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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Fahrzeugantriebssystem und einen Elektromotor für ein Fahrzeugantriebssystem.
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EINLEITUNG
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Diese Einleitung stellt im Allgemeinen den Kontext der Offenbarung dar. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, werden gegenüber der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik zugelassen.
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Ein Fahrzeugantriebssystem kann einen Elektromotor beinhalten, der ein Drehmoment erzeugt, das den Rädern des Fahrzeugs zugeführt wird. Der Betrieb des Elektromotors kann Wärme erzeugen, die gesteuert werden muss, um den Betrieb zu optimieren und wärmebedingte Schäden zu vermeiden oder zu reduzieren. Kühl- und Schmiersysteme wurden entwickelt, um die durch den Elektromotor erzeugte Wärme und Reibung zu steuern. Flüssigkeitskühl- und Schmiersysteme versorgen den Motor mit flüssigem Kühl- oder Schmiermittel und ermöglichen die Zirkulation dieser Flüssigkeit durch den Motor. Eine Art eines Flüssigkeitssystems für Elektromotoren kann eine Zufuhr von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel in eine Rotorhohlwelle vorsehen, die eine radiale Bohrung aufweist, durch welche die Flüssigkeit radial von der Welle nach außen strömt. Die Flüssigkeit wird anschließend anderen Komponenten des Motors ausgesetzt, um Wärme von diesen Komponenten aufzunehmen oder diese zu schmieren, wobei die erwärmte Flüssigkeit anschließend von diesen Komponenten weggeleitet werden kann.
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Flüssigkeitssysteme von Elektromotoren, die Flüssigkeit aus einem Hohlraum innerhalb einer Rotorwelle durch Bohrungen in der Rotorwelle radial nach außen transportieren, können mehrere Probleme aufweisen. Im Allgemeinen kann das Durchflussvolumen durch die radiale Bohrung proportional zur Größe der Bohrung und der Drehzahl des Motors sein (aufgrund der Zentrifugalkraft) und das Volumen des Flüssigkeitsdurchflusses kann direkt proportional zur Kapazität der Strömung sein, um Wärme abzuführen oder zu schmieren. Ein Elektromotor kann auch bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Wärmemenge erzeugen. Um in einer derartigen Situation eine Überhitzung des Motors zu vermeiden, muss die Größe der radialen Bohrung so bemessen sein, dass sie einen Flüssigkeitsdurchfluss ermöglicht, der ausreicht, um diese Wärme bei den niedrigen Drehzahlen abzuführen. Mit zunehmender Drehzahl des Motors nimmt der Flüssigkeitsdurchfluss zu und kann die zur Abfuhr der entstehenden Wärme erforderliche Durchflussmenge überschreiten. Diese übermäßige Flüssigkeitszufuhr ist ein Problem, da die Drehung des Rotors in der Flüssigkeit zu Spin-Verlusten führt. Je höher der Flüssigkeitsdurchfluss, desto höher sind die Spin-Verluste. Der Energieaufwand zum Überwinden der Spin-Verluste bewirkt einen geringeren Kraftstoffverbrauch. Es ist wünschenswert, einen Flüssigkeitsdurchfluss bereitzustellen, der zur Abfuhr der vom Motor erzeugten Wärme ausreicht, ohne eine übermäßige Menge an Flüssigkeit bereitzustellen, die den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs unnötig reduzieren würde.
