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Hintergrund der Erfindung
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Es sind bei Hybridfahrzeugen Parallel-Hybrid-Konstellationen bekannt, bei denen eine elektrische Maschine und ein Verbrennungsmotor gleichermaßen und getrennt voneinander auf einen Abtrieb wirken können.
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Die Kombination dieser Antriebseinheiten hinsichtlich des Leistungsflusses erfordert zur Realisierung verschiedener Antriebszustände Kupplungen. Die Kupplungen sowie die Verbindungen zu den Antriebseinheiten nehmen jedoch Bauraum ein.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 054 413 A1 beschreibt eine Torsionsschwingungsdämpferanordnung mit einer ersten und einer zweiten Kupplung, die über eine Dämpferelementenanordnung verbunden sind. An die erste Kupplung ist ein Antrieb angeschlossen und an die zweite Kupplung ist ein Abtrieb angeschlossen.
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Die Druckschrift
DE 199 41 705 A1 betrifft einen Antriebsstrang mit einer Antriebswelle, eine Abtriebseinheit sowie mit einer in Wirkverbindung mit diesen stehende elektrische Maschine. Die elektrische Maschine wird über eine Riemenlauffläche angeschlossen, wobei die Riemenlauffläche eine Teil eines Getriebes umgreift, über das die genannten Komponenten verbunden sind.
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Die Druckschrift
DE 199 34 936 A1 betrifft einen Antriebsstrang, bei dem eine Rotormasse einer elektrischen Maschine zusammen mit einer Dämpfungseinrichtung einen Zweimassenschwungeffekt bilden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der Parallel-Hybridantriebe mit geringem Bauraumerfordernis realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weiter Ausführungsformen, Eigenschaften und Merkmale ergeben sich mit der folgenden Beschreibung, den Figuren und den Gegenständen der abhängigen Ansprüche.
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Die hier beschriebene Kupplungsanordnung und der hier beschriebene Fahrzeugantriebsstrang sehen eine Integration von Elementen eines Schwingungsdämpfers wie ein Zweimassenschwungrad innerhalb der Kupplungsanordnung vor. Die Kupplungsanordnung des Fahrzeugantriebsstrangs weist eine erste und eine zweite Kupplung auf, die die übliche Funktion von Kupplungen realisieren, insbesondere die Steuerbarkeit von mechanischen Verbindungen, d. h. drehmomentübertragende Verbindungen. Dadurch können die übertragenen Drehmomente bzw. Drehbewegungen gesteuert werden. Ferner weist die Kupplungsanordnung eine Feder (insbesondere eine Kombination aus mehreren Federn) auf, die Elemente der Kupplungen miteinander verbindet. Dadurch ergibt sich ein Schwingungsdämpfer, insbesondere im Sinne eines Zweimassenschwungrads. Es wird die Masse der Elemente der Kupplungen zusammen mit der Feder genutzt, um eine Schwingungsdämpfung zu realisieren. Mittels der Feder innerhalb der Kupplungsanordnung können daher Drehschwingungen vermindert werden, die beim Betrieb eines Verbrennungsmotors auftreten. Weitere Dämpfungsmaßnahmen, etwa ein Zweimassenschwungrad, das nur für den Zweck der Schwingungsdämpfung mit dem Verbrennungsmotor verbunden wird, sind daher nicht erforderlich oder können kleiner dimensioniert werden. Als Feder wird insbesondere eine Federkombination bezeichnet, d. h. eine Kombination mehrerer Federelemente.
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Die Federelemente sind parallel zueinander angeschlossen. Jedes Federelement verbindet ein Einkopplungselement und ein Zwischenelement (wie im Weiteren dargestellt) bzw. die erste Kupplung mit der zweiten Kupplung. Als ”Feder” werden ferner eine oder mehrere Federelemente bezeichnet, die sich insbesondere in Umlaufrichtung um eine Drehachse der Kupplungsanordnung erstrecken. Diese Feder bzw. die Federelemente können ausgestaltet sein wie eine Feder oder Federelemente eines Zweimassenschwungrads. Die Feder ist insbesondere zwischen der ersten und der zweiten Kupplung angeordnet. Die Feder ist (in Abweichung zu Federelementen eines Zweimassenschwungrads) zwischen dem Kurbelwellenanschluss und dem Abtriebanschluss der Kupplungsanordnung angeordnet. Zum anderen ist nicht nur die (geometrische Anordnung) bemerkenswert, sondern auch die Anschlussfolge: Die Feder ist zwischen der ersten und der zweiten Kupplung der Kupplungsanordnung (insbesondere eine P2-Kupplung wie im Weiteren näher erläutert) angeschlossen.
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Es wird daher Fahrzeugantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, einem elektrischen Antrieb, einem Abtrieb und einer Kupplungsanordnung beschrieben, wobei die Kupplungsanordnung einen Schwingungsdämpfer aufweist. Die Kupplungsanordnung ist zum Einsatz in einem Hybrid-Antriebsstrang vorgesehen, der eine elektrische Antriebseinheit und eine Antriebseinheit mit einem Verbrennungsmotor aufweist. Vorzugsweise wird die Kupplungsanordnung in einem Parallel-Hybridantriebsstrang eingesetzt. Die Kupplungsanordnung weist zwei Kupplungen auf. Diese Kupplungen sind eingerichtet, die elektrische Antriebseinheit und die verbrennungsmotorische Antriebseinheit in paralleler Weise an einen Abtrieb (bzw. an ein Getriebe eines Abtriebs) zu koppeln. ”In paralleler Weise” bedeutet, dass die Kupplungsanordnung in der Lage ist, einerseits die elektrische Antriebseinheit mit dem Abtrieb zu verbinden, und andererseits zusätzlich die verbrennungsmotorische Antriebseinheit mit dem Abtrieb. Die drehmomentübertragenden Verbindungen können daher parallel auf den Abtrieb wirken. Aufgrund der zwei Kupplungen wird diese Topologie als P2-Antriebsstrang bezeichnet, wobei ”P” für parallel steht und ”2” für die Anordnung einer elektrischen Maschine auf der Getriebeausgangswelle bzw. Abtriebwelle. Als elektrische Antriebseinheit werden nicht nur Einheiten verstanden, die ausgestaltet sind, Traktionsleistung an den Abtrieb abzugeben, sondern auch Antriebseinheiten, die einen Verbrennungsmotor beim Start antreiben und als Generator arbeiten können, etwa Starter/Generatoren.
