DE102013209651B4 - Elektrisch verstellbares two-mode-getriebe mit versetztem motor und zwei planetenradsätzen - Google Patents

Elektrisch verstellbares two-mode-getriebe mit versetztem motor und zwei planetenradsätzen Download PDF

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Abstract

Antriebsstrang (10), umfassendein elektrisch verstellbares Getriebe (14),eine Kraftmaschine (12), die funktional über eine Kurbelwelle (18) zur Rotation mit einem Eingangselement (21) des elektrisch verstellbaren Getriebes (14) verbunden ist,wobei das elektrisch verstellbare Getriebe (14) einen ersten Planetenradsatz (20) und einen zweiten Planetenradsatz (30), einen ersten Motor/Generator (40), einen zweiten Motor/Generator (50), einen ersten Satz kämmender Zahnräder (60), einen zweiten Satz kämmender Zahnräder (70) und einen ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus (80, 82) umfasst, wobei versetzte Drehachsen (65, 85, 75) für den zweiten Motor/Generator (50), den ersten Drehmomentübertragungsmechanismus (80) und ein Ausgangselement (90) des elektrisch verstellbaren Getriebes (14) vorgesehen sind,wobei der erste Planetenradsatz (20) ein erstes Sonnenradelement (22), ein erstes Hohlradelement (24) und ein erstes Trägerelement (26) umfasst, wobei das erste Trägerelement (26) einen einzigen Satz Ritzelräder (27) lagert, die mit dem ersten Sonnenradelement (22) und dem ersten Hohlradelement (24) kämmen,wobei der zweite Planetenradsatz (30) ein zweites Sonnenradelement (32), ein zweites Hohlradelement (34) und ein zweites Trägerelement (36) umfasst, wobei das zweite Trägerelement (36) einen einzigen Satz Ritzelräder (37) lagert, die mit dem zweiten Sonnenradelement (32) und dem zweiten Hohlradelement (34) kämmen,wobei das erste Trägerelement (26) und das zweite Trägerelement (36) zur gemeinsamen Rotation durch ein erstes Verbindungselement (38) verbunden sind, das eine erste ringförmige Welle bildet und Nabenabschnitte aufweist, die mit dem ersten und zweiten Trägerelement (26, 36) verbunden sind, wobei das erste Verbindungselement (38) eine erste Drehachse (39) definiert, wobei alle Elemente des ersten und zweiten Planetenradsatzes (20, 30) um eine erste Drehachse (39) rotieren, wobei das erste Sonnenradelement (22) und das zweite Hohlradelement (34) durch ein zweites Verbindungselement (41) zur gemeinsamen Rotation verbunden sind,wobei das zweite Sonnenradelement (32) durch eine Hohlwelle (63) zur gemeinsamen Rotation mit einem ersten Zahnrad (62) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) verbunden ist, wobei das erste Verbindungselement (38) durch die Hohlwelle (63) hindurch verläuft, wobei die Hohlwelle (63) konzentrisch mit dem ersten Verbindungselement (38) ist, wobei ein zweites Zahnrad (64) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) um eine zweite Drehachse (65) rotiert, wobei das Ausgangselement (90) um eine dritte Drehachse (75) rotiert, wobei ein drittes Zahnrad (66) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) um eine vierte Drehachse (85) auf einer zweiten Welle (61) rotiert, wobei sowohl das erste Zahnrad (62) als auch das zweite Zahnrad (64) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) mit dem dritten Zahnrad (66) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) kämmen, wobei alle Zahnräder (62, 64, 66) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) derart angeordnet sind, dass jedes der Zahnräder (62, 64, 66) eine erste Ebene (67) schneidet, die senkrecht zu der ersten, zweiten und vierten Drehachse (39, 65, 85) steht,wobei der zweite Satz kämmender Zahnräder (70) parallel zu dem ersten Satz kämmender Zahnräder (60) angeordnet ist und ein erstes Zahnrad (72), ein zweites Zahnrad (74), ein drittes Zahnrad (76) und ein viertes Zahnrad (78) umfasst, das verbunden ist, um auf einer dritten Welle (79) zu rotieren, die mit der zweiten Welle (61) ausgerichtet ist, wobei das erste Zahnrad (72) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) um die erste Drehachse (39) rotiert und mit dem zweiten Zahnrad (74) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) kämmt, das um eine fünfte Drehachse (87) rotiert, wobei das zweite Zahnrad (74) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) auch mit dem dritten Zahnrad (76) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) kämmt, das um die dritte Drehachse (75) rotiert, wobei das zweite Zahnrad (74) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) als ein Losrad dient, wobei die erste Drehachse (39), die dritte Drehachse (75) und die vierte Drehachse (85) in einer dreieckigen Formation (89) angeordnet sind, wobei alle Zahnräder (72, 74, 76, 78) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) angeordnet sind, um eine zweite Ebene (69) zu schneiden, die senkrecht zu der ersten, zweiten, dritte, vierten und fünften Drehachse (39, 65, 75, 85, 87) steht,wobei der erste Motor/Generator (40) einen ringförmigen ersten Rotor (42) umfasst, der konzentrisch mit dem ersten und zweiten Planetenradsatz (20, 30) ist und diese radial umgibt,wobei der erste Rotor (42) eine Rotornabe (43) aufweist, die mit dem Verbindungselement (41) verbunden ist, so dass der erste Rotor (42) gemeinsam mit dem ersten Sonnenradelement (22) und dem zweiten Hohlradelement (34) um die erste Drehachse (39) rotiert, wobei durch Öffnungen (51, 58) in Rotorabstützungen (71) das Eingangselement (21), das Verbindungselement (38) und die Hohlwelle (63) verlaufen, wobei der erste Motor/Generator (40) auch einen ersten Stator (44) umfasst, der an einem Motorgehäuse (45) montiert ist, wobei der erste Stator (44) den ersten Rotor (42) umgibt, um einen vorbestimmten ringförmigen Spalt zwischen dem Stator (44) und dem Rotor (42) zu definieren,wobei der zweite Motor/Generator (50) einen zweiten Rotor (52) aufweist, der von einem zweiten Stator (54) umgeben ist, wobei der zweite Rotor (52) um die zweite Drehachse (65) rotiert und eine sich axial erstreckende Rotorwelle (57) aufweist, die den zweiten Rotor (52) zur gemeinsamen Rotation mit dem zweiten Zahnrad (64) verbindet,wobei das dritte Zahnrad (76) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) ein außenverzahntes Hohlrad ist, das funktional mit Ausgangselementen (90, 98) über ein Differenzialgehäuse 92 verbunden ist.