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KURZDARSTELLUNG
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In einem exemplarischen Aspekt beinhaltet ein Fahrzeugantriebssystem eine Rotorwelle, die einen Hohlraum innerhalb der Rotorwelle definiert und eine radiale Bohrung, die sich vom Hohlraum zu einer Außenfläche der Rotorwelle erstreckt, sowie einen Durchflussbegrenzer, die einen Flüssigkeitsdurchfluss durch die radiale Bohrung als Reaktion auf eine Drehzahl der Rotorhohlwelle, die eine vorbestimmte Schwellendrehzahl überschreitet, reduziert.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt reduziert der Durchflussbegrenzer den Durchfluss als Reaktion auf eine Zentrifugalkraft, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet der Durchflussbegrenzer einen zylinderförmigen Abschnitt zum Positionieren des Durchflussbegrenzers innerhalb des Hohlraums.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet der Durchflussbegrenzer einen Durchflussbegrenzerarm, der sich axial innerhalb des Rotorwellenhohlraums erstreckt.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt definiert der Durchflussbegrenzerarm eine Drosselbohrung, die im Querschnitt kleiner ist als die radiale Bohrung in der Rotorwelle.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist eine Breite des Durchflussbegrenzerarms angrenzend an die radiale Bohrung kleiner als ein Abstand über die radiale Bohrung in einer Richtung, die auf die Breite des Durchflussbegrenzerarms ausgerichtet ist.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet der Durchflussbegrenzerarm einen Federstahlarm, der radial nach innen und von der radialen Bohrung weg vorgespannt ist.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt reduziert der Durchflussbegrenzer den Flüssigkeitsdurchfluss, wenn die Drehzahl der Rotorwelle die Schwellendrehzahl überschreitet, indem sie mindestens einen Teil des Querschnitts der radialen Bohrung in der Rotorwelle abdeckt.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt reduziert der Durchflussbegrenzer den Flüssigkeitsdurchfluss in Stufen, indem sie einen Flüssigkeitsdurchfluss durch die radiale Bohrung auf eine erste Ebene bei einer ersten vorgegebenen Schwellendrehzahl und auf eine zweite Ebene bei einer zweiten vorgegebenen Schwellendrehzahl reduziert. Die erste Ebene des Flüssigkeitsdurchflusses ist größer als die zweite Ebene des Flüssigkeitsdurchflusses und die erste vorbestimmte Schwellendrehzahl ist kleiner als die zweite vorbestimmte Schwellendrehzahl.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet der Durchflussbegrenzer einen ersten Durchflussbegrenzerarm, der sich axial innerhalb der Rotorwelle erstreckt und eine erste Ebene der radial nach innen gerichteten Vorspannung aufweist, und einen zweiten Durchflussbegrenzerarm, der sich axial innerhalb der Rotorwelle erstreckt und eine zweite Ebene der radial nach innen gerichteten Vorspannung aufweist, die größer ist als die erste Ebene der radial nach innen gerichteten Vorspannung.
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Auf diese Weise ist der Flüssigkeitsdurchfluss ausreichend, um das Fahrzeugantriebssystem zu entfernen, jedoch nicht so übermäßig, dass mögliche Spin-Verluste minimiert werden. Darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit des Bereitstellens hydraulischer Ventile und der zur Unterstützung dieser Ventile erforderlichen Systeme.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung. Es ist zu beachten, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der Offenbarung zu begrenzen.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einschließlich der Ansprüche und der Ausführungsformen leicht ersichtlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen werden.
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Figurenliste
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Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, worin gilt:
- 1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Fahrzeugantriebssystem;
- 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Elektromotors für das Antriebssystem von 1;
- 3A ist eine Querschnittsansicht einer Rotorwelle eines Elektromotors mit einem exemplarischen Durchflussbegrenzer in einer ersten Konfiguration;
- 3B ist eine Querschnittsansicht einer Rotorwelle eines Elektromotors mit einem exemplarischen Durchflussbegrenzer in einer zweiten Konfiguration;
- 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Durchflussbegrenzers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 ist eine Draufsicht auf eine Rotorwelle eines Elektromotors mit dem Durchflussbegrenzer von 4;
- 6 ist eine Draufsicht auf eine Rotorwelle eines Elektromotors mit einem weiteren Durchflussbegrenzer;
- 7 veranschaulicht einen exemplarisch gestuften Durchflussbegrenzer;
- 8 veranschaulicht einen anderen exemplarisch gestuften Durchflussbegrenzer; und
- 9 ist ein Diagramm, das einen Flüssigkeitsstrom durch die radiale Bohrung der Rotorwelle mit einem abgestuften Durchflussbegrenzer darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, das ein Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Das Fahrzeug 100 beinhaltet eine Antriebsmaschine 102, die einen Elektromotor 104 mitführen kann. Die Antriebsmaschine 102 erzeugt ein Drehmoment, das einem Getriebe 106 und anschließend einem Antriebselement 108, wie beispielsweise einem Rad, zum Antreiben des Fahrzeugs zugeführt wird.