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Aufgrund der zwei Kupplungen lassen sich neben einem Fahrzustand, bei dem beide Antriebseinheiten auf den Abtrieb wirken, ein Rekuperationsbetrieb, ein Startzustand, und gegebenenfalls weitere Fahrzustände wie ein Segelzustand, ein VM-Fahrzustand, ein E-Fahrzustand oder auch ein Park-Zustand einstellen. Im Startzustand ist die elektrische Antriebseinheit mit der verbrennungsmotorischen Antriebseinheit verbunden und der Abtrieb ist abgekoppelt. Im Segelzustand ist der Abtrieb abgekoppelt und zumindest eine der Antriebseinheiten ist inaktiv, insbesondere beide Antriebseinheiten. Im VM-Fahrzustand (”VM” steht für ”Verbrennungsmotor”) ist die verbrennungsmotorische Antriebseinheit mit dem Abtrieb verbunden, wobei die elektrische Antriebseinheit inaktiv ist. Im optionalen E-Fahrzustand (”E” steht für ”elektrische Maschine”) ist die elektrische Antriebseinheit mit dem Abtrieb verbunden. Die verbrennungsmotorische Antriebseinheit ist hierbei abgekoppelt und insbesondere inaktiv. Die elektrische Antriebseinheit ist insbesondere ein Starter-Generator (wobei kein E-Fahrzustand vorgesehen ist), kann jedoch auch mittels einer anderen elektrischen Maschine realisiert sein. Im Park-Zustand sind der Verbrennungsmotor sowie der elektrische Antrieb inaktiv. Der Park-Zustand ist optional. Die verbrennungsmotorische Antriebseinheit wird mittels eines Verbrennungsmotors realisiert. Die Begriffe ”angekoppelt”, ”abgekoppelt”, ”getrennt”, ”verbunden” und ähnliches beziehen sich auf drehmomentübertagende Verbindungen soweit nicht anders angegeben.
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Die Kupplungsanordnung weist wie erwähnt eine erste Kupplung und eine zweite Kupplung auf. Die Kupplungen sind in Reihe verbunden. Die Kupplungsanordnung weist zwei Anschlüsse auf, die zur Verbindung mit dem Abtrieb (bzw. dessen Getriebe) und mit der verbrennungsmotorischen Antriebseinheit (bzw. dem Verbrennungsmotor, d. h. dessen Kurbelwelle) vorgesehen sind. Zur Anbindung der elektrischen Antriebseinheit ist ein Einkopplungselement vorgesehen, das in topologischer Hinsicht als Anschluss betrachtet werden kann. Die zwei Kupplungen sind steuerbar, d. h. deren Verbindungszustand (getrennt / verbunden) kann durch ein äußeres Signal (etwa ein mechanisches oder elektrisches Signal) eingestellt werden.
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Die erste Kupplung weist daher einen Kurbelwellenanschluss auf. Ferner weist die erste Kupplung ein Einkopplungselement auf. Die erste Kupplung ist eingerichtet, den Kurbelwellenanschluss gesteuert mit dem Einkopplungselement zu verbinden (oder zu trennen).
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Die zweite Kupplung weist einen Abtriebanschluss auf. Ferner weist die zweite Kupplung ein Zwischenelement auf. Die zweite Kupplung ist eingerichtet, den Abtriebanschluss gesteuert mit dem Zwischenelement zu verbinden.
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Die Kupplungsanordnung ist mit einem Schwingungsdämpfer ausgestattet. Der Schwingungsdämpfer umfasst eine Feder, die insbesondere als eine Kombination mehrerer Federn realisiert ist. Die Feder dient zur Kopplung und kann als Koppelfeder bezeichnet werden. Die Feder verbindet bzw. koppelt das Zwischenelement mit dem Einkopplungselement. Mit anderen Worten verbindet bzw. koppelt die Feder die erste Kupplung mit der zweiten Kupplung. Die Feder verbindet die Seiten bzw. Elemente der Kupplungen, die den Anschlüssen entgegengesetzt sind. Eine dieser Seiten wird von dem Einkopplungselement dargestellt. Das Einkopplungselement ist an derjenigen Seite der ersten Kupplung vorgesehen, an die die Feder angreift bzw. an der die Feder mit der zweiten Kupplung (bzw. dessen Zwischenelement) verbunden ist.
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Die Feder (bzw. das Zwischenelement und/oder Lagerstellen des Zwischenelements und/oder der Einkopplungselements) ist/sind vorzugsweise in die Kupplungsanordnung körperlich integriert. Insbesondere sind innere Abschnitte des Einkopplungselements innerhalb des Außenabschnitts des Einkopplungselements integriert. Dies gilt insbesondere für Abschnitte des Einkopplungselements, die eine Kupplungsfunktion aufweisen. Ferner sind Abschnitte, die Kupplungsfunktionen aufweisen, etwa Reibbelagscheiben oder Klauenabschnitte, in die Kupplungsanordnung körperlich integriert. Abschnitte, die Kupplungsfunktionen aufweisen, liegen innerhalb eines umlaufenden Abschnitts (des Einkopplungselements) (d. h. innerhalb eines Außenabschnitts des Einkopplungselements, der eingerichtet ist, Drehmoment einer elektrischen Maschine aufzunehmen.
