wie es bei einer beispielhaften Ausführungsform eines bekannten Antriebsstrangsystems getestet wurde;
- 2 eine Schnittansicht eines beispielhaften bekannten Antriebsstrangsystems gemäß der Offenbarung ist;
- 3 und 3a Teilschnittansichten durch eine beispielhafte Ausführungsform einer bekannten Getriebedichtung sind, wenn diese mit einem Getriebegehäuse und einer Getriebeabtriebswelle interagiert, um den zugehörigen Spalt gemäß der Offenbarung abzudichten;
- 4 und 4a Teilschnittansichten durch eine beispielhafte Ausführungsform einer leitfähigen Getriebedichtung sind, in die ein Bürstenverbinder mit niedriger Impedanz gemäß der Offenbarung eingelassen ist; und
- 5 eine Teilschnittansicht durch eine leitfähige Getriebedichtung ist, die ein leitfähiges Material mit niedriger Impedanz gemäß der Offenbarung umfasst.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Nun mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung gewisser beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck einer Beschränkung derselben ist, ist 1 eine Datenaufzeichnung eines Spannungspotentials zwischen einem Getriebegehäuse und einer Getriebeabtriebswelle über die Zeit, die ein Prinzip hinter der Offenbarung veranschaulicht. Das Messen des Spannungspotentials ist ein Mittel zum Messen der Spannungsausbreitung, die durch ein Schalten mit hoher Energie erzeugt wird, anderweitig als Hochfrequenz-Energieausbreitung bekannt. Die Hochfrequenz-Energieausbreitung weist wesentliche Auswirkungen auf die Erzeugung von Hochfrequenzsignal-Streurauschen oder Funkrauschen auf. Hochfrequenzenergie, die durch eine beliebige Länge eines leitfähigen Materials fließt, kann bewirken, dass das Material wie eine Sendeantenne wirkt, und die Geometrie des Materials hat Auswirkungen auf die Frequenz des erzeugten Hochfrequenzsignalrauschens. Bei Anwendungen, wie etwa Fahrzeugsystemen, kann ein Hochfrequenzsignal-Streurauschen eine unbeabsichtigte Interferenz mit anderen Systemen in dem Fahrzeug verursachen und sollte vermieden werden. Man hat erkannt, dass die Antriebswelle eines Fahrzeugs, ein großer metallischer Zylinder, der sich von dem Getriebe nach hinten zu der Hinterachse erstreckt, tendenziell von einer Länge ist, die in einem Bereich liegt, der Interferenzen bei dem Funkempfang im AM-Band und bei anderen Systemen erzeugt, wenn die Antriebswelle mit Hochfrequenz-Energie erregt wird. Die in 1 veranschaulichten Daten zeigen die Erzeugung eines Spannungspotentials in einer Getriebeabtriebswelle 40 bezüglich eines Getriebegehäuses 20, das anzeigt, dass ein Hochfrequenz-Energiefluss und ein entsprechendes Potential für ein Hochfrequenzsignal-Streurauschen in der Getriebeabtriebswelle 40 erzeugt werden. Die Getriebeabtriebswelle 40 ist mit einer Antriebswelle leitend verbunden, und daher wird jegliche Hochfrequenzenergie, die sich durch die Getriebeabtriebswelle 40 ausbreitet, die Antriebswelle erregen und die Erzeugung eines Hochfrequenzsignal-Streurauschens bewirken. Eine Verringerung dieses Spannungspotentials zwischen dem Getriebegehäuse 20 und der Getriebeabtriebswelle 40 wird den Fluss von Hochfrequenzenergie außerhalb des Rückkehrpfads verringern, wodurch ein zugehöriges Hochfrequenzsignal-Streurauschen verringert wird.
