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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Bei aus der Praxis bekannten elektrischen Maschinen mit jeweils einer einen Rotor tragenden Rotorwelle für Fahrzeugsantriebsstränge sind die Rotorwellen jeweils über zwei Lagereinrichtungen, zwischen welchen jeweils der Rotor auf der Rotorwelle angeordnet ist, in gehäusefesten Bereichen drehbar gelagert. Dabei ist eine der Lagereinrichtungen nahe einer Antriebswellenverzahnung der Rotorwelle als Festlager ausgeführt, dessen Lagerinnenring sich in Richtung des Rotors an einem Wellenabsatz abstützt. Auf der dem Wellenabsatz abgewandten Seite ist der Lagerinnenring über einen in einer Nut der Rotorwelle montierten Sicherungsring ebenfalls in axialer Richtung gehalten.
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Nachteilig dabei ist jedoch, dass einfache Sicherungsringe bei elektrischen Maschinen, die in einem hohen Drehzahlbereich, vorzugsweise etwa 20.000 U/min und höher, betrieben werden, aufgrund der im Betrieb der elektrischen Maschinen auftretenden Fliehkräfte, die zu einem Aufweiten der Sicherungsringe und unter Umständen zu einem Lösen der axialen Sicherung der Lagereinrichtungen führen, nicht als axiales Sicherungselement einsetzbar sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, bei welcher eine als Festlager ausgeführte Lagereinrichtung auch bei hohen Drehzahlen der Rotorwelle auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise sicher in axialer Richtung auf der Rotorwelle abgestützt ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer einen Rotor tragenden Rotorwelle für einen Fahrzeugantriebsstrang, die über zwei Lagereinrichtungen, zwischen welchen der Rotor auf der Rotorwelle angeordnet ist, in gehäusefesten Bereichen drehbar gelagert ist, ist eine erste Lagereinrichtung als Festlager und die zweite Lagereinrichtung als Loslager ausgebildet, in dessen Bereich an der Rotorwelle angreifende Radialkräfte gehäuseseitig abstützbar sind. Ein Lagerinnenring der ersten Lagereinrichtung ist auf der dem Rotor zugewandten Seite über einen Wellenbund und auf der dem Rotor abgewandten Seite an einem zumindest in axialer Richtung fest auf der Rotorwelle angeordneten Bauteilelement in axialer Richtung abgestützt. Der Lagerinnenring ist über einen Presssitz auf der Rotorwelle montiert, welcher nicht die gesamten Axialkräfte abstützen kann, jedoch ein Abheben und Durchdrehen des Innenrings auch bei hohen Drehzahlen verhindert.
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Erfindungsgemäß ist das Bauteilelement wenigstens bereichsweise als ein hohlzylindrischer und in Umfangsrichtung der Rotorwelle geschlossener Körper ausgeführt, der die Rotorwelle vollständig umfasst und in dessen Bereich das Bauteilelement in axialer Richtung und rotatorisch fest mit der Rotorwelle verbunden ist.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist ein die axiale Sicherung bzw. Abstützung der als Festlager ausgeführten Lagereinrichtung auf der Rotorwelle im Vergleich zu aus der Praxis bekannten elektrischen Maschinen, bei welchen jeweils eine als Festlager ausgeführte Lagereinrichtung über einfache Sicherungsringe in axialer Richtung auf der Rotorwelle abgestützt sind, aufgrund der in Umfangsrichtung der Rotorwelle geschlossenen Ausführung des Bauteilelementes auch bei hohen Drehzahlen, vorzugsweise bei Drehzahlen von 20.000 Umdrehungen und höher, sicher gewährleistet, da ein Aufweiten des Bauteilelementes im Bereich des hohlzylindrischen und in Umfangsrichtung der Rotorwelle geschlossen Körpers nicht möglich ist und der die axiale Abstützung der Lagereinrichtung auf der Rotorwelle herstellende feste Verbund zwischen dem Bauteilelement und der Rotorwelle über den gesamten Betriebsbereich der elektrischen Maschine in gewünschtem Umfang vorliegt.
