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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Getriebe, eine Anhängerachse mit einem derartigen schaltbaren Getriebe sowie einen Fahrzeuganhänger, insbesondere einen Caravan-Anhänger oder einen LKW-Anhänger oder einen PKW-Anhänger oder dgl. mit einer derartigen Fahrzeugachse.
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Fahrzeuganhänger, z.B. Wohnwägen oder LKW-Anhänger oder dgl., werden mittels Zugmaschinen bewegt. Nach Ankunft an einem Bestimmungsort ist häufig ein Rangieren zum endgültigen Bestimmungsort notwendig (z.B. eine Laderampe oder ein Stellplatz für einen Wohnwagenanhänger). Das Rangieren mit der Zugmaschine ist v.a. im Rückwärtsfahrbetrieb schwierig und teilweise auch aufgrund mangelnden Platzes nicht möglich. Dann werden derartige Anhänger zum Rangieren häufig von der Zugmaschine abgekoppelt und per Hand bewegt, was sehr kraftaufwändig ist. Oder sie werden mittels eines Rangierantriebs, welcher die Räder des Anhängers direkt über eine bewegliche Antriebsrolle am Reifen des Anhängers antreibt, bewegt. Ein derartiger Rangierantrieb ist üblicherweise an jedem Reifen des Anhängers vorgesehen. Bei Wohnwägen wird eine Antriebsenergie eines derartigen Rangierantriebs, beispielsweise aus einer 12V-Bord-Batterie des Wohnwagens entnommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße schaltbare Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das schaltbare Getriebe nicht nur für einen elektrischen Rangierbetrieb ausgelegt ist, sondern auch einen Betrieb einer elektrischen Maschine als Generator, z.B. als Lademöglichkeit eines Energiespeichers bietet. Dabei weist das schaltbare Getriebe der Erfindung einen einfachen und robusten Aufbau auf und benötigt nur einen minimalen Bauraum. So kann es in einfacher Weise an oder in einer Anhängerachse angeordnet werden, z.B. in unmittelbarer Nähe eines mit der Anhängerachse verbundenen Rades. Ferner kann mittels des schaltbaren Getriebes eine sehr hohe Spreizung bei den Übersetzungen der einzelnen Gänge vorgesehen werden, beispielsweise kann ein erstes Übersetzungsverhältnis (einer ersten Getriebestufe) in einem Bereich von 1:1 bis 14:1 liegen (nur das zweite Planetengetriebe ist aktiv) und/oder ein zweites Übersetzungsverhältnis (einer zweiten Getriebestufe) kann ein zweites Übersetzungsverhältnis in einem Bereich von 30:1 bis 450:1 aufweisen, bevorzugt z.B. 50:1 bis 350:1 (beide Planetengetriebe sind aktiv). Auch ermöglicht das schaltbare Getriebe bei Verwendung an einer Fahrzeugachse eine Reduzierung einer Abnutzung der Räder an der Fahrzeugachse, da auf die auf den Rädern abrollenden Antriebsrollen des Standes der Technik verzichtet werden kann. Insbesondere ermöglicht das schaltbare Getriebe neben dem Rangierbetrieb somit auch einen Rekuperationsbetrieb. Es kann dabei während einer Fahrt, wenn das schaltbare Getriebe z.B. an oder in einer Anhängerachse angeordnet ist, z.B. einen Energiespeicher aufladen oder elektrische Verbraucher im Anhänger direkt mit elektrischer Energie versorgen. Dabei wird vorteilhaft das Bordnetz des Zugfahrzeugs entlastet bzw. für die Versorgung dieses Verbrauchers überhaupt nicht mehr benötigt.