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2 stellt ein Getriebegehäuse 20, einen Getriebeantriebsstrang 30, eine Getriebeabtriebswelle 40 und einen Elektromotor 50 bei einer beispielhaften Ausführungsform eines bekannten Antriebsstrangsystems 10 dar. Das Getriebegehäuse 20 ist ein metallisches Gehäuse, das die Komponenten einer Getriebeanordnung abdeckt. Das Getriebegehäuse 20 ist an das Gehäuse des Elektromotors 50 und die Fahrzeugmasse leitend angeschlossen. Alternativ kann das Getriebegehäuse auch das Gehäuse des Motors 50 umfassen. Diese Masseverbindungen stellen einen Rückkehrpfad mit einer ausreichend niedrigen Impedanz für das Wechselrichtermodul 60 bereit, um Spannungsänderungen bezüglich des Wechselrichtermoduls annähernd zu beseitigen. In dem Getriebegehäuse 20 kann der Getriebeendantrieb 30 Zahnräder, einen Drehmomentwandler und weitere Einrichtungen umfassen, welche in der Technik wohlbekannt sind, um einen mechanischen Drehantrieb in einen weiteren mechanischen Drehabtrieb umzuformen. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist der Elektromotor 50 an dem Getriebegehäuse 20 befestigt und weist eine direkte mechanische Kopplung mit dem Getriebeendantrieb 30 auf. Der Getriebeendabtrieb 30 ist mit der Getriebeabtriebswelle 40 verbunden, um ein Drehmoment zum Antreiben des Fahrzeugs bereitzustellen. Die Getriebeabtriebswelle 40 erstreckt sich von innerhalb des Getriebegehäuses 20 durch eine Öffnung 25 in dem Getriebegehäuse 20. Während des gesamten Betriebs des Antriebsstrangsystems 10 dreht sich die Getriebeabtriebswelle 40 schnell. Daher ist ein direkter Kontakt zwischen der sich drehenden Getriebeabtriebswelle 40 und dem stationären Getriebegehäuse 20 wegen der Reibung und dem Verschleiß, der sich ergeben würde, nicht durchführbar. Stattdessen wird in der Öffnung 25 durch ein Lager 75 ein Spalt 70 um die Getriebeabtriebswelle 40 herum geschaffen und aufrechterhalten. Obwohl das Lager 75 hauptsächlich leitfähige metallische Komponenten umfassen kann, bewirken Bedingungen, die durch ein Schalten mit hoher Geschwindigkeit in dem Wechselrichtermodul 60 erzeugt werden, dass kleine Spalte, die von Schmierfilmen in dem Lager 75 erzeugt werden, als nicht leitfähige Spalte wirken. Daher existiert in Fahrzeuggetrieben, wie etwa der beispielhaften Ausführungsform von 2, die Wechselrichtermodule verwenden, welche ein Schalten bei hoher Geschwindigkeit nutzen, kein effektiver direkter Pfad für ein Spannungspotential, das in dem Wechselrichtermodul erzeugt wird, um zu dem Wechselrichtermodul zurückzukehren.
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Der Spalt 70 um die Getriebeabtriebswelle 40 herum wird nicht offen gelassen. Es wird eine Getriebedichtung verwendet, um den Spalt 70 zu schließen und Verunreinigungen am Eindringen in das Getriebegehäuse 20 zu hindern. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform eines bekannten Antriebsstrangsystems 10 mit einer bekannten Getriebedichtung 90 bei deren Interaktion mit dem Getriebegehäuse 20 und einer Getriebeabtriebswelle 40, um den Spalt 70 abzudichten. 3A veranschaulicht einen Querschnitt der Öffnung 25 an dem Punkt der Interaktion zwischen der bekannten Getriebedichtung 90 und der Getriebeabtriebswelle 40. Die bekannte Getriebedichtung 90 ist um die Öffnung 25 herum an dem Getriebegehäuse 20 befestigt und bewirkt ein Abdichten gegen die sich drehende Getriebeabtriebswelle 40 entlang zweier zylindrischer Oberflächen mit Gleitkontakt, nämlich einer nassen Dichtfläche 82 und einer trockenen Dichtfläche 84. Die bekannte Getriebedichtung 90 besteht aus einem Gummimaterial, das nicht leitfähig ist. Als Folge besteht keine leitfähige Verbindung zwischen dem Getriebegehäuse 20 und der Getriebeabtriebswelle 40. 3 zeigt, dass Hochfrequenzenergie durch die Getriebeabtriebswelle 40 ohne einen direkten Rückkehrpfad zu ihrer Quelle bei dem Elektromotor 50 fließt.
