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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem für den Antrieb des Kraftfahrzeuges vorgesehenen elektromechanischen Hauptantriebsmotor, der einen Rotor und einen Stator umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung, die mit dem Rotor kinematisch gekoppelt ist, einem Achsdifferentialgetriebe, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetriebeeinrichtung anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt und wenigstens einem Nebenaggregat z.B. in Form einer Lenkhilfepumpe, eines Klimakompressors oder einer Pumpe für einen über eine Akkubaugruppe geführten Kühlmittelkreis, wobei jenes Nebenaggregat über den Hauptantriebsmotor antreibbar ist.
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Aus
DE 10 2012 010 171 A1 ist eine elektromechanische Antriebsanordnung der oben genannten Art bekannt. Bei dieser bekannten Antriebsanordnung setzt sich der Hauptantriebsmotor aus zwei koaxial gefügten Teilmotoren zusammen, deren Ausgänge auf zwei separate Eingänge eines Umlaufrädergetriebes geführt sind. Das in dieser Antriebsanordnung vorgesehene Nebenaggregat ist koaxial zur Achse des inneren Teilmotors angeordnet und mit dessen Rotor kinematisch gekoppelt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen aufzuzeigen durch welche es möglich wird, eine elektromechanische Antriebsanordnung für ein rein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug zu schaffen, die sich durch einen vorteilhaft realisierbaren Gesamtaufbau auszeichnet und welche unter energetischen Aspekten vorteilhaft betreibbar ist.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektromechanische Antriebsanordnung mit:
- - einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor, der einen Rotor und einen Stator umfasst,
- - einer Reduktionsgetriebeeinrichtung, die einen Getriebeeingang, einen Getriebeausgang, wenigstens eine Reduktionsstufe und ein Getriebegehäuse umfasst, das die Reduktionsstufe beherbergt,
- - einem Achsdifferentialgetriebe zur Verzweigung der über die Reduktionsstufe geführten Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt und
- - einem Nebenaggregat, das über den Hauptantriebsmotor antreibbar ist, wobei
- - das Nebenaggregat außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet ist,
- - in dem Getriebegehäuse ein erstes Schaltelement vorgesehen ist,
- - außerhalb des Getriebegehäuses ein zweites Schaltelement vorgesehen ist,
- - das erste Schaltelement derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und dem Achsdifferentialgetriebe schaltbar schließbar und trennbar ist,
- - das erste und/oder das zweite Schaltelement derart ausgebildet sind, dass über diese eine Antriebsverbindung zwischen dem Nebenaggregat und dem Rotor herstellbar ist und
- - das Nebenaggregat über das Achsdifferentialgetriebe antreibbar ist, wenn über das erste Schaltelement die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und dem Achsdifferentialgetriebe aufgehoben ist.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Antriebsanordnung für ein rein elektromechanisch betriebenes Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welcher das Nebenaggregat und das Achsdifferentialgetriebe über eine im Getriebe vorgesehene Schalteinrichtung und eine außerhalb der Getriebeeinrichtung liegende Schalteinrichtung nach Maßgabe der von einer Steuereinheit generierten Schaltereignisse koppelbar sind, so dass das Nebenaggregat im Fahrbetrieb des Fahrzeugs mit dem zum Achsdifferential führenden Antriebsstrangabschnitt verbunden ist und zudem bei Stillstand des Fahrzeugs das Nebenaggregat weiterhin über den Hauptantriebsmotor angetrieben werden kann.
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Das erste Schaltelement ist vorzugsweise derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden, dass dieses in einen Zustand bringbar ist, in welchem die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und dem Achsdifferentialgetriebe aufgehoben ist und das Nebenaggregat im Fahrzeugschubbetrieb über das Achsdifferentialgetriebe angetrieben wird. Hierzu kann in dem ersten Schaltelement eine form- oder reibschlüssige Kupplungseinrichtung und/oder auch eine Freilaufeinrichtung vorgesehen sein. Das außerhalb des Getriebegehäuses liegende zweite Schaltelement ist vorzugsweise ebenfalls als form- oder reibschlüssig koppelnde Kupplungseinrichtung ausgebildet, und kann auch eine Freilaufeinrichtung umfassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Steuereinrichtung vorgesehen, wobei über diese Steuereinrichtung der Schaltzustand des innen liegenden ersten Schaltelements und des bezüglich des Getriebegehäuses außenliegenden zweiten Schaltelements eingestellt wird, wobei die Steuereinrichtung hierbei den aktuellen Betriebszustand des Fahrzeuges berücksichtigt und den Schaltzustand der beiden Schaltelemente nach Maßgabe eines die Gesamtenergieeffizienz berücksichtigenden Regelkonzepts einstellt. Die Steuereinrichtung kann hierbei den aktuellen oder einen modellierten thermischen Zustand des Akkusystems, den Wärmeenergiebedarf zur Heizung des Fahrzeuginnenraums, den Kühlleistungsbedarf sowie den Energiebedarf des Nebenaggregats berücksichtigen