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Vorzugsweise befindet sich die Feder (in axialer Richtung der Kupplungsanordnung) zwischen den beiden Kupplungen. Insbesondere kann die Feder in einer Ausnehmung des Einkopplungselements, in einer Ausnehmung des Zwischenelements oder innerhalb beider Ausnehmungen befinden. Die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen öffnet bzw. öffnen sich vorzugsweise in axialer Richtung. Die Feder kann umfänglich von einem (umlaufenden) Abschnitt des Einkopplungselements umschlossen sein. Die Feder ist somit (vollständig) innerhalb der Kupplungsanordnung angeordnet. Zudem umgreift ein (umfänglicher) Außenabschnitt des Einkopplungselements, insbesondere eine Riemenlauffläche (R) oder ein Abschnitt, der Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine ist, vorzugsweise die erste Kupplung und/oder die zweite Kupplung vollständig (oder zumindest größtenteils). Ferner umgreift ein (umfänglicher) Außenabschnitt des Einkopplungselements, insbesondere die Riemenlauffläche (R) oder der Abschnitt, der Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine ist, vorzugsweise das Zwischenelement vollständig (oder zumindest größtenteils).
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Der (umfängliche) Außenabschnitt des Einkopplungselements, insbesondere die Riemenlauffläche (R) oder der Abschnitt, der Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine ist, umgreift vorzugsweise auch Lagerstellen des Einkopplungselements und/oder des Zwischenelements innerhalb der Kupplungsanordnung vollständig (oder zumindest größtenteils).
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Insbesondere die Feder und ferner gegebenenfalls auch das Zwischenelement (vollständig oder teilweise und gegebenenfalls auch zumindest eine der Lagerstellen sind in der Kupplungsanordnung innenliegend unterbracht.
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Die Feder und ferner gegebenenfalls auch das Zwischenelement (vollständig oder teilweise) und gegebenenfalls auch zumindest eine der Lagerstellen sind insbesondere innerhalb des umfänglichen Außenabschnitts des Einkopplungselelements angeordnet (d. h. in radialer und in axialer Richtung gesehen).
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Auch in axialer Richtung gesehen kann der (umfängliche) Außenabschnitt des Einkopplungselements zumindest die Feder, das Zwischenelement und/oder zumindest eine der Lagerstellen vollständig oder zumindest größtenteils umgreifen.
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Durch zumindest eine dieser Maßnahmen lässt sich ein hoher Grad an körperlicher Integration erreichen. Ferner sind die genannten innenliegenden Teile der Kupplungsanordnung gegenüber äußeren Einflüssen geschützt.
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Die Verbindung bzw. Verknüpfung (insbesondere zwischen den Kupplungen) mittels der Feder ergibt sich ein Schwingungsdämpfer für die Drehmomentübertragung. Sind die erste und die zweite Kupplung geschlossen (d. h. wird Drehmoment vom Kurbelwellenanschluss an den Abtriebanschluss übertragen), wird ein über den Kurbelwellenanschluss eingekoppeltes Drehmoment über die Feder übertragen. Die Feder kann an das zu übertragene Drehmomentspektrum angepasst werden, um eine Dämpfungswirkung zu erreichen. Die Massen der Elemente bzw. des Kurbelwellenanschlusses können hierbei als (Teil von) Primär- und Sekundärmassen berücksichtigt werden. Diese Primär- und Sekundärmassen ergeben zusammen mit der Feder, die diese verbindet, ein Zweimassenschwungrad.
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Die Primärmasse ergibt sich im Wesentlichen durch die Masse des Kurbelwellenanschlusses ggf. inklusive der Masse der Kurbelwelle und der daran befestigten Teile bzw. inklusive der Masse des Einkopplungselements und ggf. daran befestigter Teile. Ist eine Zusatzmasse oder ein Teil an der Kurbelwelle oder an dem Kurbelwellenanschluss und/oder an dem Einkopplungselement der Kupplungsanordnung befestigt, so ist diese Teil der Primärmasse. Durch eine Zusatzmasse kann die Primärmasse gezielt erhöht werden.
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Die Sekundärmasse ergibt sich im Wesentlichen durch die Masse des Zwischenelements, inklusive der Masse des Abtriebanschlusses und ggf. inklusive des Abtriebs. Ist ein Teil oder eine Zusatzmasse an dem Abtriebanschluss oder an dem Abtrieb oder an das Zwischenelement befestigt, so ist diese Teil der Sekundärmasse. Durch eine Zusatzmasse kann die Sekundärmasse gezielt erhöht werden.
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Der Kurbelwellenanschluss oder die Kurbelwelle (allgemeiner: die Kurbelwelle und/oder die damit gekoppelte erste Kupplung) kann mit einem zusätzlichen Schwungradmassenrad ausgestattet sein. Das Schwungradmassenrad bildet insbesondere eine Zusatzmasse, wie bereits erwähnt wurde. Das Schwungradmassenrad (der ersten Kupplung) ist gegenüber dem Kurbelwellenanschluss oder der Kurbelwelle körperlich eigenständig. Das Schwungradmassenrad ist mit dem Kurbelwellenanschluss bzw. mit der Kurbelwelle drehfest verbunden. Alternativ weist der Kurbelwellenanschluss (oder die Kurbelwelle) einen Abschnitt auf, der eine Schwungradmasse bildet. Dieser Abschnitt stärker ausgebildet, als es eine Maximalbelastung der Kupplungsanordnung erfordert. Insbesondere erstreckt sich dieser Abschnitt in radialer Richtung, um ein höheres Trägheitsmoment als eine Welle zu erreichen, die nur zur Drehmomentübertragung ausgestaltet ist. Die Radialdistanz, in der sich der Abschnitt erstreckt, ist vorzugsweise größer als die Radialdistanz, in der sich der Abschnitt erstreckt, vorzugsweise um mindesten einen Faktor 2, 3 oder 4. Dies kann auch für das Schwungradmassenrad der ersten Kupplung gelten. Die in diesem Absatz erwähnten Maßnahmen betreffen eine Primärmasse eines Zweimassenschwungrads.