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4 veranschaulicht eine Ausführungsform, welche die Implementierung einer leitfähigen Getriebedichtung 80 gemäß der Offenbarung zeigt. Die leitfähige Getriebedichtung 80 wird anstelle der bekannten Getriebedichtung 90 verwendet, wie sie in der in 3 veranschaulichten Ausführungsform gezeigt ist. Hier umfasst die leitfähige Getriebedichtung 80 eine Dichtungsstruktur, die der Struktur der in 3 gezeigten bekannten Getriebedichtung 90 ähnelt. Zusätzlich ist in die Dichtungsstruktur ein Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz eingelassen, um den Spalt 70 zu überbrücken und einen direkten Pfad bereitzustellen, so dass Hochfrequenzenergie an den Elektromotor 50 und das Wechselrichtermodul 60 durch das Getriebegehäuse 20 zurückkehren kann. Obwohl der Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz so gezeigt ist, dass er in die leitfähige Getriebedichtung 80 eingelassen ist, ist festzustellen, dass die Anordnung und die spezielle Gestalt des Bürstenverbinders mit niedriger Impedanz für die Funktion eines leitenden Verbindens von Abschnitten des Getriebes, welcher er dient, nicht wichtig ist. Es ist eine alternative Ausführungsform vorgesehen, bei welcher der Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz zwischen die bekannte Getriebedichtung 90 und das Getriebegehäuse 20 eingelegt ist. Es ist eine weitere alternative Ausführungsform vorgesehen, bei welcher der Bürstenverbinder mit niedriger Impedanz an der Innenseite des Getriebegehäuses 20 befestigt ist und in dem Spalt 70 in bürstendem Kontakt mit der Getriebeabtriebswelle 40 steht. Eine weitere alternative vorgesehene Ausführungsform umfasst, dass das Lager 75 von dem Getriebefluid abgedichtet ist und ein leitfähiges Schmiermittel verwendet, wobei das Lager 75 als die leitfähige Verbindung wirkt, und wie ein Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz zwischen dem Getriebegehäuse 20 und der Getriebeabtriebswelle 40 wirkt. Zudem ist eine alternative Ausführungsform vorgesehen, bei welcher eine leitfähige Verbindung ähnlich dem Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz verwendet werden kann, um die Getriebeabtriebswelle direkt mit einer Fahrzeugmasse zu verbinden, wie etwa dem metallischen Rahmen des Fahrzeugs, wobei die Fahrzeugmasseverbindung einen leitfähigen Rückkehrpfad an das Wechselrichtermodul bereitstellt.
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Wie bei jedem Kontakt zwischen einem sich drehenden und einem stationären Objekt kann ein erhöhter Verschleiß an den Punkten auftreten, an denen der stationäre Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz die sich drehende Getriebeabtriebswelle 40 berührt. Es kann daher bevorzugt sein, diese Fläche entweder leitend zu schmieren oder im Vorgriff auf diesen konstanten Verschleiß, der bei der Anordnung naturgegeben ist, durch Härten zu verstärken.
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Wie in der Technik bekannt ist, nähert sich ein Spannungspotential über einer gegebenen Spanne in einer Schaltung Null, wenn sich die Impedanz über der Spanne Null nähert. Durch das leitende Verbinden der Getriebeabtriebswelle 40 und des Getriebegehäuses 20 mit der leitfähigen Getriebedichtung 80, in die der Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz eingelassen ist, wird das Spannungspotential zwischen der Getriebeabtriebswelle 40 und dem Getriebegehäuse 20 wesentlich verringert. Auf diese Weise kann eine Hochfrequenzenergieausbreitung durch die Getriebeabtriebswelle 40 und die damit verbundene Antriebswelle und die zugehörige Erzeugung eines Hochfrequenzsignal-Streurauschens wesentlich verringert werden.
