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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine, ein Schaltgetriebe mit drei Gängen, ein erstes, ein zweites und ein drittes Schaltelement sowie zwei miteinander gekoppelte Planetensätze. Die Erfindung betrifft auch eine Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit zwei Antriebsrädern und mindestens einer Antriebseinheit.
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Durch die
DE 10 2009 002 437 A1 wurde ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug in mehreren Varianten bekannt, wobei eine Variante gemäß
2 eine rein elektrisch antreibbare Hinterachse mit Einzelradantrieben, d. h. einem so genannten radindividuellen Antrieb aufweist. Jedem Antriebsrad ist eine elektrische Maschine mit nachgeschaltetem Schaltgetriebe zugeordnet, wobei beide Einzelradantriebe voneinander getrennt sind. Die Schaltgetriebe sind als Zwei-Gang-Getriebe ausgebildet und werden mittels einer Klauenschaltung geschaltet, d. h. während des Schaltvorganges tritt eine Zugkraftunterbrechung auf. Wird beispielsweise nur das Getriebe auf der rechten Seite, welches das rechte Rad antreibt, geschaltet, so tritt infolge der Zugkraftunterbrechung für das rechte Rad ein Giermoment um die Hochachse des Fahrzeuges auf, welches das Fahrzeug nach rechts zu lenken versucht. Um ein solches Giermoment zu vermeiden, werden die Schaltungen daher gleichzeitig auf beiden Seiten durchgeführt. Andererseits kann ein Giermoment, z. B. bei Kurvenfahrten erwünscht sein, um die Agilität des Fahrzeuges zu verbessern. In einem solchen Falle kann das Giermoment gezielt durch eine unterschiedliche Drehmomentverteilung am rechten und linken Antriebsrad erzeugt werden (so genanntes torque-vectoring).
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug der eingangs genannten Art die Antriebskomponenten, d. h. die elektrischen Maschinen und das Getriebe Raum und Gewicht sparend im Bereich der Antriebsachse anzuordnen.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 5, 13 und 21. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug eine elektrische Maschine und ein Dreigang-Schaltgetriebe, welches drei Schaltelemente sowie zwei miteinander gekoppelte Planetensätze aufweist. Die beiden Planetensätze sind über die Stegwelle des ersten Planetensatzes und die Hohlradwelle des zweiten Planetensatzes miteinander gekoppelt, d. h. fest miteinander verbunden. Der Antrieb durch die elektrische Maschine erfolgt über die Sonnenwelle des ersten Planetensatzes, während dessen Hohlradwelle gehäusefest angeordnet ist. Der Abtrieb des Dreigang-Schaltgetriebes erfolgt über die Stegwelle des zweiten Planetensatzes. Über die drei Schaltelemente können durch verschiedene Koppelungen der Getriebewellen drei Gänge geschaltet werden, wobei sich auch Neutralstellungen ergeben, in welchen die elektrische Maschine abgekoppelt ist. Der erste Gang wird durch Schließen des ersten Schaltelements eingelegt: dabei wird die zweite Sonnenwelle mit dem Gehäuse gekoppelt, d. h. festgesetzt. In diesem Falle laufen beide Planetensätze mit Festübersetzungen, welche durch Hintereinanderschaltung die Übersetzung des ersten Ganges ergeben. Durch Schließen des zweiten Schaltelements wird der zweite Planetensatz verblockt, d. h. er läuft als Block (mit einer Übersetzung von 1 : 1) um. Insofern ergibt sich die Übersetzung des zweiten Ganges aus der Festübersetzung des ersten Planetensatzes. Durch Schließen des dritten Schaltelements wird der dritte Gang geschaltet, indem die Sonnenwellen des ersten und des zweiten Planetensatzes miteinander gekoppelt werden. In diesem Falle ergibt sich ein Überlagerungsbetrieb, da beide Planetensätze zweifach miteinander gekoppelt sind. Die daraus resultierende Übersetzung ergibt die Übersetzung des dritten Ganges. Mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit, insbesondere mit dem Dreigang-Schaltgetriebe werden erhöhte Zugkraftanforderungen, welche insbesondere bei Nutzfahrzeugen auftreten, erfüllt. Das erfindungsgemäße Dreigang-Schaltgetriebe enthält die Option, durch Weglassen des zweiten Schaltelements, d. h. durch Weglassen der Verblockungsvariante des zweiten Planetensatzes ein Zweigang-Getriebe zu schaffen, was im Folgenden erläutert wird.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug eine elektrische Maschine und ein Zweigang-Schaltgetriebe, welches zwei Schaltelemente sowie zwei miteinander gekoppelte Planetensätze, welche im Aufbau den Planetensätzen des Dreigang-Schaltgetriebes entsprechen, aufweist.