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das schaltbare Getriebe ein Gehäuse sowie ein erstes und ein zweites Planetengetriebe aufweist. Das erste Planetengetriebe umfasst ein erstes Sonnenrad, ein erstes Hohlrad und wenigstens ein erstes Planetenrad mit einer Planetenradachse. Das zweite Planetengetriebe umfasst ein zweites Sonnenrad, ein zweites Hohlrad und wenigstens ein zweites Planetenrad mit einer zweiten Planetenradachse. Das erste und zweite Sonnenrad sind dabei in Reihe auf einer gemeinsamen Eingangswelle (erste Welle) angeordnet und drehen sich gemeinsam. Das erste Hohlrad und das zweite Hohlrad sind frei drehbar im Gehäuse des schaltbaren Getriebes angeordnet. Ferner ist eine erste Kupplung vorgesehen, welche zwischen dem ersten Hohlrad und dem zweiten Hohlrad angeordnet ist. Die erste Kupplung ist eingerichtet, das erste Hohlrad mit dem zweiten Hohlrad drehfest zu koppeln oder freizugeben. Somit ermöglicht die erste Kupplung, dass sich die beiden Hohlräder entweder gemeinsam, insbesondere mit derselben Winkelgeschwindigkeit, drehen oder unabhängig voneinander drehen. Weiterhin ist eine zweite Kupplung vorgesehen, welche zwischen dem zweiten Hohlrad und dem Gehäuse angeordnet ist. Die zweite Kupplung ist eingerichtet, das zweite Hohlrad mit dem Gehäuse drehfest zu koppeln oder freizugeben. Eine Ausgangswelle (zweite Welle) ist mit einem Planetenradträger verbunden, wobei der Planetenradträger mit der zweiten Planetenradachse des zweiten Planetenrades verbunden ist.
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Ferner kann beispielsweise das Getriebe eine Steuereinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, die erste und zweite Kupplung zu steuern. Diese Steuereinheit kann jedoch auch separat vorliegen. Sie kann z.B. in einem externen Steuergerät, z.B. einer Vehicle Control Unit (VCU) vorgesehen sein. Sie kann dann z.B. über Signalleitungen und Ansteuerleitungen für die Kupplungen mit dem Getriebe verbunden sein.
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Es versteht sich, dass das Getriebe genau ein erstes Planetenrad aufweisen kann. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere erste Planetenräder vorgesehen sind, z.B. zwei, drei, vier, fünf oder noch mehr erste Planetenräder. Besonders vorteilhaft weist jedes dieser ersten Planetenräder eine erste Planetenradachse auf.
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Es versteht sich weiterhin, dass das Getriebe genau ein zweites Planetenrad aufweisen kann. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere zweite Planetenräder vorgesehen sind, z.B. zwei, drei, vier, fünf oder noch mehr zweite Planetenräder.
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Besonders vorteilhaft weist jedes dieser zweiten Planetenräder eine zweite Planetenradachse auf.
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Besonders vorteilhaft - jedoch lediglich beispielhaft - ist jede der zweiten Planetenradachsen mit dem Planetenradträger gekoppelt bzw. verbunden.
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Bevorzugt sind eine Zähnezahl des ersten Sonnenrads (Z1) und eine Zähnezahl zweiten Sonnenrads (Z4) gleich. Beispielsweise kann Z1 = Z2 = 14 betragen oder Z1 = Z2 = 20.
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Alternativ sind die Zähnezahlen des ersten und zweiten Sonnenrads unterschiedlich. Beispielsweise Z1 = 20 und Z2 = 18.
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Bevorzugt sind eine Zähnezahl des ersten Hohlrades und des zweiten Hohlrades unterschiedlich. Bevorzugt ist die Anzahl der Zähne des zweiten Hohlrades (Z6) geringer als die Anzahl der Zähne des ersten Hohlrades (Z3). Dabei kann das Verhältnis der Anzahl der Zähne des ersten Hohlrades (Z3) zu der Anzahl der Zähne des zweiten Hohlrades (Z6) z.B. im Bereich liegen von 1:1,01 bis 1:1,5, bevorzugt im Bereich wenigstens 1:1,012 bis 1:1,08. Beispielsweise kann die Anzahl der Zähne des ersten Hohlrads 31 betragen und die des zweiten Hohlrads 30 oder die Anzahl der Zähne des ersten Hohlrads kann 74 betragen und die des zweiten Hohlrads 72.