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4A veranschaulicht das Fließen von Hochfrequenzenergie bei der in 4 veranschaulichten Ausführungsform. Wie voranstehend erwähnt wurde, stellt die leitfähige Getriebedichtung 80 einen Rückkehrpfad mit niedriger Impedanz bereit, so dass Hochfrequenzenergie durch das Getriebegehäuse 20 an den Elektromotor 50 zurückkehren kann. Wie in dieser Figur veranschaulicht ist, wandert die Hochfrequenzenergie die Getriebeabtriebswelle 40 hinunter bis zu der Gegend, in der die einzelnen Kontaktpunkte zwischen dem Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz und der Getriebeabtriebswelle 40 auftreten. Die Hochfrequenzenergie wandert bevorzugt durch den Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz und in das Getriebegehäuse 20, statt fortzufahren, sich entlang der Getriebeabtriebswelle 40 auszubreiten. Da die Hochfrequenzenergie frei zu der erzeugenden Quelle zurückkehren kann, wird das Spannungspotential zwischen der Getriebeabtriebswelle 40 und dem Getriebegehäuse 20 wesentlich verringert, wodurch eine Hochfrequenzenergieausbreitung durch die Getriebeabtriebswelle 40 und die zugehörige Erzeugung eines Hochfrequenzsignal-Streurauschens verringert wird.
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5 veranschaulicht eine Ausführungsform, welche die Implementierung eines alternativen Aufbaus der leitfähigen Getriebedichtung 80 gemäß der Offenbarung zeigt. Während die in 4 veranschaulichte Ausführungsform eine nicht leitfähige Dichtung von einem Gummityp verwendete, in welche ein Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz eingebettet ist, ersetzt die Ausführungsform von 5 die nicht leitfähige Dichtung von einem Gummityp durch ein leitfähiges Material mit niedriger Impedanz, das dennoch dazu dient, den Spalt 70 abzudichten. Da das Material als eine direkte leitfähige Verbindung zwischen der Getriebeabtriebswelle 40 und dem Getriebegehäuse 20 dient, führt die leitfähige Getriebedichtung 80, die ein leitfähiges Material mit niedriger Impedanz verwendet, die gleiche Funktion aus, wie die voranstehend in 4 beschriebene Dichtung. Ein gummiertes Material kann mit gewissen anderen Materialien behandelt oder vermischt werden, um das Endmaterial leitfähig zu machen. Zum Beispiel kann durch Hinzufügen von Kohlenstoffnanoröhrchen zu dem Gummimaterial eine Dichtung hergestellt werden, die als ein Verbinder mit niedriger Impedanz zwischen zwei Objekten dient. Da das Dichtungsmaterial leitfähig ist, wird bei dieser Ausführungsform kein Bürstenverbinder 86 mit niedriger Impedanz benötigt. Das Spannungspotential zwischen der Getriebeabtriebswelle 40 und dem Getriebegehäuse 20 wird wesentlich verringert, wodurch die Hochfrequenzenergieausbreitung durch die Getriebeabtriebswelle 40 und die zugehörige Erzeugung eines Hochfrequenzsignal-Streurauschens verringert wird.
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5 veranschaulicht zudem das Fließen von Hochfrequenzenergie durch die leitfähige Getriebedichtung 80, da die Hochfrequenzenergie, statt fortzufahren, sich entlang der Getriebeabtriebswelle 40 auszubreiten, durch die leitfähige Getriebedichtung 80 in das Getriebegehäuse 20 wandert. Dieser Pfad von Hochfrequenzenergiefluss veranschaulicht das gesuchte Resultat und führt zu einer wesentlichen Verringerung bei der Erzeugung eines Hochfrequenzsignal-Streurauschens.