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Zur Schaltung des ersten Ganges wird das erste Schaltelement (welches dem ersten Schaltelement des Dreigang-Getriebes entspricht) geschlossen, während zur Schaltung des zweiten Ganges das dritte Schaltelement, welches dem dritten Schaltelement des Dreigang-Getriebes entspricht geschlossen. Das zweite Schaltelement des Dreigang-Getriebes ist somit weggelassen worden, womit auch die Verblockungsvariante des zweiten Planetensatzes entfallen ist. Das Zweigang-Getriebe weist somit dieselbe Getriebespreizung wie das Dreigang-Getriebe auf, wobei sich zwischen dem ersten und dem zweiten Gang ein größerer Gangsprung ergibt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltelemente als unsynchronisierte Klauen ausgebildet. Dies hat zur Folge, dass während des Schaltvorganges eine Zugkraftunterbrechung auftritt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen sowohl das Zweigang- als auch das Dreigang-Getriebe Neutralstellungen auf, in welchen keines der drei bzw. zwei Schaltelemente geschlossen ist. In diesen Neutralstellungen ist die elektrische Maschine abgekoppelt - damit ist ein freies Rollen des Elektrofahrzeuges ohne den Widerstand der mitdrehenden elektrischen Maschine möglich.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltelemente, d. h. drei Schaltelemente beim Dreigang-Getriebe oder zwei Schaltelemente beim Zweigang-Getriebe in eine Schiebemuffe integriert, welche auf der Sonnenwelle des zweiten Planetensatzes verschiebbar ist. Die Sonnenwelle des zweiten Planetensatzes ist an allen Schaltkombinationen beteiligt, insofern können alle Schaltstellungen einschließlich der Neutralstellungen auf einer Welle und in einer Richtung nacheinander durchfahren werden, was den Schaltmechanismus vereinfacht und darüber hinaus eine Synchronisation möglich macht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Planetensätze, die koaxial zur Rotationsachse der elektrischen Maschine angeordnet sind, innerhalb des Hohlraumes des Rotors raumsparend angeordnet werden. Insbesondere wird dadurch Bauraum in axialer Richtung gespart, da die elektrische Maschine und das Schaltgetriebe nicht in Axialrichtung nebeneinander, sondern in radialer Richtung ineinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine kompakte Bauweise.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit zwei Antriebsrädern eine erste und eine zweite Antriebseinheit der zuvor beschriebenen Art auf. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit wird somit zweifach in einer Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges verbaut, und zwar als radindividueller Antrieb, wobei die erste Antriebseinheit das erste Antriebsrad und die zweite Antriebseinheit das zweite Antriebsrad jeweils unabhängig voneinander antreiben. Da bei einer Klauenschaltung eine Zugkraftunterbrechung auftritt, müssen die Gänge auf beiden Seiten zur Vermeidung eines Giermoments gleichzeitig geschaltet werden. Andererseits kann bei dem radindividuellen Antrieb das eingangs erwähnte torque vectoring genutzt werden, indem beide Antriebseinheiten eine unterschiedliche Drehmomentverteilung am rechten und am linken Rad bewirken. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beide elektrischen Maschinen relativ dicht nebeneinander angeordnet sind, so dass sich die Möglichkeit einer gemeinsamen Kühlung der Statoren der elektrischen Maschinen ergibt. Auch die gemeinsame gehäusefeste Anordnung beider Hohlräder ergibt Bauraumvorteile.
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Nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind zwischen den Schaltgetrieben und den Antriebsrädern jeweils feste Übersetzungsstufen, auch Konstantübersetzungsstufen genannt, vorzugsweise in einem radnahen Bereich vorgesehen. Damit wird eine weitere Übersetzung der Drehzahlen der elektrischen Maschinen ins Langsame erreicht. Die Konstantübersetzungsstufen können als weitere Planetensätze mit koaxialem An- und Abtrieb ausgebildet sein oder als Standgetriebe mit einem Achsversatz zwischen An- und Abtrieb - in diesem Falle handelt es sich um so genannte Portalachsen. Der Vorteil dieser Portalachsen besteht darin, dass das Fahrzeug eine größere Bodenfreiheit erhält. Da die Rotationsachsen der elektrischen Maschinen somit oberhalb der Radachsen angeordnet sind, können die Durchmesser der elektrischen Maschinen größer gewählt werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Konstantübersetzungsstufe mit Achsversatz als Planetensatz mit festgehaltenem Steg ausgebildet, wobei der Antrieb über ein Planetenrad und der Abtrieb über das Hohlrad erfolgt. Aufgrund des Leistungsflusses über mehrere Planetenräder ergibt sich als Vorteil auch eine Leistungsteilung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Konstantübersetzungsstufe mit Achsversatz als Stirnrad-Standgetriebe mit Zwischenrädern ausgebildet. Damit werden ein größerer Achsversatz und eine Leistungsteilung erreicht.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit zwei Antriebsrädern eine Antriebseinheit der zuvor beschriebenen Art und ein Achsdifferenzial auf, über welches die beiden Antriebsräder angetrieben werden. Das Gehäuse des Achsdifferenzials wird von der Abtriebswelle des Schaltgetriebes, also der zweiten Stegwelle angetrieben, und die Ausgangswellen des Differenzials treiben die Antriebsräder an, wobei die Konstantübersetzungsstufen bevorzugt im radnahen Bereich angeordnet oder in die Antriebsräder integriert sind. Ebenso kann diese Antriebsachse mit einer Antriebseinheit auch als Portalachse ausgeführt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist bei dem Dreigang-Schaltgetriebe vorgesehen, dass das zweite Schaltelement auf Seiten des Achsdifferenzials angeordnet und dass bei geschlossenem zweitem Schaltelement die zweite Stegwelle mit der zweiten Hohlradwelle gekoppelt ist. Damit ergibt sich eine weitere Verblockungsvariante.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Schaltelement zwischen dem ersten und dem zweiten Planetensatz angeordnet. Bei geschlossenem zweiten Schaltelement sind die zweite Sonnenwelle und die zweite Hohlradwelle miteinander gekoppelt, wodurch sich eine weitere Verblockungsvariante ergibt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Abtriebswelle des Schaltgetriebes und dem Differenzial eine Konstantübersetzungsstufe angeordnet, die vorzugsweise als dritter Planetensatz ausgebildet ist, wobei die Hohlradwelle festgehalten, der Antrieb über die Sonnenwelle und der Abtrieb über die Stegwelle auf die Antriebsräder erfolgt. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist, dass für die Gesamtübersetzung nur drei Planetensätze benötigt werden, die kompakt im Bereich oder innerhalb der elektrischen Maschine und vor dem Differenzial angeordnet werden können.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist bei einer Antriebsachse mit zwei Antriebseinheiten ein Achsdifferenzial vorgesehen. Damit liegt kein radindividueller Antrieb mehr vor. Vielmehr sind beide Antriebseinheiten dahingehend durch das Achsdifferenzial miteinander verbunden, dass beide Abtriebswellen, sei es von einem Dreigang-, sei es von einem Zweigang-Getriebe, das Gehäuse des Differenzials gemeinsam antreiben. Der Vorteil, der sich durch das Differenzial ergibt, besteht darin, dass eine Lastschaltung möglich ist, d. h. die Schaltungen erfolgen ohne Zugkraftunterbrechungen. Die Schaltungen auf der rechten und der linken Seite erfolgen zeitlich versetzt, so dass die elektrische Maschine, die nicht an der Schaltung beteiligt ist, jeweils die andere elektrische Maschine, auf deren Seite die Schaltung durchgeführt wird, stützt. Somit steht während des gesamten Schaltvorganges ein Drehmoment an beiden Antriebsrädern zur Verfügung. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, eine oder beide elektrischen Maschinen abzukoppeln. Wird eine elektrische Maschine abgekoppelt, kann die andere, nicht abgekoppelte elektrische Maschine in einem günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Werden beide elektrischen Maschinen abgekoppelt, besteht die Möglichkeit des so genannten Segelbetriebs, d. h. es ist ein freies Rollen ohne Schleppwiderstand durch die Rotoren der elektrischen Maschinen möglich.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Anordnung der beiden Planetensätze in axialer Richtung getauscht werden, so dass die ersten Planetensätze innen und die zweiten Planetensätze außen angeordnet sind. Bei dieser Anordnung liegen auch die Schaltelemente im mittleren Bereich, d. h. unmittelbar benachbart zur Mittelebene. Ebenso können die Aktuatoren im mittleren Bereich angeordnet werden, so dass der Bauraum zwischen den beiden elektrischen Maschinen für die Schaltelemente und die Aktuatoren genutzt werden kann. Vorzugsweise können die Aktuatoren auch in einer gemeinsamen Radialebene, insbesondere der Mittelebene angeordnet werden, wodurch Bauraum in axialer Richtung eingespart wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
- 1 eine erfindungsgemäße Antriebseinheit mit einer elektrischen Maschine und einem Dreigang-Schaltgetriebe,
- 2 eine Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit radindividuellem Antrieb durch zwei Antriebseinheiten,
- 3 eine Antriebsachse mit radindividuellem Antrieb als Portalachse mit Hohlrad-Konstantübersetzungsstufe,
- 4 eine Antriebsachse mit radindividuellem Antrieb als Portalachse mit Stirnrad-Standgetriebe,
- 5 eine Antriebsachse mit einer Antriebseinheit und Differenzial,
- 6 eine Antriebsachse mit einer Antriebseinheit und Dreigang-Schaltgetriebe mit einer ersten Verblockungsvariante,
- 7 eine Antriebsachse mit Antriebseinheit und Dreigang-Schaltgetriebe mit einer zweiten Verblockungsvariante,
- 8 eine Antriebsachse mit einer Antriebseinheit mit Zweigang-Schaltgetriebe und Differenzial,
- 9 eine Antriebsachse mit einer Antriebseinheit mit Dreigang-Schaltgetriebe und einer abtriebsseitigen Konstantübersetzungsstufe vor dem Differenzial,
- 10 eine Antriebsachse mit zwei Antriebseinheiten, Differenzial und lastschaltbaren Schaltgetrieben und
- 11 eine Antriebsachse wie in 10, jedoch mit getauschten Planetensätzen und nach innen verlagerten Schaltelementen.
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1 zeigt eine Antriebseinheit 1 für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, im Folgenden auch Elektrofahrzeug genannt. Die Antriebseinheit 1 umfasst eine elektrische Maschine EM, welche einen gehäuse- oder ortsfesten Stator EMS sowie einen Rotor EMR mit einer Antriebswelle 1a aufweist, sowie ein Dreigang-Schaltgetriebe G3 mit einem ersten Schaltelement A, einem zweiten Schaltelement B und einem dritten Schaltelement C. Das Dreigang-Schaltgetriebe G3, im Folgenden auch kurz Schaltgetriebe G3 genannt, umfasst einen ersten Planetensatz PS1 und einen zweiten Planetensatz PS2, welcher mit dem ersten Planetensatz PS1 gekoppelt ist. Der erste Planetensatz PS1 weist drei Wellen, nämlich eine erste Sonnenwelle SO1, eine gehäusefest angeordnete erste Hohlradwelle HR1 sowie eine erste Stegwelle ST1 auf. Die gehäusefeste Anordnung ist in der Zeichnung jeweils durch drei Schraffurstriche ohne Bezugszahl angedeutet. Der zweite Planetensatz PS2 weist ebenfalls drei Wellen, nämlich eine zweite Sonnenwelle SO2, eine zweite Hohlradwelle HR2 sowie eine zweite Stegwelle ST2 auf. Der erste Planetensatz PS1 ist über die erste Stegwelle ST1 und die zweite Hohlradwelle HR2 mit dem zweiten Planetensatz PS2 gekoppelt, d. h. fest verbunden und wird über die erste Sonnenwelle SO1 von der Antriebswelle 1a des Rotors EMR angetrieben. Der Abtrieb des Schaltgetriebes G3 erfolgt über die zweite Stegwelle ST2, welche auch als Abtriebswelle ST2 des Schaltgetriebes G3 bezeichnet wird. Die beiden Sonnenwellen SO1, SO2 sind als Hohlwellen ausgebildet, und die Abtriebswelle ST2 ist durch die beiden Hohlwellen SO1, SO2 hindurchgeführt. Die Antriebseinheit 1 weist eine rotatorische Symmetrieachse m auf; die Zeichnung zeigt lediglich die „obere“ Hälfte der Antriebseinheit 1, die nicht dargestellte untere Hälfte ist symmetrisch zur oberen ausgebildet. Über die drei Schaltelemente A, B, C können drei Gänge geschaltet werden, wobei folgende Gangstufen und Schaltkombinationen möglich sind:
- Das erste Schaltelement A, über welches der erste Gang eingelegt wird, verbindet die zweite Sonnenwelle SO2 mit dem Gehäuse, so dass beide Planetensätze PS1, PS2 jeweils mit einer festen Übersetzung laufen, welche, miteinander multipliziert, die Übersetzung des ersten Ganges ergeben.