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Das Zwischenelement oder der Abtrieb bzw. eine Abtriebwelle (allgemeiner: das Zwischenelement und/oder die damit gekoppelte zweite Kupplung) kann mit einem zusätzlichen Schwungradmassenrad ausgestattet sein. Dieses Schwungradmassenrad bildet insbesondere eine Zusatzmasse, wie bereits erwähnt wurde. Das Schwungradmassenrad (an der zweiten Kupplung) ist gegenüber dem Abtriebanschluss bzw. der der Abtrieb (oder gegenüber einer Abtriebwelle) körperlich eigenständig. Das Schwungradmassenrad der zweiten Kupplung ist mit dem Abtriebanschluss bzw. mit dem Abtrieb oder einer Abtriebwelle drehfest verbunden. Alternativ weist der Abtriebanschluss (oder der Abtrieb oder die Abtriebwelle) einen Abschnitt auf, der eine Schwungradmasse (der zweiten Kupplung) bildet. Dieser Abschnitt stärker ausgebildet, als es eine Maximalbelastung der Kupplungsanordnung erfordert. Insbesondere erstreckt sich dieser Abschnitt in radialer Richtung, um ein höheres Trägheitsmoment als eine Welle zu erreichen, die nur zur Drehmomentübertragung ausgestaltet ist. Die Radialdistanz, in der sich der Abschnitt erstreckt, ist vorzugsweise größer als die Radialdistanz, in der sich der Abschnitt erstreckt, vorzugsweise um mindesten einen Faktor 2, 3 oder 4. Dies kann auch für das Schwungradmassenrad der zweiten Kupplung gelten. Die in diesem Absatz erwähnten Maßnahmen betreffen eine Sekundärmasse eines Zweimassenschwungrads.
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Der Kurbelwellenanschluss bzw. die Kurbelwelle oder das Einkopplungselement und/oder das Zwischenelement bzw. der Abtriebanschluss oder die Abtriebwelle sind gemäß einer Maximal- oder Normdrehmomentbelastung ausgelegt, wobei dies insbesondere den Querschnitt betrifft und können ferner eine Zusatzmasse aufweisen. Diese Zusatzmasse wird durch einen eigenen Körper bzw. durch ein eigenes Bauteil vorgesehen, der bzw. das mit der betreffenden Komponente verbunden ist. Alternativ wird die Zusatzmasse durch einen zusätzlichen Abschnitt der betreffenden Komponente gebildet, der diese über die Auslegung hinaus verstärkt. Die Verstärkung, d. h. die Auslegung mit größerem Querschnitt, etwa in Form einer Verdickung oder eines Scheibenabschnitts, erlaubt eine Erhöhung des Trägheitsmoments. Die Verstärkung dient nicht primär zur Erhöhung der Drehmomentbelastbarkeit, dies ist nur ein Nebeneffekt. Insbesondere kann ein innerer Abschnitt des Kurbelwellenanschlusses bzw. der Kurbelwelle oder des Einkopplungselements und/oder des Zwischenelements bzw. des Abtriebanschlusses oder der Abtriebwelle gemäß einer Maximal- oder Normdrehmomentbelastung ausgelegt sein, während ein daran anschließender Abschnitt die Zusatzmasse realisiert. Die Zusatzmasse ist in einer größeren radialen Distanz zu der Drehachse der betreffenden Komponente angeordnet als derjenige Abschnitt oder diejenige Komponente, welcher zur Drehmomentübertragung gemäß einer Maximal- oder Normdrehmomentbelastung ausgelegt ist. Ein Grundabschnitt ist somit gemäß einer Maximal- oder Normdrehmomentbelastung ausgelegt und ein zusätzlicher Abschnitt ist gemäß der Realisierung einer gewünschten Primär- und Sekundärmasse ausgelegt. Der zusätzliche Abschnitt geht über den Grundabschnitt (körperlich) hinaus, der gemäß einer Maximal- oder Normdrehmomentbelastung ausgelegt ist. Der Kurbelwellenanschluss, die Kurbelwelle oder das Einkopplungselement und/oder das Zwischenelement bzw. der Abtriebanschluss und/oder die Abtriebwelle weist ein Trägheitsmoment auf, das mindestens 20%, 40%, 80% oder mindestens 100%, 150%, 200% oder 300% größer ist als das Trägheitsmoment einer entsprechenden (gedachten) Komponente, die gemäß einer Maximal- oder Normdrehmomentbelastung ausgelegt ist. Insbesondere weist der Kurbelwellenanschluss, das Einkopplungselement und/oder ggf. die Kurbelwelle ein Trägheitsmoment auf, das mindestens 100%, 150%, 200%, 300% oder 400% größer ist als das Trägheitsmoment einer entsprechenden (gedachten) Komponente, die gemäß einer Maximal- oder Normdrehmomentbelastung ausgelegt ist. Die angesprochene Auslegung betrifft insbesondere den Radius, die Querschnittsform und/oder die Querschnittsfläche der betreffenden Komponente.