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Durch diese Getriebetopologie ist es möglich, dass beispielsweise eine Anhängerachse einerseits in einem Rangierbetrieb betrieben werden kann und andererseits einen elektromotorischen Fahrbetrieb und/oder einen Generatorbetrieb, wenn eine elektrische Maschine an der Eingangswelle angeordnet ist, ermöglicht. Beispielsweise kann bei einer normalen Zugfahrt des Anhängers in einem angehängten Zustand an einer Zugmaschine eine elektrische Maschine, die an der Eingangswelle (erste Welle) angeordnet ist, als elektrischer Motor betrieben werden und eine zusätzliche Unterstützung zur Zugmaschine bereitstellen. Im generatorischen Betrieb kann dann die elektrische Maschine beispielsweise einen Energiespeicher, welcher am Fahrzeuganhänger verbaut ist, aufladen oder direkt elektrische Verbraucher, welche sich im Fahrzeuganhänger befinden, beispielsweise ein Kühlschrank oder ein Kühlaggregat oder dgl., mit elektrischer Energie versorgen.
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Da das schaltbare Getriebe zwei direkt hintereinander angeordnete Planetengetriebe aufweist, kann ein geringer Bauraum für das schaltbare Getriebe realisiert werden. Das derart gestaltete Getriebe ist vorteilhaft besonders einfach gegen das Eindringen von Schmutz oder Verunreinigungen geschützt. Ferner können vorteilhaft auch die Herstellkosten für das schaltbare Getriebe, insbesondere zusammen bei einem Einbau in oder an eine Anhängerachse, sehr gering ausfallen. In Abhängigkeit eines gewünschten Betriebes einer mit dem schaltbaren Getriebe verbundenen elektrischen Maschine kann ein Antriebsmodus realisiert werden, in welchem die elektrische Maschine als Elektromotor betrieben wird oder auch ein Rekuperationsmodus betrieben werden, in welchem die elektrische Maschine als Generator betrieben wird. Im Antriebsmodus, d.h., wenn die elektrische Maschine als Elektromotor betrieben wird, kann dabei ein Rangiergang und auch ein Antriebsgang, in welchem die elektrische Maschine unterstützend eine Zugmaschine entlastet, mittels des schaltbaren Getriebes eingestellt werden.
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Bei einer ersten Getriebestufe im Rangierbetrieb werden üblicherweise relativ kleine Strecken zurückgelegt, z.B. wenige Meter, z.B. weniger als 500 m oder weniger als 100 m oder sogar nur weniger als 20 m. Die Geschwindigkeit im Rangiermodus ist vorzugsweise gering, z.B. weniger als 10 km/h, bevorzugt weniger als 6 km/h, besonders bevorzugt weniger als 3 km/h, weiter bevorzugt weniger als 1 km/h. Im Rangierbetrieb kann dabei ein relativ hohes Drehmoment an einem von einer Anhängerachse angetriebenen Rad angefordert werden.
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Eine zweite Getriebestufe kann beispielsweise im Fahrbetrieb, z.B. in einem Zugbetrieb, eingesetzt werden, bei dem größere Strecken, z.B. mehr als 10 km oder mehr als 100 km oder mehr als 500 km, zurückgelegt werden. Im Zugbetrieb werden häufig höhere Geschwindigkeiten erreicht, z.B. mehr als 70 km/h, wodurch das Rad einer Anhängerachse entsprechend schnell dreht und diese Drehzahl im schaltbaren Getriebe aufgenommen werden muss.