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Das zweite Schaltelement B, durch welches der zweite Gang geschaltet wird, verblockt den zweiten Planetensatz PS2, wobei zwei der drei Wellen SO2, HR2, ST2 miteinander verbunden werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Sonnenwelle SO2 mit der zweiten Stegwelle ST2 gekoppelt. Durch die Verblockung läuft der zweite Planetensatz PS2 um, d. h. mit einer Übersetzung von 1 : 1, so dass sich die Übersetzung des zweiten Ganges aus der festen Übersetzung des ersten Planetensatzes PS1 ergibt.
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Das dritte Schaltelement C, durch welches der dritte Gang eingelegt wird, verbindet die zweite Sonnenwelle SO2 mit der ersten Sonnenwelle SO1. Damit ergibt sich eine zweifache Koppelung des ersten und des zweiten Planetensatzes PS1, PS2, wodurch sich ein Überlagerungsbetrieb des ersten und des zweiten Planetensatzes PS1, PS2 mit geringerer Übersetzung für den dritten Gang ergibt.
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Die Schaltelemente A, B, C sind vorzugsweise als unsynchronisierte Klauen ausgebildet, wobei grundsätzlich auch reibschlüssige, synchronisierte Schaltelemente für die beschriebenen Schaltfunktionen verwendbar sind. Das Schaltgetriebe G3 weist neben den drei Schaltstellungen, in welchen entweder das Schaltelement A oder das Schaltelement B oder das Schaltelement C geschlossen sind, zwei Neutralstellungen auf, in welchen die elektrische Maschine EM vom Schaltgetriebe G3 abgekoppelt werden kann. Dies ermöglicht einen so genannten Segelbetrieb, d. h. ein freies Rollen des Elektrofahrzeuges ohne Verluste der mitdrehenden elektrischen Maschine EM. Wie auch aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist der Rotor EMR der elektrischen Maschine EM einen zylindrischen Hohlraum auf, in welchem die Planetensätze PS1, PS2 raumsparend angeordnet werden können; insbesondere wird dabei Bauraum in axialer Richtung eingespart.
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Wie oben ausgeführt, ist die zweite Sonnenwelle SO2 des zweiten Planetensatzes PS2 bei allen Schaltstellungen beteiligt - daher können alle Schaltelemente, also das erste, das zweite und das dritte Schaltelement A, B, C in eine einzige Schiebemuffe SM, welche in allen Schaltstellungen mit der zweiten Sonnenwelle SO2 drehfest verbunden ist, integriert werden. Die Schiebemuffe SM wird durch einen nicht dargestellten Aktuator betätigt. Da die Gänge 1 bis 3 durch Verschieben der Schiebemuffe SM in einer Richtung, jeweils über Neutralstellungen, nacheinander geschaltet werden können, ergibt sich die Möglichkeit der Synchronisation der Schaltelemente. Aufgrund der als Klauen ausgebildeten Schaltelemente erfolgen die Schaltungen mit Zugkraftunterbrechung. Wie bereits erwähnt, bildet die Abtriebswelle, d. h. die Stegwelle ST2 des zweiten Planetensatzes PS2 eine Innenwelle innerhalb der beiden als Hohlwellen ausgebildeten Sonnenwellen SO1, SO2, woraus sich eine gute Lagerbasis für die Hohlwellen SO1, SO2 ergibt.
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Das zuvor beschriebene Dreigang-Schaltgetriebe G3 kann durch Weglassen des zweiten Schaltelements B, durch welches der zweite Planetensatz PS2 verblockt wird, in ein Zweigang-Getriebe G2 (vgl. 8) umgewandelt werden, wobei die Spreizung der Übersetzungen beibehalten wird und der mittlere oder zweite Gang heraus fällt. Zwischen dem ersten und dem zweiten Gang des Zweigang-Getriebes besteht damit ein relativ großer Stufensprung.
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Die zuvor beschriebene Antriebseinheit 1 kann - wie im Folgenden ausführlich erläutert wird - als einzelne Antriebseinheit, welche zwei Antriebsräder antreibt, oder als zweifache Antriebseinheit, welche jeweils ein einzelnes Antriebsrad antreibt, eingesetzt werden, und zwar mit Dreigang- oder Zweigang-Schaltgetriebe.