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2 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Elektromotors 200. Der Motor 200 beinhaltet eine drehbare Rotorwelle 202, auf welcher ein Rotor 204 montiert ist. Die Rotorwelle 202 und der Rotor 204 sind in einem Gehäuse 206 des Motors 200 drehbar. Der Motor beinhaltet weiterhin einen Stator 208, der in einem Gehäuse 206 des Motors 200 stationär bleibt. Die Rotorwelle 202 definiert einen Hohlraum 210 und eine radiale Bohrung 212, die sich vom Hohlraum 210 zu einer radialen Außenfläche der Rotorwelle 202 erstreckt. Ein Flüssigkeitsstrom von Kühl- oder Schmiermittel kann in den Hohlraum 210 eingeleitet werden, wie durch die nicht nummerierten Pfeillinien angezeigt, die radial von der Rotorwelle 202 über die radiale Bohrung 212 austreten, sodass der Rotor 204 und der Stator 208 eine Zufuhr von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel erhalten können, um die während des Betriebs des Motors 200 erzeugte Wärme abzuführen. Während sich die Rotorwelle 202 dreht, kann das in den Hohlraum eingebrachte flüssige Kühl- oder Schmiermittel durch Zentrifugalkraft aus der radialen Bohrung 212 herausgezogen und/oder unter Zuhilfenahme einer Pumpe durch die radiale Bohrung 212 gedrückt werden (nicht dargestellt).
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Innerhalb des Hohlraums befindet sich ein Durchflussbegrenzer 214. Unter Bezugnahme auf 4 beinhaltet der Durchflussbegrenzer 212 einen zylindrischen Abschnitt 216 und einen sich axial vom zylindrischen Abschnitt 216 erstreckenden Arm 218. Der Arm 218 beinhaltet eine Drosselbohrung 220 an einem Ende des Arms 218. Der zylindrische Abschnitt 216 kann dahingehend konfiguriert werden, dass der Durchflussbegrenzer 214 innerhalb des Hohlraums 210 positioniert wird, um die Durchflussöffnung 220 mit der radialen Bohrung 212 der Rotorwelle 202 auszurichten. Die Drosselbohrung 220 kann kleiner sein als die radiale Bohrung 212 in der Rotorwelle 202, sodass sie einen größeren Widerstand gegen den Durchfluss von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel bietet als die radiale Bohrung 212. 2 veranschaulicht eine Konfiguration, in der sich der Arm 218 in einer ausgefahrenen oder aktivierten Konfiguration befindet.
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5 veranschaulicht eine weitere Ansicht eines Abschnitts der Rotorwelle 202 und des Durchflussbegrenzers 214. Insbesondere kann durch 5 deutlicher veranschaulicht werden, wie der Durchflussbegrenzer 214 einen größeren Widerstand gegenüber einem flüssigen Kühl- oder Schmiermittelstrom bieten kann als die radiale Bohrung 212. In dieser besonderen Ausführungsform weist der Durchflussbegrenzerarm 218 eine Bohrung 220 auf, die kleiner ist als die radiale Bohrung 212. Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung eine beliebige Konfiguration von Durchflussbegrenzern vorsieht, die durch Zentrifugalkraft so betätigt werden können, dass sie ohne Einschränkung einen zusätzlichen Widerstand gegen den Durchfluss von flüssigem Kühlmittel oder Schmiermittel aus einer radialen Bohrung der Rotorwelle bereitstellen. Eine weitere exemplarische Ausführungsform eines Durchflussbegrenzers 600 mit einem Arm 602, der einen zusätzlichen Widerstand gegen den Durchfluss von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel durch die radiale Bohrung 604 der Rotorwelle 606 bereitstellt, ist beispielsweise in 6 dargestellt. In der in 6 veranschaulichten Konfiguration erstreckt sich der Durchflussbegrenzerarm 602 über und in die Querschnittsfläche der radialen Bohrung 604 und fügt damit einen Durchflussbegrenzer hinzu, der dem Durchfluss von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel entgegenwirkt. Auch hier ist die spezifische Form oder Konfiguration des Durchflussbegrenzerarms uneingeschränkt, vielmehr muss die Form oder Konfiguration nur die Durchflussbegrenzung durch die radiale Bohrung der Rotorwelle bei steigender Drehzahl (z. B. als Reaktion auf die zunehmende Zentrifugalkraft) erhöhen.