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Die hier beschriebenen Zusatzmassen bzw. Schwungmassenräder sind vorzugsweise in einem Kupplungsgehäuse der Kupplungsanordnung angeordnet. Ferner befindet sich die Feder vollständig innerhalb der Kupplungsanordnung bzw. vollständig innerhalb eines oder mehrerer Elemente der Kupplungsanordnung. Dadurch kann der Bauraumbedarf insbesondere in axialer Richtung minimiert werden. Die Feder kann insbesondere zusammen mit den Kupplungen im gleichen Kupplungsgehäuse angeordnet sein. Ferner kann, der Abtriebanschluss außerhalb des Einkopplungselements angeordnet sein, d. h. das Einkopplungselement kann auch den Abtriebanschluss nicht umgreifen, so dass der Abtriebanschluss zum Einkopplungselement (insbesondere zur Riemenlauffläche oder zum Rotor der elektrischen Maschine) axial versetzt ist.
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Das Einkopplungselement kann eine Riemenlauffläche aufweisen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Kupplungsanordnung zur Anbindung (des Einkopplungselements) mittels eines Riemens ausgestaltet ist. Wird beispielsweise als Antrieb ein Riemen-Starter/Generator verwendet, dann weist die das Einkopplungselement eine Riemenlauffläche oder ein Riemenrad auf.
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Alternativ kann das Einkopplungselement zum Anschluss eines integrierten Start/Generators eingerichtet sein, insbesondere eines Riemengenerators. Das Einkopplungselement kann einen Abschnitt aufweisen, der Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine bzw. eines elektrischen Antriebs. Ist die Kupplungsanordnung mit dem elektrischen Antrieb integriert, so kann der Rotor der elektrischen Maschine als Teil der Kupplungsanordnung angesehen werden, da ein Teil des Rotors einen Teil des Einkopplungselements bildet. Ferner kann das Einkopplungselement einen Abschnitt aufweisen, der mit einem Befestigungselement verbunden ist, welches zum Anschluss an einen Rotor einer elektrischen Maschine eingerichtet ist.
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Die Riemenlauffläche oder der Abschnitt, der Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine ist, (oder auch der Rotor selbst) kann die Feder (insbesondere auch das restliche Einkopplungselement und/oder das Zwischenelement oder Lagerstellen des Einkopplungselements und des Zwischenelements) größtenteils oder vollständig umfänglich umgreifen. Das restliche Einkopplungselement ist das Einkopplungselement abzüglich der Riemenlauffläche bzw. abzüglich des Abschnitts des Rotors oder abzüglich des Rotors selbst.
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Insbesondere umgreift die Riemenlauffläche oder der Abschnitt, der Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine ist, in axialer Richtung gesehen das restliche Einkopplungselement, die Feder, die erste und/oder die restliche zweite Kupplung, Lagerstellen des Einkopplungselements und des Zwischenelements und/oder das Zwischenelement selbst größtenteils oder vollständig umfänglich. Die restliche zweite Kupplung ist die zweite Kupplung abzüglich der Riemenlauffläche bzw. abzüglich des Abschnitts des Rotors oder abzüglich des Rotors selbst.
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Die erste Kupplung und die zweite Kupplung können Reibkupplungen oder Klauenkupplungen sein. Im Falle von Klauenkupplungen ist vorzugsweise eine Ansteuerung der elektrischen Maschine bzw. des elektrischen Antriebs vorgesehen, der die Drehzahldifferenz innerhalb der Kupplung oder Kupplungen im Wesentlichen auf null reduzieren kann, bevor die Kupplung oder Kupplungen geschlossen werden. Es ist vorzugsweise eine derartige Synchronisation oder eine synchronisierende Steuerverbindung zwischen der Ansteuerung der elektrischen Maschine und der Ansteuerung der Kupplungsanordnung vorgesehen.
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Die erste und die zweite Kupplung können jeweils einen Aktuator aufweisen. Im Weiteren werden Eigenschaften eines der Aktuatoren erwähnt, die für beide Aktuatoren gelten. Die Stellung des Aktuators lässt sich ändern. Der Aktuator weist eine ”geschlossen”-Stellung und eine ”offen”-Stellung auf. In der ”geschlossen”-Stellung ist die dem Aktuator zugeordnete Kupplung geschlossen. In der ”offen”-Stellung ist die dem Aktuator zugeordnete Kupplung offen. Der Aktuator ist in einer axialen Richtung der Kupplungsanordnung verschiebbar. Die beiden Stellungen sind an unterschiedlichen axialen Stellungen vorgesehen. Die Stellung des Aktuators definiert den Betriebszustand der jeweiligen Kupplung. Der Aktuator weist Federn, insbesondere Blattfedern auf. Diese sind eingerichtet, eine Kraft in Richtung ”geschlossen”-Stellung auszuüben. Der Aktuator kann ein mechanischer, ein elektromechanischer, ein hydraulischer oder ein elektrohydraulischer Aktuator sein. Der Aktuator der ersten Kupplung und der Aktuator der zweiten Kupplung lassen sich jeweils unabhängig vom anderen Aktuator einstellen.
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Es wird wie erwähnt ein Fahrzeugantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, einem elektrischen Antrieb, einem Abtrieb und einer Kupplungsanordnung beschrieben. Die Kupplungsanordnung ist wie hierin beschrieben ausgestaltet. Der Verbrennungsmotor weist eine Kurbelwelle auf. Diese ist (direkt) mit dem Kurbelwellenanschluss des Verbrennungsmotors verbunden. Der elektrische Antrieb ist (direkt) mit dem Einkopplungselement verbunden. Der Abtrieb ist mit dem Abtriebanschluss verbunden. Der Abtrieb kann ein Getriebe aufweisen, insbesondere ein Schaltgetriebe. Der Kurbelwellenanschluss und/oder die Kurbelwelle kann ein Schwungmassenrad oder eine andere zusätzliche Schwungradmasse aufweisen, das bzw. die hierauf angeordnet oder befestigt ist. Auch der Abtrieb kann ein Schwungmassenrad oder eine andere zusätzliche Schwungmasse aufweisen.