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2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 2 eines Elektrofahrzeuges mit einem ersten Antriebsrad R1 und einem zweiten Antriebsrad R2, wobei das erste Antriebsrad R1 von einer ersten elektrischen Maschine EM1 über ein erstes Dreigang-Schaltgetriebe G31 und das zweite Antriebsrad R2 von einer zweiten elektrischen Maschine EM2 und einem zweiten Dreigang-Schaltgetriebe G32 angetrieben werden, welche jeweils der Antriebseinheit 1 gemäß 1 entsprechen. Beide Antriebsseiten, die rechte und die linke, welche symmetrisch zu einer Mittelebene E angeordnet und spiegelbildlich aufgebaut sind, weisen dieselben Übersetzungen auf. Die beiden Planetensätze PS1, PS2 sind daher auch auf beiden Seiten identisch bezeichnet. Bei der Antriebsachse 2 wird jedes Antriebsrad durch einen eigenen Elektromotor und ein eigenes Schaltgetriebe angetrieben - es handelt sich somit um einen radindividuellen Antrieb. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind - wie erwähnt - beide Schaltgetriebe G31, G32 als Dreigang-Getriebe ausgebildet, wobei die jeweiligen Schaltelemente (hier ohne Bezugszeichen) außen, d. h. auf Seiten der Antriebsräder R1, R2 angeordnet und durch erste und zweite Aktuatoren AK1, AK2 betätigbar sind. Beide Antriebseinheiten liegen somit in axialer Richtung gesehen relativ dicht nebeneinander, so dass sich für die elektrischen Maschinen EM1, EM2 die Möglichkeit einer gemeinsamen Kühlung ergibt. Die beiden Hohlradwellen HR1 des ersten und des zweiten Schaltgetriebes G31, G32 sind gemeinsam an einem Gehäuse abgestützt.
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Zwischen den Schaltgetrieben G31, G32 und den Antriebsrädern R1, R2 sind jeweils feste Übersetzungsstufen, ausgebildet als dritte Planetensätze PS3, angeordnet, welche für eine weitere Übersetzung der Drehzahlen der elektrischen Maschinen EM1, EM2 ins Langsame vorgesehen sind. Die Abtriebswelle ST2 treibt dabei die Sonnenwelle des dritten Planetensatzes PS3 an, dessen Hohlwelle HR3 festgehalten ist, und der Abtrieb erfolgt über die Stegwelle, welche (links) mit 2a und (rechts) mit 2b bezeichnet ist und jeweils ein Antriebsrad R1, R2 antreibt. Die dritten Planetensätze PS3 sind in einem radnahen Bereich angeordnet und können vorzugsweise in die Radnaben der Antriebsräder R1, R2 integriert werden.
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Da beide Antriebe für das rechte und das linke Antriebsrad völlig getrennt sind, ist es sinnvoll, dass auf beiden Seiten jeweils mit dem selben Gang gefahren wird, damit auf beiden Seiten jeweils das gleiche Drehmoment an den Antriebsrädern R1, R2 wirkt. Anderenfalls würde sich ein Giermoment (Moment um die Hochachse des Fahrzeuges) ergeben, welches durch Gegensteuern ausgeglichen werden müsste. Der Gangwechsel sollte - zumindest bei Geradeausfahrt - auf beiden Seiten gleichzeitig erfolgen, da er mit einer Zugkraftunterbrechung verbunden ist. Bei nicht gleichzeitigem Gangwechsel würde sich ebenfalls ein störendes Giermoment einstellen. Der radindividuelle Antrieb kann allerdings vorteilhaft auch für ein so genanntes torque vectoring genutzt werden, um das Fahrzeug agiler zu machen, beispielsweise um bei einer Kurvenfahrt durch unterschiedliche Antriebsmomente rechts und links eine Tendenz zum Übersteuern zu erreichen.
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3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 3, welche dieselben Antriebseinheiten wie die Antriebsachse 2 (2), d. h. zwei symmetrisch angeordnete elektrische Maschinen EM1, EM 2 mit Dreigang-Schaltgetrieben G31, G32 aufweist, allerdings als so genannte Portalachse ausgebildet ist. Für gleiche Teile werden gleiche Bezugszeichen wie zuvor verwendet. Die feste Übersetzungsstufe, welche in 2 als dritter Planetensatz PS3 mit koaxialem An- und Abtrieb ausgebildet ist, ist in 3 durch zwei radnahe Standgetriebe 30 ersetzt, bei welchen die Abtriebswellen 2a, 2b, die identisch mit den Radachsen a1, a2 sind, gegenüber den Antriebswellen ST2 einen Achsversatz v aufweisen. Durch den Achsversatz v wird eine größere Bodenfreiheit für das Elektrofahrzeug erreicht.
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Das Standgetriebe 30 ist als Planetensatz mit einem feststehenden Steg 31, einem umlaufenden Hohlrad 32, mehreren Planetenrädern 33 und einem Sonnenrad 34 ausgebildet. Der Antrieb erfolgt über eines der Planetenräder 33, der Abtrieb über das Hohlrad 32. Durch die Planetenräder 33, von denen mehrere auf dem Umfang angeordnet sind, wird eine vorteilhafte Leistungsteilung erreicht. Aufgrund der größeren Bodenfreiheit können elektrische Maschinen mit größerem Durchmesser verwendet werden.