und basierend auf diesen Eingangsinformationen dann an den beiden Schaltelementen Schaltzustände herbeiführen die bewirken, dass z.B. im Schubbetrieb des Fahrzeugs aus diesem abgreifbare Energie möglichst effizient und ohne Konversionsverluste zur Deckung des Energiebedarfs des Nebenaggregats herangezogen wird. Die Steuereinrichtung kann dabei die Drehzahlen berücksichtigen mit welchen das Aggregat bei einer Durchschaltung des zweiten Schaltelements angetrieben werden würde und z.B. zunächst eine zum Betrieb des Nebenaggregats parallele Energierekuperation über den temporär generatorisch betriebenen Hauptantriebsmotor vornehmen, und erst bei langsameren Auslaufgeschwindigkeiten des Fahrzeugs dann die abgreifbare Leistung primär für den Antriebs des Nebenaggregats heranziehen. Temporär können auch Mischzustände eingestellt werden bei welchen im Schubbetrieb sowohl ein direkter mechanischer Antrieb der Nebenaggregate aus der vom Achsdifferential abgegriffenen Schubleistung erfolgt und zudem auch eine Rekuperation über den Elektromotor vorgenommen wird. Die Rekuperationsleistung kann hierbei durch Ansteuerung des Elektromotors abgestimmt werden, z.B. nach Maßgabe einer vom Fahrer oder einem Assistenzsystem vorgegebenen Verzögerungsanforderung. So kann bei einer Verzögerungsanforderung unterhalb der Bremswirkung des Nebenaggregats zunächst eine Rekuperation über den Elektromotor erfolgen, dann wird im Moment des Zuschaltens des Nebenaggregats die Rekuperationsleistung so reduziert, dass das Aggregat im wesentlichen ruckfrei angekoppelt wird, bei weiterem Anstieg der Verzögerungswirkung kann dann wieder die Rekuperationsleistung entsprechend dosiert erhöht werden. Die Steuereinrichtung kann insbesondere so ausgelegt und konfiguriert sein, dass bei Leistungsbedarf des Nebenaggregats dieser im Schubbetrieb des Fahrzeuges primär durch Leistungsabgriff aus dem Achsdifferentialgetriebe gedeckt wird.
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Das Nebenaggregat ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieses Nebenaggregat eine Eingangswelle aufweist und diese Eingangswelle zur Umlaufachse des Rotors des Elektromotors gleichachsig angeordnet ist. Das zweite Schaltelement und das Nebenaggregat sind außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet und können damit im Rahmen der Wartung einfach inspiziert, überholt oder getauscht werden. Das Nebenaggregat kann direkt an das Getriebegehäuse angesetzt sein, oder mit diesem über eine Halterung verbunden sein. Das zweite Schaltelement kann in das Nebenaggregat integriert sein.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung kann auch so ausgebildet sein, dass die Eingangswelle des Nebenaggregats zur Umlaufachse des Rotors des Elektromotors parallel versetzt angeordnet ist. Der Leistungstransfer kann dann durch einen außerhalb des Getriebegehäuses verlaufenden Antriebsstrangabschnitt, insbesondere in Form eines Umschlingungstriebes bewerkstelligt werden. Die Antriebsanordnung kann weiterhin auch derart ausgebildet werden, dass diese zwei Nebenaggregate umfasst und hierbei eines der Nebenaggregate mit seiner Eingangswelle zur Umlaufachse des Rotors gleichachsig und das zweite Nebenaggregat zu dieser Umlaufachse parallel versetzt angeordnet ist.
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Das erste Schaltelement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass über dieses eine Antriebsverbindung zu dem Achsdifferentialgetriebe herstellbar und aufhebbar ist. Das erste Schaltelement ist dabei vorzugsweise zwischen dem Elektromotor und der Reduktionsstufe angeordnet oder in die Reduktionsstufe eingebunden. Das zweite Schaltelement ist außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet und derart ausgebildet, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und der Eingangswelle des Nebenaggregats herstellbar oder auftrennbar ist.
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Die Reduktionsstufe kann als Stirnradstufe ausgebildet werden, die ein Stirnrad aufweist, das zur Rotorachse gleichachsig angeordnet ist, wobei wiederum vorzugsweise durch das zweite Stirnrad dann direkt der Leistungstransfer zum Achsdifferentialgetriebe bewerkstelligt wird. Das erste Schaltelement kann in einem der Stirnräder, insbesondere dem zur Rotorachse koaxialen Stirnrad sitzen.
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Die Reduktionsstufe kann auch als Umlaufrädergetriebe ausgebildet sein und hierbei wiederum derart gestaltet sein, dass dieses auf schaltbarem Wege wenigstens zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bietet.
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Wie oben bereits erwähnt ist es möglich, die kinematische Koppelung des Nebenaggregats mit dem Elektromotor über einen in dem Getriebegehäuse oder vorzugsweise außerhalb des Getriebegehäuses verlaufenden Umschlingungstrieb zu bewerkstelligen, wobei dieser Umschlingungstrieb bei interner Anordnung insbesondere als ölbenetzter Riementrieb, oder auch als Kettentrieb ausgeführt werden kann. Der Parallelversatz der Achsen des Nebenaggregats und des Rotors kann auch durch eine Folge von seitlich ineinandergreifenden Stirnrädern bewerkstelligt werden.