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Unter Bezugnahme auf die 3A und 3B ist eine weitere exemplarische Ausführungsform eines weiteren Durchflussbegrenzers 300 in einer Rotorwelle 302 mit zwei radialen Bohrungen 304 im Querschnitt dargestellt. 3A stellt eine Konfiguration dar, bei der die Arme 306 des Durchflussbegrenzers 300 nicht ausgefahren oder aktiviert werden, sodass die Drosselbohrungen 308 in den Armen 306 geeignet sind, einen Durchfluss von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel durch die radialen Bohrungen 304 zu begrenzen. Im Gegensatz dazu stellt 3B eine Konfiguration dar, bei der die Arme 306 des Durchflussbegrenzers 300 ausgefahren oder aktiviert werden, sodass die Drosselbohrungen 308 so angeordnet sind, dass ein Durchfluss von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel durch die radialen Bohrungen 304 begrenzt wird. In einer exemplarischen Ausführungsform sind die Arme 306 des Durchflussbegrenzers vorgespannt, um die in 3A veranschaulichte Position/Konfiguration zu halten. Während des Betriebs, wenn sich die Rotorwelle 302 dreht, wird die Zentrifugalkraft an den Armen 306 der Vorspannung entgegengesetzt, wobei sich die Arme nach und nach in Richtung der Position/Konfiguration von 3B bewegen, sobald die Zentrifugalkraft ausreicht, um die Vorspannung der Arme 306 vollständig zu überwinden.
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Obwohl 2 eine Rotorwelle 202 mit nur einer einzelnen radialen Bohrung 212 und einen Durchflussbegrenzer 214 mit einem einzelnen Arm 218 und 3 eine Rotorwelle 302 mit zwei radialen Bohrungen 304 und einen Durchflussbegrenzer 300 mit zwei Armen 306 veranschaulicht, ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine beliebige Anzahl von radialen Bohrungen oder Armen beschränkt ist.
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Darüber hinaus kann bei einigen Elektromotoren eine Versorgung mit flüssigem Kühl- oder Schmiermittel über mehrere unterschiedlich große radiale Bohrungen in der Rotorwelle erfolgen. Bei höheren Drehzahlen kann der erhöhte Durchfluss durch das/die größere(n) Bohrung(en) unerwünschterweise das/die kleinere(n) Bohrung(en) abfangen oder aushungern. Dieses Problem kann besonders bei kälteren Bedingungen auftreten, wobei die erhöhte Viskosität der Flüssigkeit bei kälteren Temperaturen eine ausreichende Versorgung durch eine kleinere Bohrung erschweren kann. Die vorliegende Erfindung kann die Zufuhr von Kühl- oder Schmiermittel durch die Bohrungen so regulieren, dass die Spülung und/oder das Verhungern der Zufuhr zu einer der Vielzahl von Bohrungen besser kontrolliert oder ganz vermieden werden kann.
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7 veranschaulicht eine weitere exemplarische Ausführungsform eines Durchflussbegrenzers 700 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Durchflussbegrenzer 700 ist ein Durchflussbegrenzer von einem „gestuftem“ Typ und weist zwei Arme 702 und 704 auf, von denen einer den anderen aus der in der Figur dargestellten Perspektive überlappt. Der erste Arm 702 kann enger als der zweite Arm 704 sein, sodass der erste Arm im ausgefahrenen oder betätigten Zustand eine geringere Einschränkung für den Durchfluss durch eine radiale Bohrung in einer Rotorwelle (nicht dargestellt) als der zweite Arm 704, wenn der zweite Arm 704 ausgefahren oder betätigt wird. Darüber hinaus kann der erste Arm 702 weniger vorgespannt sein als der zweite Arm 704, sodass die Zentrifugalkraft den ersten Arm 702 vor dem zweiten Arm 704 auslöst. Auf diese Weise kann der Durchflussbegrenzer die Durchflussbegrenzung so „ausrichten“, dass bei steigender Drehzahl der Rotorwelle der Durchflusswiderstand durch den Durchflussbegrenzer 700 stufenweise erhöht wird. Der Durchflussbegrenzer 700 von 7 erreicht die stufenweise Begrenzung durch Variation der Breite und Vorspannung der Arme 702 und 704.