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4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 4, welche die gleichen Antriebseinheiten wie in 2 und 3 aufweist, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie zuvor verwendet werden. Die Antriebsachse 4 ist ebenfalls als Portalachse ausgebildet, allerdings mit einer unterschiedlichen Übersetzungsstufe, welche als Stirnrad-Standgetriebe 40 ausgebildet ist und einen Achsversatz u zwischen den Antriebswellen ST2 und den Abtriebswellen 2b aufweist. Das Standgetriebe 40 umfasst ein auf der Antriebswelle ST2 drehfest angeordnetes Antriebszahnrad Z1, ein auf der Abtriebswelle 2a, 2b angeordnetes Abtriebszahnrad Z2 sowie zwei Zwischenräder Z3, Z4, welche jeweils mit dem Antriebszahnrad Z1 und dem Abtriebszahnrad Z2 in Eingriff stehen. Ein Räderschema für die Anordnung der Zahnräder Z1, Z2, Z3, Z4 in einer Radialebene ist in der Zeichnung oben rechts dargestellt. Durch die Zwischenräder Z3, Z4 wird einerseits eine Leistungsteilung und andererseits ein relativ großer Achsversatz u, welcher größer als der Achsversatz v des Standgetriebes 30 in 3 ist, erreicht.
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5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 5 mit einer Antriebseinheit, welche der Antriebseinheit 1 gemäß 1 entspricht und eine elektrische Maschine EM sowie ein Dreigang-Schaltgetriebe G3 aufweist. Zwischen dem Ausgang des Schaltgetriebes G3, d. h. der zweiten Stegwelle ST2 und den beiden Antriebsrädern R1, R2 ist ein Achsdifferenzial DI, auch kurz Differenzial DI genannt, angeordnet. Das Differenzial DI weist ein Gehäuse, genannt Differenzialkorb DIK, auf, welcher von der zweiten Stegwelle ST2 angetrieben wird. Die Ausgangswellen 3a, 3b des Differenzials DI sind mit den Eingängen einer radnahen, festen Übersetzungsstufe, ausgebildet als dritter Planetensatz PS3, verbunden. Der Abtrieb der dritten Planetensätze PS3 erfolgt über die als Stegwellen ausgebildeten Abtriebswellen 2a, 2b auf die Antriebsräder R1, R2. Die Antriebsachse 5 ist rotationssymmetrisch zu den Differenzialausgangswellen 3a, 3b und den Radachsen a1, a2 ausgebildet, jedoch in Bezug auf die axiale Erstreckung unsymmetrisch aufgebaut: beispielsweise ist das Differenzial DI außermittig angeordnet. Das Schaltgetriebe G3 mit den beiden Planetensätzen PS1, PS2 kann innerhalb der elektrischen Maschine EM raumsparend angeordnet werden, möglicherweise auch das Differenzial DI. Dadurch wird insbesondere Bauraum in axialer Richtung eingespart. Die Antriebsachse 5 kann auch - wie dies in den Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4 dargestellt ist - als Portalachse mit erhöhter Bodenfreiheit ausgeführt werden. Hierzu sind die dritten Planetensätze PS3 durch Standgetriebe mit Achsversatz auszutauschen.
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6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 6, welche im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 5, d. h. der Antriebsachse 5 entspricht und eine elektrische Maschine EM mit Dreigang-Schaltgetriebe G3 aufweist, welches bezüglich der Anordnung der Schaltelemente modifiziert ist. Während bei der Antriebsachse 5 gemäß 5 alle drei Schaltelemente A, B, C auf der in der Zeichnung links angeordneten Seite des Schaltgetriebes G3 angeordnet sind und die zweite Stegwelle ST2 durch die beiden Hohlwellen hindurchgeführt ist, ist bei der Antriebsachse 6 das Schaltelement B auf die in der Zeichnung rechte Seite des Schaltgetriebes G3 verlegt, d. h. in unmittelbare Nähe des Differenzials DI. Die Darstellung für das Schaltelement B in 6 zeigt eine Verblockungsvariante für den zweiten Planetensatz PS2, wobei die zweite Hohlradwelle HR2 mit der zweiten Stegwelle ST2 gekoppelt, d. h. verblockt ist. Der zweite Planetensatz PS2 läuft also bei geschlossenem Schaltelement B, was dem zweiten Gang entspricht, als Block um, so dass die Übersetzung für den zweiten Gang durch die feste Übersetzung des ersten Planetensatzes PS1 bestimmt ist. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Abtriebswelle ST2 nicht durch die beiden Hohlwellen hindurchgeführt werden muss, wodurch sich ein Bauraumgewinn in radialer Richtung ergibt. Darüber hinaus kann der Bauraum am Umfang des Differenzialkorbs DIK für die Anordnung des Schaltelements B genutzt werden. Die beiden als dritte Planetensätze PS3 ausgebildeten festen Übersetzungsstufen weisen einen koaxialen An- und Abtrieb auf, so dass die Radachsen a1, a2 mit den Achsen der Differenzialausgangswellen 3a, 3b zusammenfallen. Alternativ kann die Antriebsachse 6 auch als Portalachse entsprechend den vorherigen Ausführungsbeispielen ausgeführt werden, indem für die festen Übersetzungsstufen Standgetriebe mit einem Achsversatz zwischen An- und Abtrieb verwendet werden.