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Die Antriebsanordnung kann auch so gestaltet sein, dass diese eine Freilaufeinrichtung umfasst, wobei diese Freilaufeinrichtung so ausgelegt sein kann, dass diese es gestattet, dass im Schubbetriebs des Fahrzeuges die Eingangswelle des Nebenaggregats durch die aus dem Achsdifferentialgetriebe abgreifbare Energie getrieben wird und dabei die Rotorwelle „überholt“, d.h. mit einer höheren Drehzahl rotiert. Dieser Freilauf befindet sich dann ebenfalls vorzugsweise außerhalb des Getriebegehäuses.
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Das erste Schaltelement und auch das zweite Schaltelement sind vorzugsweise als form- und/oder reibschlüssig koppelnde Schaltelemente ausgebildet. Das jeweilige Schaltelement kann auch als Getriebeeinrichtung ausgebildet sein, deren Schaltzustand durch Festlegung/Freigabe eines Getriebeglieds, z.B. eines Hohlrades einstellbar ist.
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Die Reduktionsgetriebeeinrichtung kann auch als mehrstufig schaltbare Getriebeeinrichtung ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ist eine rein elektrische Antriebsanordnung bei welcher die Hauptantriebsleistung durch den Elektromotor bereitgestellt wird. Die Antriebsanordnung umfasst keine Brennkraftmaschine. Der Elektromotor kann in vorteilhafter Weise als zunächst eigenständige Baugruppe gefertigt werden und im Rahmen des Zusammenbaus der Antriebsanordnung dann an das Getriebegehäuse angebunden werden. Es ist auch möglich, zumindest einen Teil des Motorgehäuses, insbesondere in Form eines Topfgehäuseabschnitts noch durch das Getriebegehäuse bereitzustellen.
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Das Achsdifferentialgetriebe kann so aufgebaut sein, dass dieses ein eigenes Differentialgetriebegehäuse umfasst das dann unmittelbar an das Gehäuse der Reduktionsgetriebeeinrichtung angebunden ist. Es ist auch möglich, das Achsdifferentialgetriebe noch in dem Getriebegehäuses unterzubringen, oder das Achsdifferentialgetriebegehäuse integral mit dem Gehäuse des Reduktionsgetriebes zu fertigen.
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Durch das erfindungsgemäße Konzept können bei Stillstand des Fahrzeuges, sowie im Schubbetrieb desselben Aggregate wie Wasserpumpe, Klimakompressor und Lenkhilfepumpe energetisch vorteilhaft betrieben werden. Die vorliegende Erfindung schlägt eine neuartige Anbindung der Nebenaggregate vor. Diese besteht in der kinematischen Anbindung der Nebenaggregate in bzw. am Getriebe in Verbindung mit zwei „intelligenten“ Schaltelementen, welche es ermöglichen, die Nebenaggregate abhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs und/oder des/der Antriebsmotors/Antriebsmotoren und/oder vom Batterieladezustand und/oder von äußeren Faktoren (z.B. der Temperatur) immer im energieeffizientesten Modus zu betreiben. Dies wird dadurch gewährleistet, dass bei bewegtem Fahrzeug der Antrieb der Nebenaggregate über die Getriebewelle erfolgt. Dabei kann insbesondere auch die kinetische Energie des Fahrzeugs genutzt werden. Außerdem bietet der mechanische Antrieb deutliche Vorteile in der Gesamtwirkungsgradkette gegenüber rein elektrifizierten Aggregaten. Bei stehendem Fahrzeug erfolgt über das außenliegende zweite Schaltelement der Antrieb des ebenfalls außerhalb des Getriebegehäuses liegenden Nebenaggregats elektrisch über die direkte Verbindung zum E-Motor. Dabei wird über das erste Schaltelement die Verbindung der Aggregate zur Getriebewelle gelöst, wodurch Reibungsverluste reduziert werden. Diese Betriebsweise ermöglicht die Bereitstellung von Komfortfunktionen wie Standklimatisierung bei stillstehendem Fahrzeug oder die Sicherstellung von notwendigen Funktionen wie z.B. Betrieb des Batteriekühlkreislaufs über eine Wasserpumpe für ein Nachkühlen nach Fahrzeugabstellen.
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Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch Nebenaggregate in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und führt zu einer Erhöhung der Fahrzeugreichweite.
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Erfindungsgemäß umfasst die Antriebsanordnung eines Elektrofahrzeugs eine rein elektrische Antriebsmaschine, mit einem Getriebe und wenigstens ein Nebenaggregat. Das Getriebe kann entsprechend der im Folgenden noch beschriebenen Darstellungen nur den Final Drive und das Differential beinhalten, es kann alternativ aber auch noch weitere Getriebestufen insbesondere eine Vorstufe aufweisen.
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Mindestens ein außerhalb des Getriebegehäuses angeordnetes Nebenaggregat ist über das erste oder das zweite Schaltelement mit der elektrischen Antriebsmaschine gekoppelt. Mittels der beiden Schaltelemente können wenigstens zwei „Pfade“ geschaltet werden. Über den ersten Pfad wird nur das Getriebe mit Leistung versorgt. Über einen zweiten Pfad fließt die Leistung auf das Nebenaggregat (bei stehendem Fahrzeug). Über einen z.B. mit einem Freilauf oder besondere Gestaltung des zweiten Schaltelements realisierbaren dritten Pfad fließt im Schubbetrieb Leistung vom Differential direkt zum Nebenaggregat (Antrieb über die Getriebewelle).