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Das Schwungmassenrad, Teile bzw. Abschnitte davon oder die andere zusätzliche Schwungradmasse kann sich innerhalb eines Kupplungsgehäuses befinden, innerhalb dessen sich auch die Kupplungsanordnung befindet. Der Verbrennungsmotor, der Starter-Generator und der Abtrieb bzw. dessen Getriebe sind nicht innerhalb des Kupplungsgehäuses angeordnet.
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Der Fahrzeugantriebsstrang kann eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, die mit der der Kupplungsanordnung ansteuernd verbunden ist. Die Steuerungsvorrichtung kann auch Teil der Kupplungsanordnung sein.
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Die Steuerungsvorrichtung ist eingerichtet, die Kupplungsanordnung gemäß einem der folgenden Zustände der Steuerungsvorrichtung einzustellen:
- – einen Startzustand, in dem die erste Kupplung geschlossen ist und die zweite Kupplung geöffnet ist; und
- – einen Fahrzustand, in dem die erste Kupplung geschlossen ist und die zweite Kupplung geschlossen ist.
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In dem Fahrzustand ist der Verbrennungsmotor mit dem Abtrieb gekoppelt.
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Die Steuerungsvorrichtung kann ferner eingerichtet sein, die Kupplungsanordnung gemäß einem der folgenden Zustände der Steuerungsvorrichtung einzustellen:
- – einen Rekuperationszustand, in dem die erste Kupplung geöffnet ist und die zweite Kupplung geschlossen ist;
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Die Steuerungsvorrichtung kann zudem eingerichtet sein, die Kupplungsanordnung den folgenden Zustand der Steuerungsvorrichtung einzustellen:
- – einen Segelzustand, in dem die erste und die Kupplungen geöffnet sind.
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In einem VM-Fahrzustand, zu dessen Einstellung die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, sind beide Kupplungen geschlossen und der elektrische Antrieb ist inaktiv oder arbeitet als Generator, während der Verbrennungsmotor aktiv ist. Der VM-Fahrzustand kann als ein Unterzustand des Fahrzustands betrachtet werden. In einem optionalen E-Fahrzustand, zu dessen Einstellung die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, ist die erste Kupplung offen und die zweite Kupplung geschlossen. Der Verbrennungsmotor ist aktiv oder inaktiv. Der elektrische Antrieb kann ein Antrieb sein, der den Verbrennungsmotor (zu dessen Start) antreibt und/oder eingerichtet ist, Traktionsleistung an den Abtrieb abzugeben, um das Fahrzeug anzutreiben und/oder eingerichtet ist, als Generator zu arbeiten. Der elektrische Antrieb kann auch ein Antrieb sein, der nur zum Start des Verbrennungsmotors sowie zum Betrieb als Generator eingerichtet ist. In diesem Fall entspricht der elektrische Antrieb einem Starter-Generator.
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In einem optionalen E-Fahrzustand, zu dessen Einstellung die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, ist die erste Kupplung offen und die zweite Kupplung geschlossen. Der Verbrennungsmotor ist hierbei inaktiv oder aktiv (etwa zur Erzeugung eines Unterdrucks für einen Bremskraftverstärker oder aus Sicherheitsgründen), während der elektrische Antrieb aktiv ist und Traktionsleistung erzeugt. Der E-Fahrzustand kann als ein Unterzustand des Fahrzustands betrachtet werden.
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In einem optionalen Park-Zustand sind beide Kupplungen geschlossen und der Verbrennungsmotor sowie der elektrische Antrieb sind inaktiv.
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Der elektrische Antrieb kann ein Antrieb sein, der den Verbrennungsmotor (zu dessen Start) antreibt und/oder eingerichtet ist, Traktionsleistung an den Abtrieb abzugeben, um das Fahrzeug anzutreiben und/oder eingerichtet ist, als Generator zu arbeiten. Der elektrische Antrieb kann auch ein Antrieb sein, der nur zum Start des Verbrennungsmotors sowie zum Betrieb als Generator eingerichtet ist. In diesem Fall entspricht der elektrische Antrieb einem Starter-Generator. Der Begriff ”elektrischer Antrieb” beschränkt die betreffende Komponente nicht auf Komponenten, die ausschließlich zum Antrieb ausgestaltet sind, sondern bezeichnet eine von mehreren Funktionen, nämlich die des Antriebs (d. h. Erzeugung von Traktionsleistung), wobei die Komponente vorzugsweise auch zum Betrieb als Generator eingerichtet ist.
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Die erste und die zweite Kupplung können Dämpfungsfedern aufweisen, die etwa in Reibbelagscheiben der (als Reibbremsen ausgebildete) Kupplungen sitzen. Die Dämpfungsfedern können die Reibbelagscheiben während des Einkuppelvorgangs dämpfen.
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Die 1 dient zur Erläuterung einer beispielshaften, spezifischen Ausführungsform der Kupplungsanordnung des Fahrzeugantriebsstrangs.
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Die 2 zeigt einen schematischen Aufbau zur Erläuterung der Kupplungsanordnung und des Fahrzeugantriebsstrangs.
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In der 1 ist eine Kupplungsanordnung dargestellt. Eine Kurbelwelle K ist über einen schematisch dargestellten Kurbelwellenanschluss K' an eine erste Kupplung K0 angeschlossen. Der Kurbelwellenanschluss K' führt über einen ersten Aktuator K0A zu einem Einkopplungselement EK der ersten Kupplung. Die Stellung des Aktuators K0A der ersten Kupplung K0 definiert, ob der Kurbelwellenanschluss K' mit dem Einkopplungselement EK verbunden ist, oder nicht.
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Eine erste Blattfeder B0 (die zur ersten Kupplung K0 gehört) drückt den Kurbelwellenanschluss K' an das Einkopplungselement EK. Die erste Blattfeder B0 definiert dadurch eine Grundstellung der ersten Kupplung.