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7 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 7, welche im Wesentlichen der Antriebsachse 5 und 6 gemäß 5 und 6 entspricht, d. h. nur eine Antriebseinheit, bestehend aus einer elektrischen Maschine EM und einem Schaltgetriebe G3, aufweist. Unterschiedlich ist hier die Anordnung des Schaltelements B, welches zwischen dem ersten Planetensatz PS1 und dem zweiten Planetensatz PS2 angeordnet ist. Bei geschlossenem Schaltelement B ist die zweite Hohlradwelle HR2 mit der zweiten Sonnenwelle SO2 des zweiten Planetensatzes PS2 gekoppelt - damit wird eine weitere Verblockungsvariante für den zweiten Planetensatz PS2 realisiert. Die als Stegwelle ST2 ausgebildete Abtriebswelle ist direkt mit dem Differenzialkorb DIK verbunden und muss somit nicht als Innenwelle durch die Hohlwelle SO2 hindurchgeführt werden. Auch die Antriebsachse 7 kann - wie zuvor beschrieben - als Portalachse ausgeführt werden.
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8 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 8 mit einer Antriebseinheit, welche eine elektrische Maschine EM und ein Zweigang-Schaltgetriebe G2 umfasst. Wie bereits eingangs bei der Beschreibung der Antriebseinheit 1 gemäß 1 erwähnt, kann das dort dargestellte Dreigang-Getriebe G3 durch Weglassen des zweiten oder mittleren Schaltelements B in ein Zweigang-Getriebe G2 umgewandelt werden, welches in 8 dargestellt ist. Die beiden Schaltelemente A, C, über welche der erste und der zweite Gang geschaltet werden, sind in der Zeichnung links neben dem Schaltgetriebe G2 auf Seiten des linken Antriebsrades R1 angeordnet. Bei geschlossenem Schaltelement A wird die zweite Sonnenwelle SO2 mit dem Gehäuse verbunden, so dass beide Planetensätze PS1, PS2 mit einer festen Übersetzung laufen. Die hintereinander geschalteten festen Übersetzungen ergeben die Übersetzung des ersten Ganges. Der zweite Gang wird durch Schließen des Schaltelements C gebildet, wodurch beide Sonnenwellen SO1, SO2 miteinander gekoppelt werden - dadurch ergibt sich ein Überlagerungsbetrieb der beiden Planetensätze PS1, PS2, woraus die Übersetzung für den zweiten Gang resultiert. Der Gangsprung bzw. die Getriebespreizung zwischen dem ersten und dem zweiten Gang beim Zweigang-Getriebe ist somit derselbe wie zwischen dem ersten und dritten Gang beim Dreigang-Getriebe G3 (1). Das Zweigang-Getriebe G2 weist einen kürzeren Schaltweg für die Schiebemuffe SM auf, da es nur drei Schaltstellungen, nämlich „A“, Neutral und „C“ gibt. Die Abtriebswelle des Zweigang-Schaltgetriebes G2, die zweite Stegwelle ST2, ist direkt mit dem Differenzialkorb DIK verbunden, so dass die Ausführung als Innenwelle innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten zweiten Sonnenwelle SO2 entfällt. Die hier dargestellte Variante für ein Zweigang-Getriebe G2 ist grundsätzlich für alle bisherigen Ausführungsbeispiele mit dem Dreigang-Schaltgetriebe G3 kompatibel, d. h. das Dreigang-Getriebe G3 kann bedarfsweise durch das Zweigang-Getriebe G2 ersetzt werden, indem das Schaltelement B weggelassen wird.
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9 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 9 mit einer Antriebseinheit, welche eine elektrische Maschine EM, ein Dreigang-Getriebe G3 und einen nachgeschalteten Planetensatz PS3 als Konstantübersetzung umfasst. Die Schaltelemente (ohne Bezugszahl) sind auf Seiten des linken Antriebsrades R1 angeordnet und werden über eine Schiebemuffe SM und einen Aktuator AK betätigt. Der dritte Planetensatz PS3 weist eine angetriebene dritte Sonnenwelle SO3, eine abtreibende Stegwelle ST3 und eine festgehaltene Hohlradwelle HR3 auf. Die dritte Sonnenwelle SO3 ist fest mit der zweiten Stegwelle ST2 des zweiten Planetensatzes PS2 verbunden. Vorteilhaft hierbei ist, dass nur eine feste Übersetzungsstufe PS3 benötigt wird, welche, in Kraftflussrichtung gesehen, vor dem Differenzial DI angeordnet ist. Insgesamt werden also nur drei Planetensätze für den gesamten Achsantrieb der Antriebsachse 9 benötigt.
