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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle und einem Getriebe, das eine Getriebeeingangswelle umfasst, die über eine Welle-Welle-Verbindung mit der Rotorwelle verbunden ist. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des elektrischen Antriebs in einem E-Achsen-Modul eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Stand der Technik
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DE 10 2017 010 371 A1 offenbart einen Getriebemotor, der eine Rotorwelle umfasst. Zur Lagerung der Rotorwelle sind ein erstes Loslager und ein Festlager vorgesehen. Ein Ende der Rotorwelle, welches über das Loslager hinausgeht, ist über eine Steckverzahnung mit einem Ende einer Adapterwelle verbunden, wobei ein anderes Ende der Adapterwelle mit einem Sonnenrad eines Planetengetriebes drehfest verbunden ist. Gemäß dieser Lösung ist ein zweites Loslager für die Adapterwelle vorgesehen.
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DE 10 2016 223 694 A1 beschreibt eine Kraftfahrzeuggetriebeeinrichtung mit einem Getriebe und einer elektrischen Maschine, deren Rotor über eine Getriebeeingangswelle mit dem Getriebe verbunden ist. Es ist eine einteilige Welle vorgesehen, die sowohl die Rotorwelle der elektrischen Maschine als auch die Getriebeeingangswelle des Getriebes bildet. Zur Lagerung der einteiligen Welle sind drei Wälzlager vorgesehen, wobei zwischen einem ersten Wälzlager und einem zweiten Wälzlager ein erstes Zahnrad auf der einteiligen Welle angeordnet ist, während zwischen dem zweiten Wälzlager und einem dritten Wälzlager ein Rotorpaket auf der einteiligen Welle angeordnet ist.
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DE 10 2012 205 707 A1 offenbart ein Getriebe. Das Getriebe weist eine Antriebswelle auf, die eine Rotorwelle einer elektrischen Maschine bildet. Auf der Antriebswelle sind ein als Schnecke ausgebildetes Antriebsritzel und ein Rotor der elektrischen Maschine angeordnet. Zwischen dem Antriebsritzel und dem Rotor ist ein Loslager vorgesehen. Zur Lagerung der Antriebswelle sind zwei weitere Lager vorgesehen, die jeweils an einem Ende der Antriebswelle angeordnet sind. Das Antriebsritzel befindet sich zwischen dem Loslager und einem der beiden Lager auf der Antriebswelle, während der Rotor zwischen dem Loslager und dem anderen der beiden Lager auf der Antriebswelle angeordnet ist.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Antrieb vorgeschlagen mit einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle und einem Getriebe, welches eine Getriebeeingangswelle umfasst, die über eine Welle-Welle-Verbindung mit der Rotorwelle verbunden ist. Die Rotorwelle ist in einem ersten Lager gelagert und die mit dieser über die Welle-Welle-Verbindung gekoppelte Getriebeeingangswelle ist in einem zweiten Lager als Festlager und einem dritten Lager als Loslager aufgenommen.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lagerungsanordnung für den elektrischen Antrieb ist insbesondere unabhängig von unterschiedlichen Temperaturausdehnungen, insbesondere im Vergleich zu einer angestellten Lagerung.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung umfasst die Welle-Welle-Verbindung eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Steckverzahnung. In vorteilhafter Weise ist eine formschlüssige Verbindung, zum Beispiel eine Steckverzahnung oder eine Keil-/Mehrkeilverbindung, sehr einfach montierbar und stellt eine robuste Drehmomentübertragungsmöglichkeit dar.
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Die Welle-Welle-Verbindung umfasst eine radiale Stützfläche, auf welcher sich die Rotorwelle an der Getriebeeingangswelle abstützt. Mit dieser Lösung kann in vorteilhafter Weise eine erhebliche Verbesserung der Laufruhe der über die Welle-Welle-Verbindung miteinander gekoppelten Rotorwelle und Getriebeeingangswelle und damit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Antriebs erreicht werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist die radiale Stützfläche durch eine Mantelfläche eines Wellenzapfens, der an der Getriebeeingangswelle ausgebildet ist, dargestellt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine fertigungstechnisch besonders einfache Ausbildung einer radialen Stützfläche für die Rotorwelle erreicht werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Antriebs umfasst die Welle-Welle-Verbindung aus Rotorwelle und Getriebeeingangswelle eine axiale Abstützung, an der die Rotorwelle in axiale Richtung an der Getriebeeingangswelle festgelegt ist. Da diese in einem zweiten und einem dritten Lager gelagert ist, vermag das als Festlager ausgebildete Lager die Axialbelastung aufzunehmen.