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Das erfindungsgemäße Konzept kann in unterschiedlichen Ausgestaltungen verwirklicht werden. So können die Rotorachsen der elektrischen Antriebsmaschine und des Nebenaggregats koaxial zueinander angeordnet sein oder achsparallel. Im Falle der achsparallelen Anordnung besteht eine getriebliche Verbindung zwischen der Rotorachse der elektrischen Antriebsmaschine und der Rotorachse des Nebenaggregats. Ein zweites oder weiteres Nebenaggregat sind wahlweise koaxial bzw. achsparallel zueinander angeordnet und über eine weitere getriebliche Stufe miteinander verbunden. Achsparallel zueinander angeordnete Nebenaggregate können beispielsweise über einen Zugmitteltrieb getrieblich miteinander verbunden werden. Auch innerhalb des die Nebenaggregate kinematisch koppelnden Systemabschnitts, insbesondere des Zugmitteltriebs können Schaltelemente vorgesehen sein, die wiederum eine selektive An- und Abkoppelung der Nebenaggregate ermöglichen.
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Erfindungsgemäß besteht die Antriebsanordnung eines Elektrofahrzeugs aus einer elektrischen Antriebsmaschine, mit einem Getriebe und mit wenigstens einem Nebenaggregat. Das Getriebe kann entsprechend der nachfolgend noch erläuterten Darstellungen nur den Final Drive und das Differential beinhalten. Es kann alternativ aber auch noch weitere Getriebestufen aufweisen. Das mindestens eine Nebenaggregat ist in das Gehäuse der Antriebseinheit bzw. des Getriebes integriert. Die elektrische Antriebsmaschine ist über ein erstes Schaltelement mit dem Getriebe gekoppelt. Zwischen dem Getriebe und dem Nebenaggregat ist ein zweites Schaltelement angeordnet. Die elektrische Antriebsmaschine, die Schaltelemente und das Nebenaggregat sind vorzugsweise koaxial angeordnet. Die Schaltelemente sind aus Sicht auf den Antrieb des Nebenaggregats direkt mittels der elektrischen Antriebsmaschine in Reihe geschaltet. Die Rotorachsen der elektrischen Antriebsmaschine und des Nebenaggregats können auch achsparallel angeordnet sein. Im Falle der achsparallelen Anordnung ist eine getriebliche Verbindung zwischen den Wellen vorgesehen, vorzugsweise in Form eines Zugmitteltriebs. Soweit zwei Nebenaggregate vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise achsparallel zueinander angeordnet und wahlweise über einen Umlaufmitteltrieb getrieblich miteinander verbunden.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine erste Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung mit einem außerhalb des Getriebegehäuses angeordneten und dabei zum Elektromotor gleichachsig angeordnetem Nebenaggregat, sowie einem zur selektiven Koppelung des Elektromotors mit dem zum Achsdifferential führenden Antriebsstrangabschnitt vorgesehenen ersten inneren Schaltelement und einem zwischen dem Elektromotor und dem Nebenaggregat vorgesehenen außerhalb des Getriebegehäuses liegenden zweiten Schaltelement;
- 2 eine zweite Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung mit einem außerhalb des Getriebegehäuses angeordneten und dabei wiederum zum Elektromotor gleichachsig angeordnetem Nebenaggregat, sowie einem zur selektiven Koppelung des Elektromotors mit dem zum Achsdifferential führenden Antriebsstrangabschnitt vorgesehenen ersten Schaltelement das hier in einem Stirnrad des Reduktionsgetriebes sitzt und einem zwischen dem Elektromotor und dem Nebenaggregat wirksamen zweiten Schaltelement das sich außerhalb des Getriebegehäuses befindet oder zumindest von außen zugänglich an das Getriebegehäuse angebunden ist;
- 3 eine dritte Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung ebenfalls mit einem außerhalb des Getriebegehäuses angeordneten Nebenaggregat, sowie einem ersten und einem zweiten Schaltelement zur selektiven Koppelung des Achsdifferentials und des Nebenaggregats mit dem Elektromotor, wobei hier jedoch das Nebenaggregat bezüglich der Rotorachse des Elektromotors achsparallel versetzt angeordnet ist;
- 4 eine vierte Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung mit einem internen und einem externen Schaltelement sowie mit zwei außerhalb des Getriebegehäuses angeordneten Nebenaggregaten, wobei hier eines der Nebenaggregate zur Rotorachse des Elektromotors gleichachsig und das weitere Nebenaggregat achsparallel versetzt angeordnet ist;
- 5 eine fünfte Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Koppelungszustände der Schaltelemente der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung bei unterschiedlichen Fahrzeugbetriebszuständen.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die Darstellung nach 1 zeigt eine elektromechanische Antriebsanordnung mit einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor E, der einen Rotor ER und einen Stator ES umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung G, die einen Getriebeeingang GE, einen Getriebeausgang GA, wenigstens eine Reduktionsstufe GR und ein Getriebegehäuse GH umfasst, das die Reduktionsstufe GR beherbergt, einem Achsdifferentialgetriebe AD, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetriebeeinrichtung G anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt DL, DR, und einem Nebenaggregat AUX1 das über den Hauptantriebsmotor E antreibbar ist. Bei dem Nebenaggregat AUX1 kann es sich insbesondere um einen Klimakompressor, eine Lenkhilfepumpe oder eine Kühlwasserpumpe zur Kühlung einer Akkubaugruppe und zur Heizung des Fahrzeuginnenraumes eines entsprechenden Kraftfahrzeuges handeln.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Nebenaggregat AUX1 außerhalb des Getriebegehäuses GH angeordnet ist, in dem Getriebegehäuse GH ein erstes Schaltelement SE1 und außerhalb des Getriebegehäuses ein zweites Schaltelement SE2 vorgesehen sind, wobei das erste Schaltelement SE1 derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD schaltbar schließbar und trennbar ist und das zweite Schaltelement SE2 derart ausgebildet ist, dass nach Maßgabe des Schaltzustands desselben das Nebenaggregat AUX1 selektiv über den Rotor ER antreibbar ist, wenn die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD aufgehoben ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung weist das Nebenaggregat AUX1 eine Eingangswelle E1 auf und diese Eingangswelle E1 ist zur Umlaufachse X des Rotors ER des Elektromotors E gleichachsig angeordnet.