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10 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 10 mit zwei Antriebseinheiten, wie als Antriebsachse 2 in 2 dargestellt, jedoch zusätzlich mit einem Differenzial DI, welches gemeinsam von den beiden zweiten Stegwellen ST2 der zweiten Planetensätze PS2 (auf der rechten und der linken Seite) angetrieben wird. Die beiden Ausgangswellen 3a, 3b des Differenzials DI sind mit den festen Übersetzungsstufen, ausgebildet als dritte Planetensätze PS3, verbunden. Somit treiben beide elektrischen Maschinen EM1, EM2 über das Differenzial DI beide Antriebsräder R1, R2 an. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass beide Schaltgetriebe G31, G32 lastschaltbar sind, d. h. eine Schaltung der einzelnen Gänge erfolgt ohne Zugkraftunterbrechung. Möglich ist, dass auf der rechten und auf der linken Seite mit unterschiedlichen Gängen gefahren wird, da ein Ausgleich über das Differenzial DI erfolgt. Ferner ist es möglich und sinnvoll, dass nicht gleichzeitig auf beiden Seiten, sondern zeitlich versetzt geschaltet wird, wobei jeweils die elektrische Maschine, welche nicht an der Schaltung beteiligt ist, die andere Seite stützt. Wird beispielweise auf der linken Seite, d. h. im Schaltgetriebe G31 der zweite Gang eingelegt, so ergibt sich auf der linken Seite eine Zugkraftunterbrechung, während jedoch der Kraftfluss auf der rechten Seite von der zweiten elektrischen Maschine EM2 über das zweite Schaltgetriebe G32 zum Differenzial DI nicht unterbrochen ist, d. h. die zweite elektrische Maschine EM2 auf der rechten Seite stützt während des Schaltvorganges auf der linken Seite. Analog erfolgt dies bei einer Schaltung auf der rechten Seite, wobei durch die linke Seite gestützt wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Schaltelemente (ohne Bezugszahl) sowie die beiden Aktuatoren AK1, AK2 außen angeordnet, d. h. auf Seiten der Antriebsräder R1, R2. Die elektrischen Maschinen EM1, EM2 liegen somit relativ dicht nebeneinander, so dass die beiden Planetensätze PS1, PS2 und möglicherweise auch das Differenzial DI innerhalb der elektrischen Maschinen EM1, EM2 raumsparend untergebracht werden können. Auch die Antriebsachse 10 kann - analog zu den zuvor dargestellten und erläuterten Ausführungsbeispielen - als Portalachse ausgeführt werden, womit sich eine größere Bodenfreiheit ergibt.
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Ferner besteht die Möglichkeit, dass eine oder beide elektrischen Maschinen EM1, EM in Neutralstellung der Schaltelemente abgekoppelt werden können. Somit kann bei geringerer Lastanforderung nur mit einer elektrischen Maschine gefahren werden, welche dann in einem günstigeren Wirkungsgradbereich betrieben werden kann, was eine Einsparung an Antriebsleistung bedeutet. Andererseits ist bei Abschaltung beider elektrischen Maschinen EM1, EM2 ein so genannter Segelbetrieb, d. h. ein freies Rollen des Fahrzeuges ohne die Verluste der mitdrehenden elektrischen Maschinen möglich.
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11 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 11, welche der Antriebsachse 10 gemäß 10 im Wesentlichen entspricht, d. h. zwei Antriebseinheiten mit zwei elektrischen Maschinen EM1, EM2 und zwei Dreigang-Schaltgetrieben G31, G32 aufweist. Unterschiedlich ist hier, dass die Schaltelemente (ohne Bezugszahl) und die zugehörigen Aktuatoren AK1, AK2 mittig, d. h. im Bereich der Mittelebene E angeordnet sind. Darüber hinaus sind die ersten und zweiten Planetensätze PS1, PS2 in axialer Richtung vertauscht, so dass die beiden ersten Planetensätze PS1 innen (benachbart zur Mittelebene E) und die beiden zweiten Planetensätze PS2 außen angeordnet sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass der Bauraum zwischen den beiden elektrischen Maschinen EM1, EM2 für die Anordnung des Differenzials DI, der Schaltelemente sowie der Aktuatoren, welche vorzugsweise auch in einer gemeinsamen Radialebene angeordnet sein können, genutzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 1a
- Antriebswelle
- 2
- Antriebsachse
- 2a
- Abtriebswelle
- 2b
- Abtriebswelle
- 3
- Antriebsachse
- 3a
- Ausgangswelle Differenzial
- 3b
- Ausgangswelle Differenzial
- 4
- Antriebsachse
- 5
- Antriebsachse
- 6
- Antriebsachse
- 7
- Antriebsachse
- 8
- Antriebsachse
- 9
- Antriebsachse
- 10
- Antriebsachse
- 11
- Antriebsachse
- 30
- Standgetriebe (Portalstufe)
- 31
- Steg (fest)
- 32
- Hohlrad
- 33
- Planetenrad
- 34
- Sonnenrad
- 40
- Standgetriebe (Portalstufe)
- A
- erstes Schaltelement
- a1
- Achse erstes Antriebsrad
- a2
- Achse zweites Antriebsrad
- AK1
- erster Aktuator
- AK2
- zweiter Aktuator
- B
- zweites Schaltelement
- C
- drittes Schaltelement
- DI
- Differenzial
- DIK
- Differenzialkorb, -gehäuse
- E
- Mittelebene
- EM
- elektrische Maschine
- EM1
- erste elektrische Maschine
- EM2
- zweite elektrische Maschine
- EMR
- Rotor
- EMS
- Stator
- G2
- Zweigang-Getriebe
- G3
- Dreigang-Getriebe
- G31
- erstes Dreigang-Getriebe
- G32
- zweites Dreigang-Getriebe
- HR1
- erste Hohlradwelle
- HR2
- zweite Hohlradwelle
- HR3
- dritte Hohlradwelle
- m
- Rotationsachse
- PS1
- erster Planetensatz
- PS2
- zweiter Planetensatz
- PS3
- dritter Planetensatz
- R1
- erstes Antriebsrad
- R2
- zweites Antriebsrad
- SO1
- erste Sonnenwelle
- SO2
- zweite Sonnenwelle
- SO3
- dritte Sonnenwelle
- SM
- Schiebemuffe
- ST1
- erste Stegwelle
- ST2
- zweite Stegwelle
- ST3
- dritte Stegwelle
- u
- Achsversatz
- v
- Achsversatz
- Z1
- Antriebszahnrad
- Z2
- Abtriebszahnrad
- Z3
- erstes Zwischenrad
- Z4
- zweites Zwischenrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009002437 A1 [0002]