Description

  • Die vorliegenden Lehren umfassen im Allgemeinen ein elektrisch verstellbares Getriebe mit zwei Planetenradsätzen und zwei Motoren/Generatoren.
  • Hybridantriebsstränge für Fahrzeuge benutzen unter unterschiedlichen Fahrzeugbetriebsbedingungen unterschiedliche Leistungsquellen. Ein Hybridantriebsstrang mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe, das einen Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung und einen separaten Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung bereitstellen kann, weist in der Regel drei Planetenradsätze und einen oder mehrere Motoren/Generatoren auf. Der Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung weist ein einziges Getriebeübersetzungsverhältnis auf, bei dem die Motoren/Generatoren keine mechanische Leistung zuführen müssen, um zu zulassen, dass Leistung von dem Eingang auf den Ausgang übertragen werden kann, und der Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung weist zwei derartige Verhältnisse auf. D.h. bei einem besonderen Verhältnis von Eingangsdrehzahl zu Ausgangsdrehzahl in dem Modus mit Eingangsleistungsverzweigung und zwei besonderen Verhältnissen in dem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung wird Leistung von dem Eingang auf den Ausgang ohne Umwandlung von irgendwelcher von dieser in elektrische Leistung und zurück übertragen. Jedes dieser besonderen Getriebeübersetzungsverhältnisse, bei denen Leistung mechanisch übertragen wird, wird manchmal „mechanischer Punkt“ genannt. Unterschiedliche Betriebsmodi werden hergestellt, indem Bremsen und/oder Kupplungen in unterschiedlichen Kombinationen eingerückt werden und die Kraftmaschine und die Motoren/Generatoren gesteuert werden. Betriebsmodi mit Leistungsverzweigung sind vorteilhaft, da sie verwendet werden können, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern, indem zugelassen wird, dass die Kraftmaschine bei ihrer Drehzahl mit bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit arbeiten kann. Jedoch können die zusätzlichen Komponenten, die für einen Hybridantriebsstrang erforderlich sind, wie etwa die Planetenradsätze, Bremsen und/oder Kupplungen, die Gesamtfahrzeugkosten und Bauraumanforderungen erhöhen.
  • JP 2008 - 114 811 A offenbart einen Antriebsstrang, der ein elektrisch verstellbares Getriebe und eine Kraftmaschine umfasst, die funktional über eine Kurbelwelle zur Rotation mit einem Eingangselement des elektrisch verstellbaren Getriebes verbunden ist, wobei das elektrisch verstellbare Getriebe einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz, einen ersten Motor/Generator, einen zweiten Motor/Generator, einen ersten Satz kämmender Zahnräder, einen zweiten Satz kämmender Zahnräder und einen ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus umfasst. Die Trägerelemente des ersten Planetenradsatzes und des zweiten Planetenradsatzes sind miteinander und mit einem ersten Zahnrad des zweiten Satzes kämmender Zahnräder verbunden. Das Sonnenradelement des zweiten Planetenradsatzes ist mit einem ersten Zahnrad des ersten Satzes kämmender Zahnräder verbunden. Es sind zwei Drehmomentübertragungsmechanismen vorgesehen, von denen der erste das Hohlradelement des zweiten Planetenradsatzes mit dem Sonnenradelement des ersten Planetenradsatzes verbinden kann, und der andere das Hohlradelement des zweiten Planetenradsatzes an einem Getriebegehäuse festlegen kann. Der erste Motor/Generator umgibt einen der Planetenradsätze und treibt dessen Sonnenradelement an. Der zweite Motor/Generator ist mit einem zweiten Zahnrad des ersten Satzes kämmender Zahnräder verbunden. Ein zweites Zahnrad des zweiten Satzes kämmender Zahnräder ist mit einem Ausgangselement des Getriebes verbunden. Der zweite Motor/Generator ist auf der dem ersten Motor/Generator gegenüberliegenden Seite des Getriebes angeordnet.
  • Aus der US 2005 / 0 014 592 A1 ist ein Antriebsstrang bekannt, der ein elektrisch verstellbares Getriebe und eine Kraftmaschine umfasst, die zur Rotation mit einem Eingangselement des elektrisch verstellbaren Getriebes verbunden ist, wobei das elektrisch verstellbare Getriebe einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz, einen ersten Motor/Generator, einen zweiten Motor/Generator, einen ersten Satz kämmender Zahnräder, einen zweiten Satz kämmender Zahnräder und einen ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus umfasst. Das Hohlradelement des ersten Planetenradsatzes ist mit dem Trägerelement des zweiten Planetenradsatzes und mit dem Eingangselement verbunden. Das Sonnenradelement des zweiten Planetenradsatzes ist über einen ersten Drehmomentübertragungsmechanismus mit einem ersten Zahnrad eines ersten Satzes kämmender Zahnräder verbindbar. Das Trägerelement des ersten Planetenradsatzes ist mit dem Hohlradelement des zweiten Planetenradsatzes und mit einem ersten Zahnrad des zweiten Satzes kämmender Zahnräder verbunden. Ein zweites Zahnrad des zweiten Satzes kämmender Zahnräder ist über einen zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus mit einem zweiten Zahnrad des ersten Satzes kämmender Zahnräder verbindbar. Dieses ist über weitere Zahnräder mit eine Ausgangselement verbunden. Der zweite Motor/Generator ist mit einem ausgangsseitigen Zahnrad des ersten Satzes kämmender Zahnräder verbunden. Der erste Motor/Generator und der der zweite Motor/Generator sind in einer Ebene auf der der Kraftmaschine abgewandten Seite des Getriebes axial hinter den Planetenradsätzen angeordnet.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang mit einer relativ kurzen Gesamtlänge des Getriebes zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben:
    • 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe in einer Seitenansicht im Teilschnitt, genommen an den Linien 1-1 in 2.