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Darüber hinaus ist die Welle-Welle-Verbindung derart ausgeführt, dass eine formschlüssige Verbindung zum Beispiel eine Steckverzahnung oder eine Keil-/Mehrkeilverbindung in einer Spielpassung und eine radiale Stützfläche in einer Minimalpassung umfasst. Die Welle-Welle-Verbindung befindet sich zwischen der Rotorwelle und der Getriebeeingangswelle. Die Minimalspielpassung ist derart ausgelegt, dass unter Berücksichtigung der Toleranzkette des gesamten Systems ein Mindestspiel von 1 µm eingehalten wird. In vorteilhafter Weise wird das Spiel an der radialen Stützfläche möglichst gering ausgeführt und das Spiel innerhalb der Steckverzahnung entsprechend gewählt, so dass es nicht zu einer Verspannung der miteinander durch die Welle-Welle-Verbindung verbundenen Komponenten kommt.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist am elektrischen Antrieb die Steckverzahnung als Teil der Welle-Welle-Verbindung durch eine Fettschmierung oder eine Ölschmierung mit Schmiermittel versorgt, um die mechanischen Belastungen herabzusetzen und damit die Lebensdauer des elektrischen Antriebs zu erhöhen.
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Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Antrieb kann darüber hinaus das erste Lager der Rotorwelle der elektrischen Maschine über mindestens ein Federelement in axiale Richtung vorgespannt werden. Bei dem Federelement kann in vorteilhafter Weise ein am Getriebegehäuse festlegbares Federelement in Gestalt einer Tellerfeder oder eines Tellerfederpakets eingesetzt werden.
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Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung des elektrischen Antriebs in einem E-Achsen-Modul eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise ein viertes Lager an einem elektrischen Antrieb eingespart werden. Dadurch lässt sich insbesondere an der Steckverzahnung, als Teil der Welle-Welle-Verbindung der mechanische Verschleiß herabsetzen. Darüber hinaus führt das erfindungsgemäß vorgeschlagene 3-Lager-Konzept zur Reduktion der toleranzbedingten Verspannungen in der Welle-Welle-Verbindung zwischen der Rotorwelle einerseits und der Getriebeeingangswelle andererseits.
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Durch die Ausbildung der Spielpassung an der Steckverzahnung sowie das Vorsehen der radialen Stützfläche kann bei einem geringen Drehmoment für eine Selbstzentrierung der Welle-Welle-Verbindung zwischen der Rotorwelle und der Getriebeeingangswelle Sorge getragen werden.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Schmierung der Welle-Welle-Verbindung, sei es durch eine separate Zuführung eines Schmierfetts oder einen Transport von Schmiermedium aus dem Getriebe zur Welle-Welle-Verbindung.
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Dadurch kann die Lebensdauer des erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Antriebs erheblich verlängert werden. Aufgrund der erreichbaren Gewichtsersparnis ist eine Erhöhung der Leistungsdichte realisierbar, was insbesondere durch die Funktionstrennung der Lager hinsichtlich einer Axial- und Radialkraftaufnahme erreicht wird. Durch eine mögliche Ausführung des Loslagers als Rollenlager, Rollenhülse oder Rollenkranz kann die Tragfähigkeit der Lagerung deutlich erhöht werden.