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Bei einfach herzustellenden und mit geringem Aufwand montierbaren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist das Bauteilelement über einen Presssitz oder über eine Schrumpfklebung fest mit der Rotorwelle verbunden.
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Ist zwischen dem Lagerinnenring der ersten Lagereinrichtung und dem Bauteilelement auf der Rotorwelle eine Distanzhülse vorgesehen, über die der Lagerinnenring der ersten Lagereinrichtung in axialer Richtung der Rotorwelle am Bauteilelement abgestützt ist, ist das Bauteilelement auf der Rotorwelle in axialer Richtung beabstandet von der als Festlager ausgeführten Lagereinrichtung anordenbar, ohne das Bauteilelement anwendungsfallabhängig konstruktiv ändern zu müssen.
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Bei einer einfachen und kostengünstig herstellbaren sowie mit geringem Aufwand montierbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist ein Lageraußenring der ersten Lagereinrichtung auf einer dem Bauteilelement abgewandten Seite an einem Absatz im gehäusefesten Bereich und auf der dem Bauteilelement zugewandten Seite an einem im gehäusefesten Bereich angeordneten Sicherungsring in axialer Richtung abgestützt.
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Eine ebenfalls einfach montierbare weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagerinnenring der zweiten Lagereinrichtung auf die Rotorwelle aufgeschoben und auf der dem Rotor zugewandten Seite an einem Wellenbund anliegt.
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Ist der Lagerinnenring der zweiten Lagereinrichtung über einen Presssitz fest mit der Rotorwelle verbunden, ist der Lagerinnenring der als Loslager ausgeführten zweiten Lagereinrichtung auf konstruktiv einfache Art und Weise in einer vordefinierten Lagerposition anordenbar und in dieser ohne weitere Maßnahmen gehalten.
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Bei einer weiteren einfach montierbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist zwischen dem Lageraußenring der zweiten Lagereinrichtung und dem gehäusefesten Bereich bei Vorliegen einer Raumtemperatur ein Presssitz vorgesehen, der aufgrund eines unterschiedlichen temperaturabhängigen Ausdehnungsverhaltens des Lageraußenringes und des gehäusefesten Bereiches oberhalb einer definierten Betriebstemperatur, die größer ist, als die Raumtemperatur, in einen Spielsitz übergeht.
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Damit ist gewährleistet, dass die zweite Lagereinrichtung im Bereich ihres Lageraußenringes während der Montage in die definierte Lagerposition bringbar ist und bei Raumtemperatur auch sicher dort gehalten ist, wobei im Betrieb der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine der Lageraußenring bei Überschreiten der definierten Betriebstemperatur in axialer Richtung verschiebbar ist und eine Überbestimmung im Bereich der Lagerung der Rotorwelle vermieden ist. Das Risiko des Durchdrehens des Außenrings ist gegenüber einem reinen Spielsitz deutlich reduziert.
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Ist zwischen dem gehäusefesten Bereich und der der ersten Lagereinrichtung abgewandten Seite des Lageraußenringes der zweiten Lagereinrichtung eine Federeinrichtung angeordnet, die den Lageraußenring der zweiten Lagereinrichtung mit einer in Richtung der ersten Lagereinrichtung wirkenden axialen Vorspannkraft beaufschlagt, läuft die gesamte Lagerung der Rotorwelle oberhalb der definierten Betriebstemperatur aufgrund der Federvorspannung in einer X-Anordnung, wodurch eine höhere Laufruhe erreicht wird, eine geringere Geräuschentwicklung erzielt wird und eine Lebensdauer der beiden Lagereinrichtungen im Vergleich zu Lagereinrichtungen, die ohne axiale Vorspannung betrieben werden, erhöht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist die Rotorwelle in einem in Bezug auf eine zu der ersten Lagereinrichtung abgewandten Seite des Bauteilelementes angeordneten Bereich mit einer Schrägverzahnung ausgebildet und die Schrägungsrichtung der Schrägverzahnung ist derart vorgesehen, dass bei einer ersten Drehmomentrichtung der Rotorwelle, die einer Hauptdrehmomentrichtung der Rotorwelle entspricht, im Bereich der Schrägverzahnung auftretende Axialkräfte im Bereich der ersten Lagereinrichtung an dem dem Lagerinnenring zugeordneten Wellenbund und dem Lageraußenring zugeordneten Sicherungsring abgestützt werden.