    • 2 ist eine schematische Darstellung in einer Stirnansicht im Teilschnitt des elektrisch verstellbaren Getriebes von 1, genommen an Linien 2-2 in 1.
    • 3 ist eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Antriebsstrangs mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe in einer Seitenansicht im Teilschnitt, genommen an den Linien 3-3 in 4.
    • 4 ist eine schematische Darstellung in einer Stirnansicht im Teilschnitt des elektrisch verstellbaren Getriebes von 3, genommen an Linien 4-4 in 1.
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang 10, der eine Leistungsquelle umfasst, die eine Kraftmaschine 12 ist, die funktional mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe 14 verbunden ist. Die Kraftmaschine 12 weist ein Ausgangselement 18, wie etwa eine Kurbelwelle, auf, die funktional zur Rotation mit einem Eingangselement 21 des Getriebes 14 verbunden ist. Die Kurbelwelle 18 kann direkt mit dem Eingangselement 21 verbunden sein, oder eine Kupplung, ein Dämpfungselement oder ein Drehmomentwandler kann verwendet werden, um das Kraftmaschinen-Ausgangselement 18 mit dem Eingangselement 21 zu verbinden.
  • Das Getriebe 14 umfasst einen zusammengesetzten Planetenradsatz, der ein erster Planetenradsatz 20 und ein zweiter Planetenradsatz 30 sein kann. Das Getriebe 14 umfasst auch einen ersten Motor/Generator 40, einen zweiten Motor/- Generator 50, einen ersten Satz kämmender Zahnräder 60, einen zweiten Satz kämmender Zahnräder 70 und einen ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus 80, 82. Mit diesen Komponenten können ein elektrisch verstellbarer Modus mit Eingangsleistungsverzweigung und ein elektrisch verstellbarer Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung erreicht werden, wie es hierin beschrieben ist. Darüber hinaus ist das Getriebe 14 derart ausgestaltet, das der Bereich von Drehzahlverhältnissen, der in dem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung zwischen Anfahren und seinem mechanischen Punkt erreicht wird, den Bereich von Drehzahlverhältnissen nicht überlappt, der in dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung zwischen seinen mechanischen Punkten erreicht wird. D.h. die Bereiche von Drehzahlverhältnissen sind nicht verbunden. Durch Vorsehen der Sätze kämmender Zahnräder 60, 70, um eine Drehzahlreduktion zu einem Ausgangselement 90 des Getriebes 14 vorzusehen, werden nur zwei Planetenradsätze 20, 30 verwendet, und die Motoren/Generatoren 40, 50, insbesondere der zweite Motor/Generator 50, können relativ klein und mit niedrigem maximalen Drehmoment sein. Die Sätze kämmender Zahnräder 60, 70 ermöglichen versetzte Drehachsen für den zweiten Motor/Generator 50, den ersten Drehmomentübertragungsmechanismus 80 und das Ausgangselement 90, so dass das Getriebe 14 zum Packen in ein Fahrzeug mit Vorderradantrieb geeignet ist, obwohl das Getriebe 14 auch in Fahrzeugen mit Hinterradantrieb und Allradantrieb verwendet werden könnte.
  • Der erste Planetenradsatz 20 umfasst ein Sonnenradelement 22, ein Hohlradelement 24 und ein Trägerelement 26. Das Trägerelement 26 lagert einen einzigen Satz Ritzelräder 27, die mit dem Sonnenradelement 22 und dem Hohlradelement 24 kämmen. Das Sonnenradelement 22 wird als das erste Element bezeichnet, das Trägerelement 26 wird als das zweite Element bezeichnet, und das Hohlradelement 24 wird als das dritte Element des ersten Planetenradsatzes 20 bezeichnet.
  • Der zweite Planetenradsatz 30 umfasst ein Sonnenradelement 32, ein Hohlradelement 34 und ein Trägerelement 36. Das Trägerelement 36 lagert einen einzigen Satz Ritzelräder 37, die mit dem Sonnenradelement 32 und dem Hohlradelement 34 kämmen. Das Sonnenradelement 32 wird als das erste Element bezeichnet, das Trägerelement 36 wird als das zweite Element bezeichnet, und das Hohlradelement 34 wird als das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes 30 bezeichnet.