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Es sei angemerkt, dass zur Beschreibung der Erfindung die Eingangswelle (erste Welle) des schaltbaren Getriebes immer die Welle ist, welche sich mit der elektrischen Maschine in Verbindung befindet und die Ausgangswelle (zweite Welle) des schaltbaren Getriebes immer die Welle ist, welche sich mit einem Rad eines Anhängers oder dgl. in Verbindung befindet. Es ist für einen Fachmann dabei selbstverständlich, dass sich bei einem Umschalten der elektrischen Maschine von einer Nutzung im generatorischen Betrieb zu einem motorischen Betrieb (Elektromotor) der Kraftfluss im System umdreht. Damit wird grundsätzlich die bisherige Ausgangswelle des Getriebes zur Eingangswelle und umgekehrt. Trotzdem bleiben zur Vermeidung von Unklarheiten in der Beschreibung die Bezeichnungen „Eingangswelle“ und „Ausgangswelle“ unabhängig von der Betriebsart der elektrischen Maschine erhalten (es wird also immer auf einen Kraftfluss im motorischen Betrieb Bezug genommen - im generatorischen Betrieb müssen somit die Bezeichnungen getauscht werden).
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Im Kontext dieser Anmeldung werden die Begriffe „umfassend“, „umfassen“ synonym zu den Begriffen „aufweisend“, „aufweisen“ verwendet, sofern nichts anderes beschrieben ist.
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Eine axiale Richtung erstreckt sich entlang einer Achse, z.B. einer Achse X-X (siehe 1). Eine radiale Richtung erstreckt sich senkrecht zu der axialen Richtung und eine Umlaufrichtung bezeichnet diejenige Richtung, die die axiale Richtung umläuft.
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Im motorischen Betrieb könnte die Eingangswelle auch als Antriebswelle und die Ausgangswelle als Abtriebswelle bezeichnet werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Ausgangswelle im Gehäuse gelagert ist.
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Dazu kann die Ausgangswelle z.B. in einem Deckel oder einem Boden des Gehäuses gelagert sein. Beispielsweise kann das Gehäuse dazu mit einem ersten Lager und/oder mit einem zweiten Lager gestaltet sein. Erstes und/oder zweites Lager können z.B. im Boden und/oder im Deckel des Gehäuses vorgesehen sein. Der Deckel und/oder der Boden können z.B. einen zylindrischen Lagerbereich aufweisen, in welchem ein oder mehrere Lager für die Ausgangswelle angeordnet sind.
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Dadurch wird vorteilhaft eine radiale Stabilisierung der Ausgangswelle und eine Verminderung der Reibung bewirkt, somit also die Effizienz des Getriebes verbessert.
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Weiterhin vorteilhaft kann dadurch auch eine besonders einfache und sichere Abdichtung des Inneren des Gehäuses des Getriebes gegen fluide Medien, Schmutz und Verunreinigungen bewirkt werden, wodurch die Lebensdauer des Getriebes erhöht werden kann.
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Weiterhin vorteilhaft kann dadurch ein besonders kompakter Aufbau mit geringem Gewicht erreicht werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Eingangswelle durch den Boden (bzw. den Deckel) des Gehäuses hindurchgeführt (wenn die Ausgangswelle durch den Deckel (bzw. den Boden) hindurchgeführt ist). Hierbei kann bevorzugt die Eingangswelle auch am Gehäuseboden gelagert sein. Auch dies dient einem reibungsfreieren Lauf, einer radialen Stabilisierung der Eingangswelle und einer Abdichtung des Inneren des Gehäuses.
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Vorzugsweise sind die Eingangswelle und die Ausgangswelle des schaltbaren Getriebes auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Diese Achse ist zunächst als eine virtuelle Achse zu verstehen. Sie kann z.B. eine Symmetrieachse des Getriebes bzw. seines Gehäuses sein.
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Dadurch wird vorteilhaft eine besonders kompakte Bauweise bewirkt. Weiterhin vorteilhaft wird das Risiko einer Unwucht verringert und das Gehäuse wird mit weniger Kräften, v.a. in radialer Richtung, belastet. Dies wiederum ermöglicht z.B. eine geringere Wandstärke des Gehäuses und damit Material- und Kostenei nsparungen.
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Weiter bevorzugt ist der Planetenradträger einteilig mit der Ausgangswelle (zweite Welle) ausgebildet. Bevorzugt ist der Planetenradträger dabei scheibenartig ausgebildet. Alternativ ist der Planetenradträger mit mehreren Armen vorgesehen, die mit der Ausgangswelle verbunden sind.