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Eine Reibbelagscheibe K0R der erste Kupplung K0 ist zwischen dem Einkopplungselement EK und dem Kurbelwellenanschluss K' vorgesehen. Abhängig von der Stellung des Aktuators K0A der ersten Kupplung K0 wird ein Drehmoment über die Reibbelagscheibe K0R von dem Kurbelwellenanschluss K' an das Einkopplungselement EK übertragen, oder nicht. An der Reibbelagscheibe K0R ist eine Dämpfungsfeder D0 vorgesehen, die die Reibbelagscheibe K0R beim Einkuppeln dämpft. Eine Halterung der Reibbelagscheibe K0R sitzt auf einer kurzen Welle, an deren Ende ein Wälzlager zumindest eine radiale Lagerung (bzw. auch eine axiale Lagerung) vorsieht. Diese Lagerung wird eingangs in topologischer Sichtweise als Lagerstelle bezeichnet.
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Das Einkopplungselement EK weist einen scheibenförmigen Abschnitt auf, auf den die Reibbelagscheibe K0R bei geschlossener erster Kupplung K0 Kraft ausübt. Dieser Abschnitt realisiert eine Kupplungsfunktion. In gleicher Weise weist der Kurbelwellenanschluss K' einen scheibenförmigen Abschnitt auf, auf den die Reibbelagscheibe K0R bei geschlossener erster Kupplung K0 Kraft ausübt. Auch dieser Abschnitt realisiert eine Kupplungsfunktion. Zusammen mit der Reibbelagscheibe K0R bilden diese Abschnitte die drehmomentübertragenden Komponenten der ersten Kupplung K0.
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Das Einkopplungselement EK weist zudem einen zylindrischen Abschnitt auf, der zur Anbindung einer elektrischen Maschine dient. Dargestellt ist ein zylindrischer Abschnitt als eigenständiges Bauteil, das fest mit dem scheibenförmigen Abschnitt des Einkopplungselements EK verbunden ist. Das Einkopplungselements EK weist eine Riemenlauffläche R auf. Diese befindet sich an einer Außenseite des zylindrischen Abschnitts bzw. des Einkopplungselements EK. Der zylindrische Abschnitt und der scheibenförmige Abschnitt können auch einteilig ausgeführt sein.
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Ein weiteres Wälzlager stützt ein Zwischenelement Z auf einem Vorsprung des Einkopplungselements EK ab. Das Zwischenelement Z und ein Abtriebanschluss G' sind Teil einer zweiten Kupplung K1. Diese zweite Kupplung K1 umfasst ferner eine Reibbelagscheibe K1R, die zusammen mit Abschnitten des Zwischenelements Z und des Abtriebanschlusses G' die Kupplungsfunktion der zweiten Kupplung bilden bzw. ein Drehmoment übertragen können. Auch die Reibbelagscheibe KIR weist (wie die Reibbelagscheibe K0R) eine Dämpfungsfeder D1 auf. Die Reibbelagscheibe K1R wird über eine Halterung gegenüber eine Ende einer kurzen Welle der zweiten Kupplung abgestützt.
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Das Einkopplungselements EK ist über eine Stütze S (insbesondere ein Wälzlager) gegen über dem Zwischenelement Z abgestützt. Diese Stütze S wirkt insbesondere in axialer Richtung der Kupplungsanordnung. Neben einem scheibenförmigen Abschnitt des Zwischenelements Z weist dieses einen zylindrischen Abschnitt auf. Dieser zylindrische Abschnitt ist von dem zylindrischen Abschnitt des Einkopplungselements umgeben. Dieses Wälzlager bzw. Lagerung wird eingangs in topologischer Sichtweise als Lagerstelle bezeichnet.
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Die zweite Kupplung K1 hat einen Aktuator K1A, der sich axial verschieben lässt und dessen Stellung definiert, ob das Zwischenelement Z (bzw. dessen scheibenförmiger Abschnitt) und der Abtriebanschluss G' (bzw. dessen scheibenförmiger Abschnitt) über die Reibbelagscheibe K1R drehmomentübertragend gekoppelt sind, oder nicht. An den Abtriebanschluss G' schließt sich eine Abtriebwelle G' an (die als Getriebewelle ausgestaltet sein kann).
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Eine Feder KF, die auch als Koppelfeder bezeichnet werden kann, verbindet bzw. koppelt das Zwischenelement Z mit dem Einkopplungselement EK. Die Feder KF kann aus mehreren Federelementen bestehen, die umfänglich angeordnet sind, die zwischen dem Zwischenelement Z und dem Einkopplungselement EK angeschlossen sind, und die jeweils ein Kreissegment belegen. Es sind in dem Zwischenelement Z und dem Einkopplungselement EK jeweils Ausnehmungen vorgesehen. Diese Ausnehmungen sind zueinander gewandt. Die Feder KF befindet sich in den Ausnehmungen bzw. in der Gesamtausnehmung, die sich durch die Ausnehmungen der beiden Komponenten ergibt. Die Gesamtausnehmung hat die Form eines Torus. Die Ausnehmungen haben jeweils die Form eines Halbtorus, d. h. eines Torus mit einem Halbkreis als Querschnitt. Die Feder erstreckt sich ebenso entlang eines Torus. Die Feder KF dient zur Vibrationsdämpfung bei der Übertragung von Drehmoment von einer Kupplung zur anderen.
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Um eine Primärmasse vorzusehen, ist eine Kurbelwellenzusatzmasse M1 an dem Kurbelwellenanschluss K' befestigt, insbesondere an der Kurbelwelle K. Funktionell ist die Primärmasse Teil der Kupplungsanordnung. Die Primärmasse ist als Massenschwungrad ausgebildet und ist insbesondere scheibenförmig. Die Kurbelwellenzusatzmasse M1 (auch funktionell als Primärmasse bezeichnet) weist eine Ausnehmung auf, in die ein Teil des Aktuators K0A der ersten Kupplung angeordnet ist (sowie ein Teil des Kurbelwellenanschlusses K'. Die Ausnehmung ist zur ersten Kupplung hin geöffnet.