  • Das Trägerelement 26 und das Trägerelement 36 sind zur gemeinsamen Rotation durch ein erstes Verbindungselement 38 verbunden, das eine erste ringförmige Welle bildet und Nabenabschnitte aufweist, die mit den Trägerelementen 26, 36 verbunden sind. Das Verbindungselement 38 kann auch als eine Hauptwelle bezeichnet werden und definiert eine erste Drehachse 39. Alle Elemente der Planetenradsätze 20 und 30 rotieren um die erste Drehachse 39. Das Sonnenradelement 22 und das Hohlradelement 34 sind durch ein zweites Verbindungselement 41 zur gemeinsamen Rotation verbunden. Weil zwei der Elemente des ersten Planetenradsatzes 20 verbunden sind, um mit der gleichen Drehzahl wie die zwei der Elemente des zweiten Planetenradsatzes 30 zu rotieren, werden die Planetenradsätze 20, 30 als ein zusammengesetzter Planetenradsatz bezeichnet. Wie es Fachleute verstehen werden, sind zwischen den sechs Elementen der zwei Planetenradsätze 20, 30 (Sonnenradelement 22, Hohlradelement 24, Trägerelement 26, Sonnenradelement 32, Hohlradelement 34 und Trägerelement 36) nur vier unterschiedliche Drehzahlen möglich, von denen beliebige zwei Linearkombination der anderen zwei sind. Wenn die Planetenradsätze 20, 30 als ein Hebeldiagramm dargestellt werden, gibt es, wie es Fachleute verstehen werden, nur vier Knoten, mit dem Hohlradelement 24 als einen ersten Knoten, der als ein Eingangsknoten bezeichnet wird, den verbundenen Sonnenradelement 22 und Hohlradelement 34 als einen zweiten Knoten, den verbundenen Trägerelementen 26, 36 als einen kombiniert leistungsverzweigten Ausgangsknoten und dem Sonnenradelement 32 als einen eingangsleistungsverzweigten Ausgangsknoten.
  • Das Sonnenradelement 32 ist durch eine Hohlwelle 63 zur gemeinsamen Rotation mit einem ersten Zahnrad 62 des ersten Satzes kämmender Zahnräder 60 verbunden. Die Hohlwelle 63 ist eine hohle Welle, die zulässt, dass das Verbindungselement 38 durch die Hohlwelle 63 hindurch verlaufen kann. Die Hohlwelle 63 ist konzentrisch mit dem ersten Verbindungselement 38. Ein zweites Zahnrad 64 des ersten Satzes kämmender Zahnräder 60 rotiert um eine zweite Drehachse 65. Das Ausgangselement 90 rotiert um eine dritte Drehachse 75. Ein drittes Zahnrad 66 des ersten Satzes kämmender Zahnräder 60 rotiert um eine vierte Drehachse 85 auf einer zweiten Welle 61. Sowohl das erste Zahnrad 62 als auch das zweite Zahnrad 64 kämmen mit dem dritten Zahnrad 66. Alle Zahnräder 62, 64, 66 des ersten Satzes kämmender Zahnräder 60 sind derart angeordnet, dass jedes der Zahnräder 62, 64, 66 eine erste Ebene 67 schneidet, die senkrecht zu den Drehachsen 39, 65, 85 steht. Die erste Ebene 67 steht senkrecht zu der Seite in 1 und ist gestrichelt angedeutet. Wie es in der Stirnansicht von 2 zu sehen ist, ist der Durchmesser des dritten Zahnrades 66 viel größer als der in 1 sichtbare Teil.
  • Wie es in 1 gezeigt ist, ist der zweite Satz kämmender Zahnräder 70 im Allgemeinen parallel zu dem ersten Satz kämmender Zahnräder 60 angeordnet und umfasst ein erstes Zahnrad 72, ein zweites Zahnrad 74, ein drittes Zahnrad 76 und ein viertes Zahnrad 78, das verbunden ist, um auf einer dritten Welle 79 zu rotieren, die mit der zweiten Welle 61 ausgerichtet ist. Das erste Zahnrad 72 rotiert um die Drehachse 39 und kämmt mit dem zweiten Zahnrad 74, das um eine fünfte Drehachse 87 rotiert. Das zweite Zahnrad 74 kämmt auch mit dem dritten Zahnrad 76, das um die dritte Drehachse 75 rotiert. Das zweite Zahnrad 74 dient als ein Losrad, um sicherzustellen, dass das dritte Zahnrad 76 in der gleichen Richtung wie das Verbindungselement 38 rotiert, so dass das Ausgangselement 90 in der vorgesehenen Richtung (vorwärts oder rückwärts) rotiert. Die erste Drehachse 39, die dritte Drehachse 75 und die vierte Drehachse 85 sind in einer dreieckigen Formation 89 angeordnet, die in 2 gestrichelt gezeigt ist. Alle Zahnräder 72, 74, 76, 78 des zweiten Satzes kämmender Zahnräder 70 sind angeordnet, um eine zweite Ebene 69 zu schneiden, die senkrecht zu den Drehachsen 39, 65, 75, 85 und 87 steht. Die zweite Ebene 69 steht senkrecht zu der Seite in 1 und ist gestrichelt angedeutet.
  • Der erste Motor/Generator 40 und der zweite Motor/Generator 50 sind steuerbar, um als Motoren oder als Generatoren zu fungieren, oder werden nicht beaufschlagt, wie es erforderlich ist, um verschiedene gewünschte Betriebsmodi des elektrisch verstellbaren Getriebes 14 zu bewerkstelligen. Der Motor/Generator 40 umfasst einen ringförmigen Rotor 42, der konzentrisch mit dem ersten und zweiten Planetenradsatz 20, 30 ist und diese radial umgibt. Der Rotor 42 weist eine Rotornabe 43 auf, die mit dem Verbindungselement 41 verbunden ist, so dass der Rotor 42 gemeinsam mit dem Sonnenradelement 22 und dem Hohlradelement 34 um die erste Drehachse 39 rotiert. Öffnungen 51, 58 in Rotorabstützungen 71 lassen zu, dass das Eingangselement 21, das Verbindungselement 38 und die Hohlwelle 63 durch die Rotorabstützungen 71 verläuft.