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Des Weiteren ist von Vorteil, wenn die Schrägungsrichtung der Schrägverzahnung derart vorgesehen ist, dass bei einer der ersten Drehmomentrichtung entgegen gesetzten zweiten Drehmomentrichtung der Rotorwelle im Bereich der Schrägverzahnung auftretende Axialkräfte im Bereich der ersten Lagereinrichtung an dem dem Lagerinnenring zugeordneten Bauteilelement und dem den Lageraußenring zugeordneten Absatz des gehäusefesten Absatzes abgestützt werden, da dann die das Bauteilelement sowohl in axialer Richtung als auch drehfest mit der Rotorwelle verbindende Haltekraft in geringerem Umfang vorgesehen werden muss.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der elektrischen Maschine werden die während der zweiten Drehmomentrichtung im Bereich der Schrägverzahnung auftretenden und an der Rotorwelle angreifenden Axialkräfte teilweise im Bereich der am Lageraußenring der zweiten Lagereinrichtung angreifenden Federeinrichtung und dem der zweiten Lagereinrichtung zugeordneten gehäusefesten Bauteil abgestützt, womit eine in axialer Richtung vorliegende Lagerbelastung der ersten Lagereinrichtung geringer ist als bei einer nicht erfolgenden teilweisen Abstützung der an der Rotorwelle anliegenden Axialkräfte im Bereich der zweiten Lagereinrichtung.
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Die Rotorwelle der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist entweder mit einer Getriebeeingangswelle eines Fahrzeugantriebsstranges oder mit einem Bereich einer antreibbaren Fahrzeugachse eines Fahrzeuges in Wirkverbindung bringbar, um ein im Bereich der elektrischen Maschine zur Verfügung stellbares Drehmoment in einen Fahrzeugantriebsstrang einleiten zu können.
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Des Weiteren kann die elektrische Maschine auch ein Antriebsaggregat eines seriellen Hybridfahrzeugantriebsstranges sein, um ein mit dem seriellen Hybridfahrzeugantriebsstrang ausgeführtes Fahrzeug über die elektrische Maschine antreiben zu können.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel in der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiter zu bilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer Längsschnittansicht.
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In der Figur ist eine elektrische Maschine 1 mit einer einen Rotor 2 tragenden Rotorwelle 3 für einen Fahrzeugantriebsstrang in einer stark schematisierten Längsschnittansicht gezeigt. Die Rotorwelle 3 ist über zwei Lagereinrichtungen 4, 5, zwischen welchen der Rotor auf der Rotorwelle 3 angeordnet ist, in gehäusefesten Bereichen 6, 7 eines Gehäuses 8 der elektrischen Maschine drehbar gelagert. Die Rotorwelle 3 ist vorliegend als Hohlwelle ausgeführt und über die beiden eine Fest-Loslagerung darstellenden Lagereinrichtungen 4, 5 sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung im Gehäuse abgestützt.
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Die Lagereinrichtung 4 ist vorliegend als Festlager ausgeführt, in dessen Bereich sowohl Axialkräfte als auch Radialkräfte abstützbar sind. Im Bereich der zweiten Lagereinrichtung 5 sind im Wesentlichen lediglich an der Rotorwelle 3 angreifende Radialkräfte abstützbar.