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Um eine Sekundärmasse vorzusehen, ist eine (optionale) Zusatzmasse M2O an dem Zwischenelement Z befestigt. Die Zusatzmasse M2O ist in Form eines Rings ausgebildet. Der Ring hat einen rechteckigen Querschnitt. Zusammen mit dem Zwischenelement Z die Sekundärmasse. Ist die Masse bzw. das Trägheitsmoment des Zwischenelements Z ausreichend, ist keine Zusatzmasse M2O erforderlich.
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Die Feder KF bildet einen Schwingungsdämpfer. Die Primärmasse M1 bildet ein (primäres) Trägheitsmoment für die Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors, die über den Kurbelwellenanschluss zur Kupplungsvorrichtung abgegeben werden. Die Feder KF dämpft diese Schwankungen im Sinne eines Tiefpasses ab; die Primärmasse M1 dient ebenso zur Vibrationsdämpfung im Sinne einer Mittellung des Drehmoments. Die Sekundärmasse in Form des Zwischenelements Z und ggf. der daran befestigten Masse dämpft weiterhin die über die Feder KF übertragenen Vibrationen. Es ergibt sich ein Tiefpass dritter Ordnung. Die Massen bzw. die Trägheitsmomente vor der Feder KF (von dem Kurbelwellenanschluss aus gesehen) können als Primärmasse angesehen werden. Die Massen bzw. die Trägheitsmomente nach der Feder KF (von dem Kurbelwellenanschluss aus gesehen) können als Sekundärmasse angesehen werden. Die Resonanzfrequenz, die durch die (Dreh-)Federsteifigkeit der Feder KF und den Trägheitsmomenten der Massen vor und nach der Feder (d. h. den Primär- und Sekundärmassen) definiert ist, liegt vorzugsweise deutlich unter der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors.
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Die 2 zeigt schematisch einen Fahrzeugantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor VM und einer Kurbelwelle K. Über die Kurbelwelle K ist der Verbrennungsmotor VM an einen Kurbelwellenanschluss K' angeschlossen. An den Kurbelwellenanschluss K' ist eine Kurbelwellenzusatzmasse M1 angeschlossen, die als Primärmasse ein Trägheitsmoment repräsentiert. Dieses wirkt auf den Kurbelwellenanschluss.
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Der Kurbelwellenanschluss K' ist über eine Reibbelagscheibe K0R an ein Einkopplungselement EK angeschlossen. Die erste Kupplung umfasst den Kurbelwellenanschluss K', die Reibbelagscheibe K0R sowie das Einkopplungselement EK. Der Kurbelwellenanschluss K' ist schaltbar mit dem Einkopplungselement EK verbunden, so dass diese Komponenten neben der Funktion als mechanischer Anschluss bzw. zur Einkopplung auch die Funktion einer Kupplung haben. Das Einkopplungselement EK weist einen Eingang IN auf, der zum Anschluss an eine elektrische Maschine EM dient. Hierbei kann ein Teil des Rotors der elektrische Maschine EM als Eingang IN arbeiten, indem dieser fest mit dem Einkopplungselement EK verbunden ist.
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An das Einkopplungselement EK und somit an die erste Kupplung schließt sich eine Feder KF an. Über diese ist die erste Kupplung mit der zweiten Kupplung gekoppelt. Die zweite Kupplung umfasst ein Zwischenelement Z, eine Reibbelagscheibe K1R und ein Abtriebanschluss G'. Das Zwischenelement Z kann über die Reibbelagscheibe K1R mit dem Abtriebanschluss G' verbunden werden, abhängig vom Zustand der zweiten Kupplung. Das Zwischenelement Z kann mit einem (optionalen) zusätzlichen Schwungradmassenrad (M2O) verbunden sein.
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Falls die erste und die zweite Kupplung als Klauenkupplung ausgebildet sind, so bezeichnen die Bezugszeichen K0R, K1R erste und zweite Klauensätze der ersten und zweiten Kupplung.
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Auf den Abtriebanschluss G' folgt ein Abtrieb G mit einem Getriebe GT und Rädern W. Eine Steuerungsvorrichtung C steuert die Zustände der ersten und der zweiten Kupplung an.
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Zur Kupplungsvorrichtung gehören insbesondere die Komponenten mit den Bezugszeichen K', K0R, EK, IN, KF, Z, K1R und G'; gegebenenfalls auch die Komponenten mit den Bezugszeichen M1 und M2O. Ferner kann die Steuerungsvorrichtung C zur Kupplungsvorrichtung gehören.
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Das Bezugszeichen IN bezeichnet allgemein einen Eingang, der in 1 als Riemenlauffläche R spezifiziert ist (und der auch als ein Teil eines Rotors oder als ein Rotorbefestigungselements realisiert sein kann).
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Zum Fahrzeugantriebsstrang gehören neben den Komponenten der Kupplungsvorrichtung die Komponenten mit den Bezugszeichen VM, K, EM, G, und gegebenenfalls GT und/oder W. Zum Fahrzeugantriebsstrang gehört insbesondere die Steuerungsvorrichtung C.
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In einer Ausführungsform steuert die Steuerungsvorrichtung C auch die Verbrennungsmaschine VM und/oder die elektrische Maschine EM an, zumindest hinsichtlich der Drehzahl.
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Die Feder KF bildet den Schwingungsdämpfer; zusammen mit den Trägheitsmomenten der Massen M1 und ggf. M2O bzw. der damit verbundenen Komponenten bildet diese ein Zweimassenschwungrad.