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Das erste im Getriebegehäuse liegende Schaltelement SE1 ist derart ausgebildet, dass über dieses eine Antriebsverbindung zu dem Achsdifferentialgetriebe AD herstellbar ist. Dass erste Schaltelement SE1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel vor der Reduktionsstufe GR angeordnet, es besteht dort jedoch ein nicht weiter dargestellter Durchgang der Rotorwelle zum zweiten Schaltelement SE2 das sich außerhalb des Getriebegehäuses befindet. Die Reduktionsstufe GR ist hier als Stirnradstufe ausgebildet und das erste Schaltelement SE1 ermöglicht eine Koppelung eines ersten und hinsichtlich seines Durchmessers kleinen Stirnrades G1 mit der Rotorwelle RS. Das erste Schaltelement SE1 ist hierzu als form- oder reibschlüssig koppelndes Schaltelement ausgebildet. Die zur Einstellung des jeweiligen Schaltzustands des ersten und des zweiten Schaltelements SE1, SE2 vorgesehenen Aktuatoren sind hier nicht weiter dargestellt, sie können in das jeweilige Schaltelement SE1, SE2 integriert sein und insbesondere als elektromagnetische oder fluidmechanische Aktoren ausgebildet sein.
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Der Elektromotor E, und das Reduktionsgetriebe GR sind in eine gemeinsame Gehäuseeinrichtung GH eingebunden, das Nebenaggregat AUX befindet sich außerhalb des Getriebegehäuses, das Achsdifferentialgetriebe AD ist an die Gehäuseeinrichtung GH angebunden oder ebenfalls in diese integriert.
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In der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist das Getriebe G eingangsseitig mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor E und abtriebsseitig mit mindestens einer Fahrzeugachse DL, DR verbunden. Das Getriebe G umfasst eine oder mehrere Wellen, in welche ein Planetenradsatz integriert sein kann oder welche mit Stirnradstufen oder Planetenradsätzen miteinander verbunden sind. An die Rotorwelle RS des Antriebsmotors E, welche zum Getriebe G führt ist, koaxial zu dieser das Nebenaggregat AUX1 wie z.B. ein Klimakompressor, eine Wasserpumpe o.ä. angebunden.
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Die Darstellung nach 2 zeigt wiederum eine elektromechanische Antriebsanordnung mit einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor E, der einen Rotor ER und einen Stator ES umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung G, die einen Getriebeeingang GE, einen Getriebeausgang GA, wenigstens eine Reduktionsstufe GR und ein Getriebegehäuse GH umfasst, das die Reduktionsstufe GR beherbergt, einem Achsdifferentialgetriebe AD, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetriebeeinrichtung anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt DL, DR, und einem Nebenaggregat AUX1 das über den Hauptantriebsmotor E antreibbar ist.
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Auch diese erfindungsgemäße Antriebsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Nebenaggregat AUX1 außerhalb des Getriebegehäuses GH angeordnet ist, in dem Getriebegehäuse GH ein erstes Schaltelement SE1 und außerhalb des Getriebegehäuses ein zweites Schaltelement SE2 vorgesehen sind, wobei das erste Schaltelement SE1 derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD schaltbar schließbar und trennbar ist und das zweite Schaltelement SE2 derart ausgebildet ist, dass nach Maßgabe seines Kopplungszustandes das Nebenaggregat AUX1 über den Rotor ER antreibbar ist, insbesondere wenn die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD aufgehoben ist.
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Bei dieser Variante ist das Nebenaggregat AUX1 derart in die Antriebsanordnung eingebunden, dass die Eingangswelle E1 des Nebenaggregats AUX1 zur Rotorachse X gleichachsig angeordnet ist. Das erste Schaltelement SE1 ist in die Reduktionsstufe GR, insbesondere das erste Stirnrad G1 derselben, eingebunden. Dieses erste Stirnrad G1 greift radial von außen her in ein zweites Stirnrad G2 der Reduktionsstufe GR ein. Dieses zweite Stirnrad G2 bildet das Groß- oder Tellerrad des Achsdifferentialgetriebes AD und ist hierzu torsionsfest an das Umlaufgehäuse UH oder den Steg des Achsdifferentialgetriebes AD angebunden. Das zweite Schaltelement sitzt außerhalb des Getriebegehäuses GH in einem Zwischenbereich zwischen dem ersten Stirnrad G1 und dem Nebenaggregat AUX1.