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Im Bereich des der Lagereinrichtung 4 zugewandten freien Wellenendes ist die Rotorwelle 3 mit einer Schrägverzahnung 9 ausgeführt, die eine Antriebswellenverzahnung darstellt und deren Schrägungsrichtung vorliegend derart vorgesehen ist, dass bei einer ersten Drehmomentrichtung der Rotorwelle 3, die einer Hauptdrehmomentrichtung der Rotorwelle 3 entspricht, im Bereich der Schrägverzahnung 9 auftretende Axialkräfte im Bereich der ersten Lagereinrichtung 4 an einem einem Lagerinnenring 10 zugeordneten Wellenbund 11 der Rotorwelle 3 und im Bereich eines einem Lageraußenring 12 zugeordneten Sicherungsring 13, über den der Lageraußenring 12 der ersten Lagereinrichtung 4 im gehäusefesten Bereich 6 gemeinsam über einen Absatz des gehäusefesten Bereiches 6 in axialer Richtung gehalten ist, abgestützt werden. Der Lagerinnenring 10 ist über einen Presssitz auf der Rotorwelle 3 montiert, welcher nicht die gesamten Axialkräfte abstützen kann, jedoch ein Abheben und Durchdrehen des Innenrings 10 auch bei hohen Drehzahlen verhindert.
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Zusätzlich ist der Lagerinnenring 10 der ersten Lagereinrichtung 4 neben dem Wellenbund 11 vorliegend über ein in axialer Richtung und auch rotatorisch fest mit der Rotorwelle 3 verbundenes Bauteilelement 15, das als Parksperrenrad und/oder als Drehzahlgeberrad ausgeführt sein kann, in axialer Richtung fest mit der Rotorwelle 3 verbunden, wobei zwischen dem Bauteilelement 15 und dem Lagerinnenring 10 vorliegend eine über die Rotorwelle 3 geschobene Distanzhülse 16 vorgesehen ist. Das Bauteilelement 15 ist bereichsweise als ein hohlzylindrischer und in Umfangsrichtung der Rotorwelle 3 geschlossener Körper ausgeführt, der die Rotorwelle 3 vollständig umfasst und in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles beispielsweise über einen Presssitz, eine Schrumpfklebung oder dergleichen fest mit der Rotorwelle verbunden ist.
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Ein Lagerinnenring 17 der zweiten Lagereinrichtung 5 ist auf die Rotorwelle 3 aufgeschoben und liegt auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite an einem Wellenbund 18 an, wobei der Lagerinnenring 17 der zweiten Lagereinrichtung 5 über einen Presssitz fest mit der Rotorwelle verbunden ist.
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Zwischen einem Lageraußenring 19 der zweiten Lagereinrichtung 5 und dem gehäusefesten Bereich 7 ist bei Vorliegen einer Raumtemperatur von 25°C ein Presssitz vorgesehen, der aufgrund eines unterschiedlichen temperaturabhängigen Ausdehnungsverhaltens des vorliegend aus Stahl hergestellten Lageraußenringes 19 und des aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellten gehäusefesten Bereiches 7, der ein Gehäusedeckel des Gehäuses 8 ist, oberhalb einer definierten Betriebstemperatur der elektrischen Maschine 1 in einen Spielsitz übergeht, womit die Lagereinrichtung 5 gemeinsam mit der Rotorwelle 3 in Bezug auf den gehäusefesten Bereich 7 in axialer Richtung oberhalb der definierten Betriebstemperatur der elektrischen Maschine 1 verschiebbar ausgeführt ist und eine Überbestimmung der Lagerung der Rotorwelle 3 vermieden wird.
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Zwischen dem gehäusefesten Bereich 7 und der der ersten Lagereinrichtung 4 abgewandten Seite des Lageraußenringes 19 der zweiten Lagereinrichtung 5 ist eine Federeinrichtung 20 angeordnet, die den Lageraußenring 19 der zweiten Lagereinrichtung 5 mit einer in Richtung der ersten Lagereinrichtung 4 in axialer Richtung der Rotorwelle 3 wirkenden Vorspannkraft beaufschlagt. Mit Übersteigen der definierten Betriebstemperatur werden die beiden Lagereinrichtungen 4 und 5 von der Federeinrichtung 20 in axialer Richtung derart vorgespannt, dass die beiden Lagereinrichtungen 4 und 5 in einer so genannten X-Anordnung vorliegen.
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Sinkt die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine 1 wieder in Richtung der Raumtemperatur ab, wird der Lageraußenring 19 der als Loslager ausgeführten Lagereinrichtung 5 aufgrund des unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens zwischen dem gehäusefesten Bereich 7 und dem Lageraußenring 19 wieder wenigstens annähernd in seine ursprüngliche axiale Montageposition entgegen der Federkraft der Federeinrichtung 20 zurückgestellt.