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In ähnlicher Weise beinhaltet eine weitere exemplarische Ausführungsform eines Durchflussbegrenzers 800 zwei Arme 802 und 804. Im Gegensatz zu 7 veranschaulicht 8 den Durchflussbegrenzer 800 und einen zugehörigen Abschnitt einer Rotorwelle 806 im Querschnitt aus der seitlichen Perspektive. Wie der Durchflussbegrenzer 700 beinhaltet der Durchflussbegrenzer 800 einen ersten Arm 802 und einen zweiten Arm 804, wobei der zweite Arm 804 den ersten Arm 802 „überlappt“. Weiterhin und in ähnlicher Weise kann der erste Arm 802 weniger vorgespannt sein als der zweite Arm 804, sodass eine Zunahme der Zentrifugalkraft, wenn sich die Rotorwelle schneller dreht, bewirkt, dass der erste Arm 802 vor dem zweiten Arm 804 ausgelöst wird. Auf diese Weise kann der Durchflussbegrenzer die Durchflussbegrenzung so „ausrichten“, dass bei steigender Drehzahl der Rotorwelle der Durchflusswiderstand durch den Durchflussbegrenzer 800 stufenweise erhöht wird. Im Gegensatz zum Durchflussbegrenzer 700 ist der Durchflussbegrenzer 800 auf eine Varianz in der Größe der Bohrungen in den Armen 802 und 804 angewiesen, um den zunehmenden Widerstand zu gewährleisten. Die Bohrung 808 im Arm 802 ist größer als die Bohrung 810 im Arm 804. Daher erreicht der Durchflussbegrenzer 800 von 8 die stufenweise Begrenzung durch Variation der Bohrungsgröße und der Vorspannung der Arme 802 und 804.
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9 ist ein Diagramm 900, das den Zusammenhang zwischen einem Volumenstrom von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel durch eine radiale Bohrung in einer Rotorwelle auf der vertikalen Achse 902 und der Drehzahl der Rotorwelle auf der horizontalen Achse in einem System mit einem gestuften Durchflussbegrenzer veranschaulicht, wie zum Beispiel in einer der 7 und 8 dargestellt. Mit zunehmender Drehzahl der Rotorwelle nimmt der Durchfluss des flüssigen Kühl- oder Schmiermittels durch die radiale Bohrung allmählich zu, bis die Drehzahl einen Punkt erreicht, an dem die Zentrifugalkraft ausreicht, um die Vorspannung an einem ersten Arm in einem Durchflussbegrenzer zu überwinden. Infolgedessen schränkt der erste Arm den Durchfluss ein und reduziert so den Durchfluss durch die radiale Bohrung. Mit zunehmender Drehzahl erreicht die Drehzahl schließlich einen Punkt, wobei die Zentrifugalkraft ausreicht, um die Vorspannung eines zweiten Arms in einem Durchflussbegrenzer zu überwinden, der anschließend die Begrenzung weiter erhöht und das Volumen wieder reduziert. Im Allgemeinen kann ein so gestufter Durchflussbegrenzer den Durchfluss von flüssigem Kühl- oder Schmiermittel zum Elektromotor enger an den tatsächlichen Wärmeabfuhrbedarf anpassen und die Menge des „übermäßigen“ Durchflusses an Kühl- oder Schmiermittel reduzieren, was nur dazu dienen würde, die Spin-Verluste zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu reduzieren.
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Die vorliegende Erfindung kann auch für diejenigen Fahrzeugantriebssysteme von Vorteil sein, die über ein begrenztes oder gar kein Hydrauliksystem verfügen, mit dem ein Ventilsystem zum Regulieren des Flüssigkeitsdurchflusses durch einen Motor gesteuert werden kann. Bei denjenigen Fahrzeugantriebssystemen, die über ein derartiges Hydrauliksystem verfügen, kann die Regelung des Durchflusses durch eine hydraulische Steuerung über ein Ventilsystem erfolgen. Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, den Durchfluss unabhängig und ohne die Notwendigkeit eines hydraulischen oder anderweitig gesteuerten Regelungssystems zu regeln. Dies kann die Notwendigkeit der Bereitstellung eines derart kostenintensiven und komplexen Hydrauliksystems, das zum Betrieb Energie benötigt, überflüssig machen. Die vorliegende Erfindung bietet ein passives mechanisches System, das zur Regulierung des Durchflusses keine Energie verbraucht.
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Auch wenn die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen im Zusammenhang mit der Schmierung und/oder Kühlung von Elektromotoren beschrieben wurden, ist zu beachten und zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung ohne Einschränkung auch in jeder anderen Fahrzeugantriebskomponente vorteilhaft eingesetzt werden kann. So kann beispielsweise eine Antriebswelle für eine Schleppanwendung mit niedriger Drehzahl ein ähnliches System beinhalten, das auf einer radialen Bohrung in der Wand eines Hohlraums aufbaut, um eine Schmierflüssigkeit für eine Buchse vorzusehen. Eine Regelung der Fluidzufuhr mit einem Halter, der auf eine Drehzahlerhöhung anspricht, um den Durchfluss dieses Fluids zu diesem System zu regulieren oder einzuschränken, wäre ebenfalls nützlich.
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Diese Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Ausführungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die beinhaltenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen hervor.