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Die Darstellung nach 3 zeigt eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung mit einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor E, der einen Rotor ER und einen Stator ES umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung G, die einen Getriebeeingang GE, einen Getriebeausgang GA, wenigstens eine Reduktionsstufe GR und ein Getriebegehäuse GH umfasst, das die Reduktionsstufe beherbergt, einem Achsdifferentialgetriebe AD, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetriebeeinrichtung anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt DL, DR, und einem ersten Nebenaggregat AUX1 das über den Hauptantriebsmotor E antreibbar und in dem Getriebegehäuse GH aufgenommen ist.
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Bei dieser Variante ist das Nebenaggregat AUX1 außerhalb des Getriebgehäuses angeordnet und dabei derart in die Antriebsanordnung eingebunden, dass die Eingangswelle E1 des Nebenaggregats AUX1 zur Rotorachse X parallel versetzt angeordnet ist. Dies wird hier durch einen außerhalb des Getriebegehäuses verlaufenden Zugmitteltrieb TM erreicht. Dieser umfasst ein erstes Zugmittelrad TM1 und ein zweites Zugmittelrad TM2 sowie ein als Riemen oder Kette ausgeführtes Zugmittel TM3. Das erste Zugmittelrad TM1 ist zur Rotorachse X gleichachsig angeordnet und über das außenliegende zweite Schaltelement SE2 schaltbar mit der Rotorwelle oder dem ersten Stirnrad G1 der Reduktionsstufe koppelbar.
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Das erste Schaltelement SE1 ist in die Reduktionsstufe GR, insbesondere das erste Stirnrad G1 derselben, eingebunden. Dieses erste Stirnrad G1 greift radial von außen her in ein zweites Stirnrad G2 der Reduktionsstufe RG ein. Das zweite Stirnrad G2 bildet das Groß- oder Tellerrad des Achsdifferentialgetriebes AD und ist hierzu torsionsfest an das Umlaufgehäuse UH oder Steg des Achsdifferentialgetriebes AD angebunden.
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Die Darstellung nach 4 zeigt eine vierte Variante einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung mit einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor E, der einen Rotor ER und einen Stator ES umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung G, die einen Getriebeeingang GE, einen Getriebeausgang GA, wenigstens eine Reduktionsstufe GR und ein Getriebegehäuse GH umfasst, das die Reduktionsstufe beherbergt, einem Achsdifferentialgetriebe AD, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetriebeeinrichtung anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt DL, DR, und einem ersten Nebenaggregat AUX1 und einem zweiten Nebenaggregat AUX2 die beide über den Hauptantriebsmotor E antreibbar sind.
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Diese erfindungsgemäße Antriebsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass beide Nebenaggregate AUX1, AUX2 außerhalb des Getriebegehäuses GH angeordnet sind und in dem Getriebegehäuse GH ein erstes Schaltelement SE1 und außerhalb des Getriebegehäuses ein zweites Schaltelement SE2 vorgesehen sind, wobei das erste Schaltelement SE1 derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD schaltbar schließbar und trennbar ist und das zweite Schaltelement SE2 derart ausgebildet ist, dass nach Maßgabe seines Schalt- oder Koppelungszustandes die Nebenaggregate AUX1, AUX2 über den Rotor ER antreibbar sind, wenn die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD über das erste Schaltelement SE1 aufgehoben ist.
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Bei dieser Variante weist das Nebenaggregat AUX1 eine Eingangswelle E1 auf und diese Eingangswelle E1 ist zur Umlaufachse X des Rotors ER des Elektromotors E gleichachsig angeordnet. Das Nebenaggregat AUX2 ist derart in die Antriebsanordnung eingebunden, dass die Eingangswelle E2 des Nebenaggregats AUX2 zur Rotorachse X parallel versetzt angeordnet ist. Dies wird hier wiederum durch einen außerhalb des Getriebegehäuses verlaufenden Zugmitteltrieb TM erreicht. Dieser umfasst ein erstes Zugmittelrad TM1 und ein zweites Zugmittelrad TM2 sowie ein als Riemen oder Kette ausgeführtes Zugmittel TM3. Das erste Zugmittelrad TM1 ist zur Rotorachse X gleichachsig angeordnet und über das zweite Schaltelement SE2 schaltbar mit der Rotorwelle oder dem ersten Stirnrad G1 der Reduktionsstufe koppelbar.