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In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles ist die als Festlager ausgeführte Lagereinrichtung 4 aufgrund der in diesem Bereich wirkenden Axial- und Radialkräfte größer zu dimensionieren als die Lagereinrichtung 5. Da die an der Rotorwelle 3 angreifenden Kräfte im Wesentlichen aus der Schrägverzahnung 9 und aus einer in dem Bereich des Bauteilelementes 15 eventuell vorgesehenen Verzahnung resultieren, werden die an der Rotorwelle 3 angreifenden Kräfte vorzugsweise im Wesentlichen im Bereich der ersten Lagereinrichtung 4 abgestützt, da zwischen der Schrägverzahnung 9 bzw. dem Bauteilelement 15 und der ersten Lagereinrichtung 5 jeweils ein kleinerer Hebelarm vorliegt als zwischen der Schrägverzahnung 9 bzw. dem Bauteilelement 15 und der zweiten Lagereinrichtung 5.
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Bei einer der ersten Drehmomentrichtung entgegen gesetzten zweiten Drehmomentrichtung der Rotorwelle 3 werden im Bereich der Schrägverzahnung 9 und eventuell im Bereich des Bauteilelementes 15 auftretende Axialkräfte im Bereich der ersten Lagereinrichtung 4 an dem Lagerinnenring 10 zugeordneten Bauteilelement 15 und dem Lageraußenring 12 zugeordneten Absatz 14 des gehäusefesten Bereiches 6 abgestützt.
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Zusätzlich werden die dann an der Rotorwelle 3 angreifenden Axialkräfte auch im Bereich der zweiten Lagereinrichtung 5 über den Wellenbund 18 und die Federeinrichtung 20 abgestützt, wenn eine Betriebstemperatur der elektrischen Maschine 1 größer als die definierte Betriebstemperatur ist.
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Die elektrische Maschine 1 ist beispielsweise als eine eine Brennkraftmaschine ersetzende Antriebsmaschine eines Fahrzeugantriebsstranges verwendbar, wobei ein von der elektrischen Maschine 1 zur Verfügung gestelltes Drehmoment im Bereich eines Abtriebs des Fahrzeugantriebsstranges als Antriebsmoment oder als Schubmoment zur Verfügung stellbar ist. Hierfür ist die Rotorwelle 3 vorzugsweise mit einer Getriebeeingangswelle einer Getriebeeinrichtung, in deren Bereich eine oder mehrere Übersetzungen für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt darstellbar ist, in Wirkverbindung bringbar.
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Die elektrische Maschine 1 ist auch im Bereich einer antreibbaren Fahrzeugachse zur Darstellung eines Achshybrides einsetzbar, um im Bereich der antreibbaren Fahrzeugachse ebenfalls ein Zug- oder ein Schubmoment zur Verfügung stellen zu können. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, die elektrische Maschine in einem seriellen Hybridfahrzeugantriebsstrang einzusetzen, wobei das von der elektrischen Maschine zur Verfügung stellbare Drehmoment dann für einen Antrieb oder eine Verzögerung, d. h. Bremsung des mit dem seriellen Hybridfahrzeugantriebsstrang ausgeführten Fahrzeuges verwendbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Rotorwelle
- 4
- erste Lagereinrichtung
- 5
- zweite Lagereinrichtung
- 6, 7
- gehäusefester Bereich
- 8
- Gehäuse
- 9
- Schrägverzahnung
- 10
- Lagerinnenring der ersten Lagereinrichtung
- 11
- Wellenbund
- 12
- Lageraußenring der ersten Lagereinrichtung
- 13
- Sicherungsring
- 14
- Absatz
- 15
- Bauteilelement
- 16
- Distanzhülse
- 17
- Lagerinnenring der zweiten Lagereinrichtung
- 18
- Wellenbund
- 19
- Lageraußenring der zweiten Lagereinrichtung
- 20
- Federeinrichtung