  • Der Motor/Generator 40 umfasst auch einen Stator 44, der an einem feststehenden Element, wie etwa einem Motorgehäuse 45, montiert ist, das gestrichelt nur teilweise gezeigt ist. Das Motorgehäuse 45 wird als ein feststehendes Element bezeichnet, da es ein nicht rotierendes Element ist. Der Stator 44 umgibt den Rotor 42, um einen vorbestimmten ringförmigen Spalt zwischen dem Stator 44 und dem Rotor 42 zu definieren. Elektrische Wicklungen 46 erstrecken sich von den Enden des Stators 44 und sind funktional mit einer Vorrichtung 47 für gespeicherte Energie, wie etwa einer Batterie, verbunden, die gemäß einem in einem elektrischen Controller 49 gespeicherten Algorithmus elektrische Energie durch einen Leistungs-Stromrichter 48 an den Stator 44 liefert oder elektrische Energie von diesem aufnimmt.
  • Wie in 3 am besten gezeigt ist, weist der zweite Motor/Generator 50 einen Rotor 52 auf, der von einem Stator 54 umgeben ist, der elektrische Wicklungen 56 aufweist, die sich von Enden des Stators 54 erstrecken und funktional mit der Vorrichtung 47 für gespeicherte Energie verbunden sind, in gleicher Weise wie der Stator 44. In 1 umgibt ein Motorgehäuse 53 den Rotor 52 und den Stator 54. Das Motorgehäuse 53 ist in 3 gestrichelt nur teilweise gezeigt. Der Rotor 52 rotiert um die Drehachse 65 und weist eine sich axial erstreckende Rotorwelle 57 auf, die den Rotor 52 zur gemeinsamen Rotation mit dem zweiten Zahnrad 64 verbindet. Weil er von der ersten Drehachse 39 versetzt ist, muss der Motor/Generator 50 die Planetenradsätze 20, 30 oder irgendeine der anderen Komponenten des Getriebes 14 nicht umgeben. Die kämmenden Zahnradsätze 64, 66 verringern die Drehzahl und vervielfachen das Drehmoment des Rotors 52 von der Welle 57 zu der Welle 61, was zulässt, dass der Motor/Generator 50 ein Motor mit relativ hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment sein kann.
  • Der erste und zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 80, 82 können Reibplattenkupplungen oder Klauenkupplungen sein. Die Drehmomentübertragungsmechanismen 80, 82 sind durch einen Betätigungsmechanismus unter der Steuerung eines Controllers, der der Controller 49 oder ein separater Controller sein kann, selektiv einrückbar. Fachleute werden leicht verschiedene Wege erkennen, um unterschiedliche selektiv einrückbare Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einzurücken.
  • 2 zeigt das erfindungsgemäße Getriebe 14 in einer Seitenansicht im Teilschnitt. Die Planetenradsätze 20, 30 sind zu Zwecken der Klarheit in der Zeichnung nicht gezeigt. Die Energiespeichervorrichtung 47, der Leistung-Stromrichter 48 und der Controller 49 sind ebenfalls nicht gezeigt. Das dritte Zahnrad 76 ist ein außenverzahntes Hohlrad, das funktional mit den Ausgangselementen 90, 98 verbunden ist. D.h. das dritte Zahnrad 76 ist angebracht, um mit einem Differenzialgehäuse 92 zu rotieren. Das Differenzialgehäuse 92 ist mit Bezug auf das dritte Zahnrad 76 in 4 gezeigt, ist aber in 2 lediglich zu Klarheitszwecken nicht gezeigt. Ritzelräder 94 sind auch an dem Differenzialgehäuse 92 angebracht, um mit dem dritten Zahnrad 76 zu rotieren. Die Ritzelräder 94 sind, um miteinander zu rotieren, durch eine Ritzelwelle angebracht, die sich vertikal zwischen den Ritzelrädern 94 erstreckt, aber in 2 durch das Seitenrad 96, das mit den Ritzelrädern 94 kämmt, sichtverdeckt ist. Das Seitenrad 96 ist verbunden, um mit dem Ausgangselement 90 und dem daran angebrachten Fahrzeugrad zu rotieren. Ein anderes ähnliches Seitenrad, in 2 nicht sichtbar, kämmt mit den Ritzelrädern 94 gegenüber dem Seitenrad 96 und rotiert mit einem anderen Ausgangselement 98 (in 1 gezeigt), das mit einem anderen Fahrzeugrad verbunden ist. Zum Beispiel könnte das Ausgangselement 90 das Vorderrad auf der Fahrerseite antreiben, und das Ausgangselement 98 könnte das Vorderrad auf der Beifahrerseite antreiben.
  • Der Antriebsstrang 10 kann gesteuert werden, um einen ersten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus herzustellen, der ein Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung ist. Die Kraftmaschine 12 ist eingeschaltet, und die erste Kupplung 80 ist eingerückt. Der erste und zweite Motor/Generator 40, 50 werden jeweils unter der Steuerung des Controllers 49 während unterschiedlicher Drehzahlverhältnisse überall im Bereich von Drehzahlverhältnissen von dem Ausgangselement 90 zu dem Eingangselement 21 des ersten Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung getrennt gesteuert, um als ein Motor oder als ein Generator zu arbeiten.
  • Die Kraftmaschine 12 liefert Leistung an dem Hohlradelement 24. Der erste Motor/Generator 40 arbeitet im Allgemeinen in einem Modus mit Eingangsleistungsverzweigung als ein Generator, wobei der Motor/Generator 50 als ein Motor fungiert. Der Motor/Generator 50 beaufschlagt das zweite Zahnrad 64, um dadurch Leistung auf das dritte Zahnrad 66 aufzugeben. Leistung fließt durch sowohl den ersten Satz kämmender Zahnräder 60 als auch den zweiten Satz kämmender Zahnräder 70 durch die eingerückte erste Kupplung 80, um an den Ausgangselementen 90 und 98 Drehmoment bereitzustellen. Das Drehzahlverhältnis von dem Sonnenradelement 32 (eingangsleistungsverzweigter Ausgangsknoten) zu den Ausgangselementen 90, 98 hängt von dem Übersetzungsverhältnis von dem ersten Zahnrad 62 zu dem dritten Zahnrad 66 und dem Übersetzungsverhältnis von dem vierten Zahnrad 78 zu dem dritten Zahnrad 76 ab. Der Motor/Generator 50 kann wegen der Drehmomentvervielfachung von dem zweiten Zahnrad 64 zu dem dritten Zahnrad 66 ein Motor mit relativ niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl sein.