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Wie insbesondere in Verbindung mit den 3 und 4 veranschaulicht ist es möglich, die Anbindung des Nebenaggregats AUX1 oder beider Nebenaggregate AUX1, AUX2 über einen Riemen- oder Kettentrieb zu bewerkstelligen, wobei eines der Antriebsräder TM1,TM2 (hier TM1) bzw. eine der Antriebsscheiben koaxial angebunden ist und der Zugmitteltrieb TM achsparallel zur E-Motorenwelle angeordnet ist. Die Ketten- oder Riementriebe können in vorteilhafter Weise mit konventionellen Führungs- und/oder Spannschienen bzw. Umlenk- und/oder Spannrollen ausgestattet sein. Die Anbindung des Aggregats AUX1 an die Motorenwelle RS unter Einbindung des zweiten Schaltelements SE2 hat den Vorteil, dass die Momentenübertragung von E-Motor zu Aggregat AUX1 über einen kurzen Weg erfolgt und so Verluste reduziert werden. Der Elektromotor E oder die „E-Maschine“ sowie das Reduktionsgetriebe befinde sich innerhalb des Getriebegehäuses. Das Nebenaggregat AUX1 oder die Nebenaggregate AUX1, AUX2 sind außerhalb des Getriebegehäuses GH angeordnet, was einen vereinfachten Zugang zu diesen Komponenten ermöglicht.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1 und 2 ist das Nebenaggregat AUX1 gleichachsig koaxial über das zweite Schaltelement SE2 mit der Motorwelle lösbar verbunden. Das zweite Schaltelement SE2 kann sowohl aktiv, z.B. als Magnetkupplung, als auch passiv, z.B. Freilauf, koppelbar oder lösbar sein. Gleichzeitig ermöglicht dieses zweite Schaltelement SE2 die Entkopplung des E-Motors und des Aggregats, unabhängig voneinander oder auch gleichzeitig, vom Getriebe und damit vom Antriebsstrang des Fahrzeuges. Durch diese Funktionsintegration wird die Anzahl der Bauteile auf ein Minimum reduziert.
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Das erste und/oder das zweite Schaltelement SE1,SE2 können konstante oder variable Über-/Untersetzungsstufen enthalten, wie z.B. einen Planetenradsatz. Das jeweilige Schaltelement SE1,SE2 kann gleichzeitig dämpfende oder entkoppelnde Wirkung auf Antriebsstrang und/oder Aggregate haben, z.B. mittels eines Feder-Dämpfer-Elements ähnlich einem Zweimassenschwungrad. Das erste Schaltelement SE1 kann z.B. auch in den Innenbereich eines Zahnrades der Getriebestufe GR eingebunden sein.
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Die Darstellung nach 5 veranschaulicht die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in Verbindung mit ausgewählten Fahrzeugbetriebszuständen. Es sind hier drei Koppelfunktionen möglich. Die Koppelfunktion S1 führt zu einer Verbindung des Rotors mit dem Achsdifferentialgetriebe. Die Koppelfunktion S2 führt zu einer Verbindung des Nebenaggregats AUX mit dem Rotor. Die Koppelfunktion S3 führ zu einer Verbindung des Achsdifferentials mit dem Nebenaggregat.
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Die Anordnung kann so realisiert werden, dass die Koppelfunktionen S1 und S2 über das erste Schaltelement SE1 und die Koppelfunktion S3 über das zweite Schaltelement bereitgestellt wird. Dies ist in der Konzeptskizze K1 veranschaulicht. Alternativ hierzu kann die Anordnung auch so realisiert sein, dass über das erste Schaltelement SE nur die Koppelfunktion S1 bereitgestellt wird und die Koppelfunktionen S2 und S3 durch das zweite Schaltelement S2 realisiert werden. Dieser Ansatz ist in der Skizze K2 veranschaulicht.
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Grundsätzlich kann die Koppelfunktion S3 auch durch einen Freilauf bereitgestellt werden, da der Antrieb des Nebenaggregats über das Achsdifferentialgetriebe nur sinnvoll ist, wenn das Fahrzeug sich im Schubbetrieb befindet.
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Die beiden Schaltelemente SE1, SE2 sind so ausgelegt, dass diese drei Koppelfunktionen bereitstellen können. Die erste Koppelfunktion S1 ermöglicht wie oben angegeben einen Leistungstransfer vom Elektromotor E zum Achsdifferential AD. Die zweite Koppelfunktion ermöglicht einen Leistungstransfer vom Elektromotor E zum Nebenaggregat AUX1. Die dritte Koppelfunktion ermöglicht einen Leistungstransfer vom Achsdifferential AD zum Nebenaggregat AUX1. Die Koppelfunktionen S1, S2, S3 der Schaltelemente SE1, SE2 sind entsprechend den unterschiedlichen Betriebszuständen über die Tabellen T1 und T2 veranschaulicht.
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In dem in der Tabelle T1 angegebenen Betriebszustand 1 ist der Elektromotor E aktiv und das erste Schaltelement SE1 stellt die Koppelfunktion S1 bereit nach welcher das Drehmoment der Rotorwelle über die Reduktionsgetriebestufe GR zum Achsdifferential geführt wird. Soweit in diesem Zustand das Nebenaggregat AUX1 aktiv sein soll werden auch die Koppelfunktionen S2 und S3 bereitgestellt.
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Bei Schubbetrieb des Fahrzeuges gemäß dem Betriebszustand 2 in Tabelle T1 und Schubleistungsüberschuss wird die Koppelfunktion S1 und die Koppelfunktion S3 aktiviert. Nun erfolgt über den Elektromotor E eine Leistungskonversion im Rekuperationsbetriebsmodus und zudem ein mechanischer Antrieb des Nebenaggregats AUX1 direkt durch Leistungsabgriff aus dem Achsdifferential AD.
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Im sog. Segelbetrieb, also einem sanften Weiterlaufen des Fahrzeuges ohne signifikante Bremswirkung gemäß dem Betriebszustand 3 in Tabelle T1 werden die Koppelfunktionen S1, S2 aufgehoben und nur die Koppelfunktion S3 aktiviert. Nunmehr wird ohne elektrischen Leistungsbezug das Nebenaggregat AUX1 direkt durch das Achsdifferential AD getrieben.