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Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene 3-Lager-Konzept für eine Fest-Los-Lagerung des Wellenverbundes aus Eingangswelle und Rotorwelle ist unabhängig von unterschiedlichen temperaturbedingten Ausdehnungen, zum Beispiel zwischen Welle und Gehäuse, eine erhebliche Verbesserung der Laufruhe erreichbar im Vergleich beispielsweise zu einer angestellten Lagerung. Es lässt sich eine Verringerung der Verlustleistung durch fehlende Vorspannung erreichen, was zu einem effizienteren Antrieb führt. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Antrieb werden Axialkräfte nur über ein Lager übertragen, wodurch ein einfacheres Gehäusedesign möglich wird. Des Weiteren ist eine erhebliche Vereinfachung der Montage erreichbar.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine Längsschnittdarstellung durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Antrieb.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein Längsschnitt durch einen elektrischen Antrieb 10 zu entnehmen, der als E-Achsen-Modul 12 eines hier nicht näher dargestellten elektrischen Fahrzeugs Verwendung findet. Bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen, um ein Nutzfahrzeug oder um einen Lastkraftwagen handeln.
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Gemäß der Schnittdarstellung in 1 ist der elektrische Antrieb 10 durch eine elektrische Maschine 14 sowie ein mit dieser gekoppeltes Getriebe 16 gegeben. Die elektrische Maschine 14 umfasst eine Rotorwelle 18. An dieser ist der hier blockförmig schematisch angedeutete Rotor aufgenommen, der innerhalb eines Gehäuses 28 rotiert. Die Rotorwelle 18 ist an einem Ende in einem ersten Lager 20 aufgenommen. Bei dem ersten Lager 20 handelt es sich beispielsweise um ein Wälzlager mit einen Innenring 22 und einem diesen umschließenden Außenring 24. Zwischen dem Innenring 22 und dem Außenring 24 sind Wälzkörper 26 angeordnet, die in diesem Falle als Kugeln ausgebildet sind. Anstelle dieser Lagerart als erstes Lager 20 könnten auch Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Rillenkugellager oder dergleichen als erstes Lager 20 eingesetzt werden. In 1 ist schematisch angedeutet, dass das erste Lager 20 im Gehäuse 28 der elektrischen Maschine 14 angeordnet ist. Das erste Lager 20 kann beispielsweise über ein hier angedeutetes Federelement, beispielsweise eine Tellerfeder 74 in axiale Richtung vorgespannt werden. Anstelle eines Federelements in Gestalt einer Tellerfeder 74 kann auch ein Tellerfedernpaket oder eine Wellfeder eingesetzt werden, um das erste Lager 20 in axiale Richtung vorzuspannen.
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Wie der Darstellung gemäß 1 des Weiteren entnommen werden kann, ist die Rotorwelle 18 mit einem Hohlraum 52 versehen, in welchen ein Wellenzapfen 76 einer Getriebeeingangswelle 34 eingesteckt ist.
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Eine Welle-Welle-Verbindung 62 zwischen der Rotorwelle 18 einerseits und der Getriebeeingangswelle 34 andererseits ist durch eine Steckverzahnung 48 gegeben.
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Die Steckverzahnung 48 umfasst sich in axiale Richtung, parallel zur Symmetrieachse 64 des Wellenzapfens 76 beziehungsweise der Getriebeeingangswelle 34 erstreckende Drehmomentübertragungsflächen 56. Zwischen diesen und dem Innenumfang der Rotorwelle 18 im Bereich des Hohlraums 52 der Rotorwelle 18 ist eine Spielpassung 50 ausgeführt. Diese gestattet eine weitestgehende Selbstzentrierung im Rahmen der Welle-Welle-Verbindung 62 zwischen der Rotorwelle 18 einerseits und der Getriebeeingangswelle 34 andererseits.
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Wie aus 1 des Weiteren hervorgeht, ist die Getriebeeingangswelle 34 zweifach gelagert. Zum einen in einem zweiten Lager 30, bei dem es sich ebenfalls um ein Wälzlager handelt, was im Gehäuse 28 gelagert ist und zum anderen in einem dritten Lager 32, welches als Loslager ausgebildet ist. Eine Axialbewegung 66 des dritten Lagers 32 ist durch den in 1 eingezeichneten Doppelpfeil 66 angedeutet. Die Positionen des zweiten Lagers 30 und des dritten Lagers 32 können auch vertauscht sein.