  • Der Antriebsstrang 10 schaltet von dem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung in einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung, indem der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 80 ausgerückt wird, kurz nachdem der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 82 eingerückt worden ist. Wenn von dem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung geschaltet wird oder umgekehrt, können die Schaltungen synchron bewerkstelligt werden, d.h. ohne Schlupf und ohne theoretische Mindestanforderungen für Schlupfzeit oder Schaltzeit. Somit rotiert das dritte Zahnrad 66 mit der gleichen Drehzahl wie das vierte Zahnrad 78, wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 80 eingerückt oder ausgerückt ist, und das Verbindungselement 38 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie das erste Zahnrad 72, wenn der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 82 eingerückt oder ausgerückt ist.
  • In dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung wird der erste Motor/Generator 40 gesteuert, um abhängig von dem Drehzahlverhältnis als ein Generator oder ein Motor zu fungieren, und der zweite Motor/Generator 50 wird gesteuert, um als ein Motor oder ein Generator zu fungieren. Durch den zweiten Satz kämmender Zahnräder 70 wird Drehmoment vervielfacht und Drehzahl verringert. Das Drehzahlverhältnis von den Trägerelementen 26, 36 (der kombiniert-leistungsverzweigte Ausgangsknoten) zu den Ausgangselementen 90, 98 hängt von den Übersetzungsverhältnissen von dem ersten Zahnrad 72 zu dem dritten Zahnrad 76 ab. Der Bereich von Drehzahlverhältnissen des Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung (der Bereich von der Drehzahl des Ausgangselements 90 von null zu der Drehzahl, bei der das Schalten synchron auftritt) und der Bereich von Drehzahlverhältnissen des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung (der Bereich von der Drehzahl des Ausgangselements 90, bei der das Schalten synchron auftritt und allen Drehzahlen des Ausgangselements 90, die größer als diese Schaltdrehzahl sind) erzeugen einen Bereich von Verhältnissen zwischen dem mechanischen Punkt des Modus mit Eingangsleistungsverzweigung und dem nächstliegenden mechanischen Punkt des Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung. D.h. das mechanische Übersetzungsverhältnis von dem Eingangselement 21 zu dem Ausgangselement 90 ist an dem mechanischen Punkt in dem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung verschieden von einem oder beiden mechanischen Punkten in dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung.
  • Das elektrisch verstellbare Getriebe 14 verwendet somit zwei Ebenen 67, 69 von versetzten Zahnradanordnungen (die kämmenden Zahnradsätze 60, 70) und zwei Drehmomentübertragungsmechanismen 80, 82, um eine funktionale Verbindung der gewünschten Elemente der zusammengesetzten Planetenradsätze 20, 30 mit dem Ausgangselement 90, eine Verbindung von einem der Motoren/Generatoren 50 mit dem kämmenden Zahnradsatz 60 mit einem Drehzahlreduktions-Übersetzungsverhältnis und eine Achsantriebs-Drehzahlreduktion von den zusammengesetzten Planetenradsätzen 20, 30 zu dem Ausgangselement 90 durch die kämmenden Zahnradsätze 60, 70 zu erreichen.
  • Das Getriebe 14 kann auch gesteuert werden, um einen nur elektrischen Betriebsmodus bereitzustellen, in welchem die Kraftmaschine 12 ausgeschaltet ist, und der Motor/Generator 50 gesteuert wird, um als ein Motor zu fungieren, um Drehmoment zum Antreiben der Ausgangselemente 90, 98 durch den ersten Satz kämmender Zahnräder 60 und den zweiten Satz kämmender Zahnräder 70 (durch Zahnräder 78 und 76) bereitzustellen, wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 80 eingerückt wird. Der Motor/Generator 40 kann gesteuert werden, um freizulaufen und somit Drehmoment an dem Sonnenradelement 22 wegzunehmen, wobei der Rotor 42 mit einer Drehzahl umläuft, die ausreichend ist, um zu bewirken, dass das Hohlradelement 24 und das Eingangselement 21 feststehend bleiben. Auf diese Weise wird das Getriebe 14 in einem nur elektrischen Betriebsmodus mit einem Motor betrieben, in welchem nur Motor/Generator 50 als ein Motor fungiert. Alternativ kann der zweite Motor/Generator 50 als ein Generator fungieren, um ein Rekuperationsbremsen der Ausgangselemente 90, 98 bereitzustellen und somit elektrische Leistung in der Energiespeichereinrichtung 47 zurückzugewinnen. Der nur elektrische Betriebsmodus kann verwendet werden, um das Fahrzeug aus einem Stand anzufahren, d.h. wenn die Drehzahl der Ausgangselemente 90, 98 null beträgt. Alternativ kann der Motor/Generator 40 auch betrieben werden, um zu bewirken, dass das Eingangselement 21 sich dreht, um die Kraftmaschine 12 zu starten, wie etwa nachdem die Drehzahl der Ausgangselemente 90, 98 eine vorbestimmte Schwellendrehzahl im Anschluss an das Anfahren in dem nur elektrischen Betriebsmodus erreicht.
  • Der Antriebsstrang 10 kann verwendet werden, um einen Betriebsmodus mit festem Übersetzungsverhältnis bereitzustellen, indem beide Drehmomentübertragungsmechanismen 80, 82 eingerückt werden. Wenn sowohl das erste Verbindungselement 38 als auch das dritte Zahnrad 66 mit einer Drehzahl rotieren, die proportional zu der des dritten Zahnrads 76 ist, wird das Drehzahlverhältnis von dem Eingangselement 21 zu den Ausgangselementen 90, 98 fest sein.