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Im Standbetrieb des Fahrzeuges nach dem Betriebszustand 4 in der Tabelle T1 werden die Koppelfunktionen S1 und S3 deaktiviert und das Nebenaggregat wird über die Koppelfunktion S2 direkt durch den Elektromotor E angetrieben.
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Bei Stillstand des Fahrzeuges ohne Aktionsbedarf des Nebenaggregats AUX1, z.B. beim Parken. Wird der Elektromotor E abgeschaltet. In diesem Zustand können die Schaltelement SE1, SE2 beliebige Zustände einnehmen, da in diesem Zustand an sich keine bestimmte Koppelfunktion gefordert wird. Es ist jedoch möglich auch hier die Koppelfunktionen S1 und S3 zu aktivieren, um ein leicht erhöhtes Haltemoment, eine Bremswirkung bei unbeabsichtigtem Rollen und ggf. eine aktive Bremswirkung durch Ansteuerung des Elektromotors herbeizuführen.
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Die Koppelfunktionen S1, S2 können über ein formschlüssig koppelndes Schaltelement oder entsprechend aktivierbare Kupplungen bewerkstelligt werden. Die Koppelfunktion S3 kann auch durch einen Freilauf bewerkstelligt werden und sich damit im Schubbetrieb des Fahrzeuges selbsttätig ergeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist ein Getriebe vorgesehen, welches eingangsseitig mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor und abtriebsseitig mit mindestens einer Fahrzeugachse verbunden ist. Das Getriebe umfasst eine oder mehrere Wellen, in welche ein Planetenradsatz integriert sein kann oder welche mit Stirnradstufen oder Planetenradsätzen miteinander verbunden sind. An die Welle des Antriebsmotors, welche zum Getriebe führt ist, koaxial und parallel zu dieser ein Nebenaggregat wie z.B. Klimakompressor, Wasserpumpe o.ä. angebunden (1). Es ist aber auch eine Anbindung z.B. mittels Riemen möglich, wobei eine der Antriebsscheiben koaxial angebunden ist und der Zugmitteltrieb achsparallel zur E-Motorenwelle angeordnet ist (3). Falls erforderlich, kann der Riementrieb mit konventionellen Umlenk- und/oder Spannrollen ausgestattet sein. Die Anbindung des Aggregats an die Motorenwelle hat den Vorteil, dass die Momentenübertragung von E-Motor zu Aggregat über einen kurzen Weg erfolgt und so Verluste reduziert werden. Zumindest das/die Nebenaggregat(e), wahlweise auch die E-Maschine, sind dabei außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet. Dies ermöglicht die Verwendung bewährter FEAD-Nebenaggregate ohne die Notwendigkeit, diese z.B. hinsichtlich Ölverträglichkeit zu modifizieren und abzudichten. Gleichzeitig kann die Anbindung über konventionelle Keilrippen- oder Zahnriemen und dazugehörige Spannsysteme/Umlenkrollen erfolgen. Diese Variante stellt hinsichtlich Reibleistungsverlusten eine besonders vorteilhafte Lösung im Bereich der Umschlingungsgetriebe dar und bietet aufgrund der Elastizität der Riemen einen gewissen entkoppelnden Effekt verglichen mit Ketten- oder Zahnradantrieb. Sowohl das Nebenaggregat als auch der E-Motor sind koaxial jeweils über ein Schaltelement mit der Getriebeeingangswelle verbunden Dabei ist es über eines der zwei Schaltelemente auch möglich, die Verbindung zwischen Motor und Nebenaggregat zu lösen bzw. herzustellen, unabhängig vom Ankopplungszustand zur Getriebeeingangswelle. Die Schaltelemente können sowohl aktiv, z.B. Magnetkupplung, als auch passiv, z.B. Freilauf, koppelbar oder lösbar sein. Die Schaltelemente können konstante oder variable Über-/Untersetzungsstufen enthalten, wie z.B. einen Planetenradsatz. Die Schaltelemente können gleichzeitig dämpfende oder entkoppelnde Wirkung auf Antriebsstrang und/oder Aggregate haben, z.B. mittels eines Feder-Dämpfer-Elements ähnlich einem ZMS. Beide Schaltelemente können z.B. auch in einem Zahnrad einer Getriebestufe integriert sein ( 2). Die Schaltzustände der Elemente entsprechend den unterschiedlichen Betriebszuständen sind in der 5 für ein Beispiel näher erläutert. Das koaxial angebundene Nebenaggregat kann ebenfalls mit weiteren Nebenaggregaten, z.B. mittels Ketten- oder Zahnriementrieb, verbunden sein (4). Dabei können alle angebundenen Nebenaggregate an ihrer Antriebswelle zusätzlich ein weiteres Kupplungs- und/oder Dämpf- und/oder Entkopplungselement besitzen. Damit wird ein individueller Betrieb jedes einzelnen Aggregats abhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs und abhängig von den anderen Elementen ermöglicht. Gleichzeitig kann das Aggregat von Drehschwingungen des Antriebsstranges entkoppelt werden, was einen gleichmäßigeren und effizienteren Betrieb gewährleistet und/oder mögliche negative Auswirkungen des Anschaltvorganges auf den Triebstrang und damit indirekt auf das Fahrzeug vermeidet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012010171 A1 [0002]