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Der über die Welle-Welle-Verbindung 62 im ersten Lager 20, im als Festlager dienenden zweiten Lager 30 und im als Loslager dienenden dritten Lager 32 gelagerte Wellenverbund aus Rotorwelle 18 und Getriebeeingangswelle 34 ist über die Steckverzahnung 48 miteinander verbunden. 1 zeigt, dass eine radiale Stützfläche 58 als Teil der Welle-Welle-Verbindung 62 durch die Umfangs- beziehungsweise Mantelfläche des Wellenzapfens 76 der Getriebeeingangswelle 34 gebildet ist. 1 ist des Weiteren zu entnehmen, dass ein Wellenbund 78 an der Rotorwelle 18 ausgeführt ist. Der Wellenbund 78 befindet sich an dem ersten Lager 20 gegenüberliegenden Ende der Rotorwelle 18. Der Wellenbund 78 erstreckt sich in radialer Richtung nach innen und greift beispielsweise in eine Umfangsnut oder einen Freistich 44 ein, der am Umfang der Getriebeeingangswelle 34 ausgebildet ist, und fixiert die Rotorwelle 18 in axiale Richtung. Darüber hinaus dient der Wellenbund 78 an dem ersten Lager 20 gegenüberliegenden Ende der Rotorwelle 18 dazu, dass diese sich am Innenring 22 des zweiten Lagers 30, welches als Festlager dient, abstützt, und welches somit die Axialkräfte der Rotorwelle 18 aufnimmt. Alternativ besteht die Möglichkeit, eine Abstützung der Rotorwelle 18 an einem Wellenbund 78 der Getriebeeingangswelle 34 vorzunehmen.
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Das zweite Lager 30, welches als Festlager der Getriebeeingangswelle 34 dient, ist gemäß 1 beispielsweise als Kugellager ausgebildet und umfasst einen Innenring 22 und einen Außenring 24, wobei der Außenring 24 im Gehäuse 28 des Getriebes 16 gelagert ist. Analog umfasst das dritte Lager 32, welches als Loslager dient, in der Darstellung gemäß 1 ebenfalls einen Innenring 22 sowie einen Außenring 24, wobei die Wälzkörper 26 des dritten Lagers 32 durch Zylinderrollen 27 gegeben sind.
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Aus 1 geht des Weiteren hervor, dass an der Getriebeeingangswelle 34 ein Ritzel 36 ausgebildet ist. Das Ritzel 36 kämmt mit einem Zahnrad 40, welches seinerseits am Umfang einer Zwischenwelle 38 gelagert ist. Das Zahnrad 40 ist auf seinem Sitz 42 an der Zwischenwelle 38 gelagert, beispielsweise auf deren Umfang aufgeschrumpft, über eine Welle-Nabe-Verbindung mit diesem verbunden oder stoffschlüssig gefügt, zum Beispiel geschweißt. Im Bereich des Sitzes 42 befindet sich ein Freistich 44 sowie ein Bund 46 der Zwischenwelle 38, an welcher das Zahnrad 40 anliegt. Die Zwischenwelle 38 ist beispielsweise an einer ersten Lagerstelle 68 und einer zweiten Lagerstelle 70 im Gehäuse 28 des Getriebes 16 des elektrischen Antriebs 10 gelagert. Die Lagerstellen 68, 70 der Zwischenwelle 38 können beispielsweise als Wälzlager ausgebildet sein.
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Aus 1 geht des Weiteren hervor, dass auf dem Umfang der Rotorwelle 18 der elektrischen Maschine 14 ein Radialwellendichtring 54 angeordnet ist. Dieser hat die Aufgabe, das Getriebe 16 gegenüber dem Hohlraum 52 der elektrischen Maschine 14, in welchem deren Rotor rotiert, abzudichten. Über den in 1 angedeuteten Radialwellendichtring 54 erfolgt eine Trennung des Ölmengenvolumens innerhalb des Getriebes 16 von dem trockenen Innenraum der elektrischen Maschine 14 des elektrischen Antriebs 10. Gemäß der Darstellung in 1 kann beispielsweise das erste Lager 20 über eine Tellerfeder 74 oder ein Paket aus Tellerfedern 74 in Axialrichtung beaufschlagt sein, angedeutet durch eine Anstellrichtung 72 des ersten Lagers 20 in der Schnittdarstellung gemäß 1. Bei einer nassen elektrischen Maschine 14 ist eine Dichtung entbehrlich.