  • Der Antriebsstrang 10 und das Getriebe 14 stellen einen Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung und einen Betriebsmodus mit Ausgangsleistungsverzweigung mit nur zwei Planetenradsätzen 20, 30, zwei Drehmomentübertragungsmechanismen 80, 82 und zwei Sätzen kämmender Zahnräder 60, 70, die in zwei Ebenen 67, 69 angeordnet sind, bereit. Manche der Zahnräder der Sätze kämmender Zahnräder 60, 70 weisen Drehachsen auf, die von einer Hauptdrehachse (der ersten Achse 39) der Planetenradsätze 20, 30 und des ersten Motors/Generators 40 versetzt sind. Dies lässt zu, dass der zweite Motor/Generator 50 achsversetzt platziert sein kann, um eine zweite Drehachse 65 herzustellen. Der zweite Motor/Generator 50 kann zumindest teilweise vor oder zumindest teilweise hinter den Planetenradsätzen 20, 30 platziert sein. In dem erfindungsgemäßen Getriebe der 1 und 2 befindet sich der Motor/Generator 50 teilweise hinter dem Motor/Generator 40, wie es in 2 gezeigt ist. In dem nicht erfindungsgemäßen Getriebe der 3 und 4 ist der Motor/Generator 50 im Wesentlichen direkt über dem Motor/Generator 40 ausgerichtet, wie es in 4 gezeigt ist. Die axiale Gesamtlänge des Antriebsstrangs 10 ist relativ zu einem Antriebsstrang, der drei Planetenradsätze verwendet, verkürzt. Durch Platzieren des zweiten Motors/Generators 50 sowie mancher der Zahnräder der Sätze kämmender Zahnräder 60, 70 zumindest teilweise vor- oder hintereinander kann auch die Gesamtbreite des Getriebes 14 minimiert werden.
  • Die 3 und 4 zeigen einen nicht erfindungsgemäßen Antriebsstrang 110, der ein elektrisch verstellbares Getriebes 114 aufweist. Das Getriebe 114 weist viele der gleichen Komponenten wie das Getriebe 14 auf. Komponenten, die gleich sind, sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 identifiziert und fungieren, wie es mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben wurde. Die äußeren Gehäuse 45, 53 der Motoren/Generatoren 40, 50 sind in 4 der Klarheit in den Zeichnungen wegen nur teilweise und gestrichelt gezeigt. Das Getriebe 114 stellt alle Betriebsmodi, wie es mit Bezug auf das Getriebe 14 beschrieben wurde, durch Steuern der Kupplungen 80, 82, des Motors/Generators 40 und 50 und der Kraftmaschine 12 her.
  • Das Getriebe 114 weist einen ersten Satz kämmender Zahnräder 160 und einen zweiten Satz kämmender Zahnräder 170 auf, die anders sind als die entsprechenden Sätze kämmender Zahnräder 60 und 70. Der erste Satz kämmender Zahnräder 160 umfasst das erste Zahnrad 62, das durch die Hohlwelle 63 zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenradelement 32 verbunden ist, das zweite Zahnrad 64, das zur Rotation mit der Rotorwelle 57 des Motors/Generators 50 verbunden ist, ein Losrad 165, das mit beiden Zahnrädern 62 und 64 kämmt, und ein Zahnrad 166, das mit dem Losrad 165 kämmt und zur Rotation mit der Welle 61 verbunden ist. Das Losrad 165 rotiert um eine Drehachse 187. Die Zahnräder 62 und 64 sind im Allgemeinen in vertikaler Ausrichtung miteinander und mit dem Losrad 165 orientiert, so dass die Drehachsen 39 und 65 relativ zueinander anders als in dem Getriebe der 1 und 2 angeordnet sind.
  • Das Getriebe 114 weist einen zweiten Satz kämmender Zahnräder 170 auf, der ein erstes Zahnrad 172 umfasst, das funktional zur Rotation mit dem ersten Verbindungselement 38 verbindbar ist, wenn der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 82 eingerückt ist. Ein Zahnrad 178 ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Zahnrad 166 verbindbar, wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 80 eingerückt ist. Zahnrad 76 kämmt mit beiden Zahnrädern 172 und 178.
  • Somit weist das erfindungsgemäße Getriebe 14 der 1 und 2 ein Losrad 74 in dem zweiten Satz kämmender Zahnräder 70 auf, während das Getriebe 114 in dem nicht erfindungsgemäßen Getriebe der 3 und 4 ein Losrad 165 in dem ersten Satz kämmender Zahnräder 160 aufweist. Das Getriebe 14 stellt eine im Allgemeinen flache Rückseite her, die die rechte Seite des Getriebes 14 in 2 ist, während das zweite Getriebe 114 eine im Allgemeinen flache Vorderseite aufweist, die die linke Seite des Getriebes 114 in 4 ist. D.h. die hintersten Kanten des Motors/Generators 50, des Zahnrads 66 und des Zahnrads 76 sind in 2 im Allgemeinen ausgerichtet. Die vordersten Abschnitte der Motoren/Generatoren 40 und 50 sind in 4 im Allgemeinen ausgerichtet.

Claims (1)

  1. Antriebsstrang (10), umfassend ein elektrisch verstellbares Getriebe (14), eine Kraftmaschine (12), die funktional über eine Kurbelwelle (18) zur Rotation mit einem Eingangselement (21) des elektrisch verstellbaren Getriebes (14) verbunden ist, wobei das elektrisch verstellbare Getriebe (14) einen ersten Planetenradsatz (20) und einen zweiten Planetenradsatz (30), einen ersten Motor/Generator (40), einen zweiten Motor/Generator (50), einen ersten Satz kämmender Zahnräder (60), einen zweiten Satz kämmender Zahnräder (70) und einen ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus (80, 82) umfasst, wobei versetzte Drehachsen (65, 85, 75) für den zweiten Motor/Generator (50), den ersten Drehmomentübertragungsmechanismus (80) und ein Ausgangselement (90) des elektrisch verstellbaren Getriebes (14) vorgesehen sind, wobei der erste Planetenradsatz (20) ein erstes Sonnenradelement (22), ein erstes Hohlradelement (24) und ein erstes Trägerelement (26) umfasst, wobei das erste Trägerelement (26) einen einzigen Satz Ritzelräder (27) lagert, die mit dem ersten Sonnenradelement (22) und dem ersten Hohlradelement (24) kämmen, wobei der zweite Planetenradsatz (30) ein zweites Sonnenradelement (32), ein zweites Hohlradelement (34) und ein zweites Trägerelement (36) umfasst, wobei das zweite Trägerelement (36) einen einzigen Satz Ritzelräder (37) lagert, die mit dem zweiten Sonnenradelement (32) und dem zweiten Hohlradelement (34) kämmen, wobei das erste Trägerelement (26) und das zweite Trägerelement (36) zur gemeinsamen Rotation durch ein erstes Verbindungselement (38) verbunden sind, das eine erste ringförmige Welle bildet und Nabenabschnitte aufweist, die mit dem ersten und zweiten Trägerelement (26, 36) verbunden sind, wobei das erste Verbindungselement (38) eine erste Drehachse (39) definiert, wobei alle Elemente des ersten und zweiten Planetenradsatzes (20, 30) um eine erste Drehachse (39) rotieren, wobei das erste Sonnenradelement (22) und das zweite Hohlradelement (34) durch ein zweites Verbindungselement (41) zur gemeinsamen Rotation verbunden sind, wobei das zweite Sonnenradelement (32) durch eine Hohlwelle (63) zur gemeinsamen Rotation mit einem ersten Zahnrad (62) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) verbunden ist, wobei das erste Verbindungselement (38) durch die Hohlwelle (63) hindurch verläuft, wobei die Hohlwelle (63) konzentrisch mit dem ersten Verbindungselement (38) ist, wobei ein zweites Zahnrad (64) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) um eine zweite Drehachse (65) rotiert, wobei das Ausgangselement (90) um eine dritte Drehachse (75) rotiert, wobei ein drittes Zahnrad (66) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) um eine vierte Drehachse (85) auf einer zweiten Welle (61) rotiert, wobei sowohl das erste Zahnrad (62) als auch das zweite Zahnrad (64) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) mit dem dritten Zahnrad (66) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) kämmen, wobei alle Zahnräder (62, 64, 66) des ersten Satzes kämmender Zahnräder (60) derart angeordnet sind, dass jedes der Zahnräder (62, 64, 66) eine erste Ebene (67) schneidet, die senkrecht zu der ersten, zweiten und vierten Drehachse (39, 65, 85) steht, wobei der zweite Satz kämmender Zahnräder (70) parallel zu dem ersten Satz kämmender Zahnräder (60) angeordnet ist und ein erstes Zahnrad (72), ein zweites Zahnrad (74), ein drittes Zahnrad (76) und ein viertes Zahnrad (78) umfasst, das verbunden ist, um auf einer dritten Welle (79) zu rotieren, die mit der zweiten Welle (61) ausgerichtet ist, wobei das erste Zahnrad (72) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) um die erste Drehachse (39) rotiert und mit dem zweiten Zahnrad (74) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) kämmt, das um eine fünfte Drehachse (87) rotiert, wobei das zweite Zahnrad (74) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) auch mit dem dritten Zahnrad (76) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) kämmt, das um die dritte Drehachse (75) rotiert, wobei das zweite Zahnrad (74) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) als ein Losrad dient, wobei die erste Drehachse (39), die dritte Drehachse (75) und die vierte Drehachse (85) in einer dreieckigen Formation (89) angeordnet sind, wobei alle Zahnräder (72, 74, 76, 78) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) angeordnet sind, um eine zweite Ebene (69) zu schneiden, die senkrecht zu der ersten, zweiten, dritte, vierten und fünften Drehachse (39, 65, 75, 85, 87) steht, wobei der erste Motor/Generator (40) einen ringförmigen ersten Rotor (42) umfasst, der konzentrisch mit dem ersten und zweiten Planetenradsatz (20, 30) ist und diese radial umgibt, wobei der erste Rotor (42) eine Rotornabe (43) aufweist, die mit dem Verbindungselement (41) verbunden ist, so dass der erste Rotor (42) gemeinsam mit dem ersten Sonnenradelement (22) und dem zweiten Hohlradelement (34) um die erste Drehachse (39) rotiert, wobei durch Öffnungen (51, 58) in Rotorabstützungen (71) das Eingangselement (21), das Verbindungselement (38) und die Hohlwelle (63) verlaufen, wobei der erste Motor/Generator (40) auch einen ersten Stator (44) umfasst, der an einem Motorgehäuse (45) montiert ist, wobei der erste Stator (44) den ersten Rotor (42) umgibt, um einen vorbestimmten ringförmigen Spalt zwischen dem Stator (44) und dem Rotor (42) zu definieren, wobei der zweite Motor/Generator (50) einen zweiten Rotor (52) aufweist, der von einem zweiten Stator (54) umgeben ist, wobei der zweite Rotor (52) um die zweite Drehachse (65) rotiert und eine sich axial erstreckende Rotorwelle (57) aufweist, die den zweiten Rotor (52) zur gemeinsamen Rotation mit dem zweiten Zahnrad (64) verbindet, wobei das dritte Zahnrad (76) des zweiten Satzes kämmender Zahnräder (70) ein außenverzahntes Hohlrad ist, das funktional mit Ausgangselementen (90, 98) über ein Differenzialgehäuse 92 verbunden ist.
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