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Die Welle-Welle-Verbindung 62 zwischen der Rotorwelle 18 und der Getriebeeingangswelle 34 ist symmetrisch zur Symmetrieachse 64 ausgebildet. Zur Herabsetzung des mechanischen Verschleißes kann entweder eine separate Fettschmierung vorgesehen sein, durch welche ein Transport von Fett zur Steckverzahnung 48 erfolgen kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Steckverzahnung 48 über ein Schmiermedium, wie beispielsweise das im Getriebe 16 bevorratete Öl zu versorgen. Die Zufuhr des Schmiermediums kann über eine gezielte Zuführung erfolgen, so dass eine kontinuierliche Versorgung mit Schmiermedium durch die Steckverzahnung 48 gewährleistet ist und der mechanische Verschleiß minimiert werden kann. Die elektrische Maschine 14 ist durch einen Radialwellendichtring 54 gegen das Schmiermedium abgedichtet. Die formschlüssige Verbindung in Gestalt der Steckverzahnung 48 kann auch ohne Schmierung ausgeführt sein.
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Anstelle der in 1 dargestellten Anordnung, bei der der Wellenzapfen 76 an einem Ende der Getriebeeingangswelle 34 ausgebildet ist und in den Hohlraum 52 der Rotorwelle 18 hineinragt, kann auch eine umgekehrte Ausführung erfolgen, bei der der Wellenzapfen 76 Teil der Rotorwelle 18 ist und dieser in einen Hohlraum hineinragt, der im Inneren der Getriebeeingangswelle 34 ausgebildet ist.
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Beide Ausführungsvarianten sind möglich. Mit der in 1 im Längsschnitt dargestellten Lagerung des Wellenverbundes aus Getriebeeingangswelle 34 und Rotorwelle 18 wird ein 3-Lager-Konzept für elektrische Antriebe 10 vorgeschlagen, wodurch toleranzbedingte Verspannungen innerhalb der Welle-Welle-Verbindung 62 reduziert werden können. Die Ausführung der Spielpassung 50 an der Steckverzahnung 48 sowie die radiale Stützfläche 58 ausgeführt in Minimalspielpassung sorgen bei geringem Drehmoment für eine Selbstzentrierung der Getriebeeingangswelle 34 und der mit dieser gekoppelten Rotorwelle 18, so dass auch bei hohen Drehzahlen ein ruhiger Lauf der elektrischen Maschine 14 und der Getriebeeingangswelle 34 darstellbar ist. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in Gestalt des elektrischen Antriebs 10 besteht eine erheblich verbesserte Zugänglichkeit für Schmierstoff in Bezug auf die Zugänglichkeit der Steckverzahnung 48 sowie der radialen Stützfläche 58 mit Minimalspielpassung, so dass die Lebensdauer des in 1 im Längsschnitt dargestellten elektrischen Antriebs 10 erheblich verbessert werden kann. Aufgrund der mit der vorgeschlagenen Lösung einhergehenden Gewichtsersparnis ist eine Erhöhung der Leistungsdichte erreichbar.
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Zudem ist hervorzuheben, dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene 3-Lager-Konzept aus erstem Lager 20, als Festlager dienendem zweiten Lager 30 sowie dem als Loslager dienenden dritten Lager 32 in der Lage ist, temperaturbedingt auftretende Ausdehnungen im Vergleich zu einer angestellten Lagerung wesentlich besser zu kompensieren. Aufgrund einer fehlenden Vorspannung lässt sich die Verlustleistung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Antriebs 10 verringern, so dass dessen Effizienz erhöht wird. Auftretende Axialkräfte werden nur über ein Lager, d. h. das zweite Lager 30, das als Festlager dient, übertragen, wodurch sich eine erhebliche Vereinfachung des Designs des Gehäuses 28 erreichen lässt.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017010371 A1 [0002]
- DE 102016223694 A1 [0003]
- DE 102012205707 A1 [0004]