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Dadurch wird ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau ermöglicht.
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Die erste und/oder zweite Kupplung ist vorzugsweise eine Reibkupplung oder eine Klauenkupplung. Auch andere Kupplungsarten sind denkbar.
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Vorteilhaft bei der Verwendung einer Klauenkupplung ist die Erhöhung der übertragbaren Drehmomente durch die formschlüssige Verbindung - ein Durchrutschen der Kupplung wird hierbei verhindert. Dies erleichtert v.a. den Rangierbetrieb.
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Vorteilhaft bei der Verwendung einer Reibkupplung ist die Möglichkeit eines Durchrutschens der Kupplung bei zu hohen Drehmomenten. Auf diese Weise kann eine Beschädigung des Getriebes bzw. der darin angeordneten Zahnräder verhindert werden.
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Es ist auch möglich, die erste Kupplung und die zweite Kupplung unterschiedlich auszugestalten.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen einem Außenumfang des ersten Hohlrads und dem Gehäuse ein drittes Lager vorgesehen bzw. angeordnet ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass zwischen einem Außenumfang des zweiten Hohlrads und dem Gehäuse ein viertes Lager vorgesehen bzw. angeordnet ist.
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Hierdurch kann eine große Stabilität des schaltbaren Getriebes, insbesondere in radialer Richtung, erreicht werden und trotzdem kann das erste und zweite Hohlrad gegenüber dem Gehäuse frei laufen, wenn die Kupplungen entsprechend geschaltet sind. Weiterhin vorteilhaft wird so eine besonders geringe Reibung zwischen dem jeweiligen Außenumfang des gelagerten Hohlrades und dem Gehäuse erzielbar, wodurch der Wirkungsgrad des Getriebes verbessert wird.
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Das dritte Lager und/oder das vierte Lager können z.B. als Gleitlager, als Kugellager, als Wälzlager oder als Nadellager ausgebildet sein.
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Ein besonders kompakter Aufbau des schaltbaren Getriebes wird erreicht, wenn die erste Planetenradachse des ersten Planetenrads im Gehäuse gelagert ist. Dabei kann die erste Planetenradachse fest mit dem ersten Planetenrad verbunden sein und ein Lager im Gehäuse an der ersten Planetenradachse angeordnet sein.
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Auf diese Weise können die ersten Planetenräder besonders einfach gefertigt werden, z.B. als Gussteile oder Spritzgussteile, da keinerlei drehbare Teile (wie z.B. ein Kugellager) am ersten Planetenrad vorgesehen sind.
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Alternativ oder zusätzlich ist die erste Planetenradachse fest im Gehäuse angeordnet und das erste Planetenrad ist an der ersten Planetenradachse gelagert.
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Auf diese Weise kann das Gehäuse besonders einfach hergestellt werden.
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Weiter bevorzugt ist das schaltbare Getriebe eingerichtet, axial mit einer Welle eines Rades verbunden zu werden, welches an einer Anhängerachse anordenbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite Planetenradachse fest am Planetenradträger angeordnet ist und das zweite Planetenrad drehbar an der zweiten Planetenradachse gelagert ist.
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Dadurch kann der Planetenradträger besonders einfach, z.B. als Gussteil bzw. Spritzgussteil, hergestellt werden, da keinerlei drehbare Teile (wie z.B. ein Kugellager) am Planetenrad vorgesehen sind.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das zweite Planetenrad an der zweiten Planetenradachse fixiert ist und die zweite Planetenradachse am Planetenradträger gelagert ist.
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Auf diese Weise können die zweiten Planetenräder besonders einfach gefertigt werden, z.B. als Gussteile oder Spritzgussteile, da keinerlei drehbare Teile (wie z.B. ein Kugellager) am zweiten Planetenrad vorgesehen sind.
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Weiter bevorzugt umfasst das schaltbare Getriebe wenigstens einen Riementrieb. Der Riementrieb ist vorzugsweise an der Eingangswelle angeordnet und verbindet die Eingangswelle insbesondere mit einer elektrischen Maschine. Alternativ ist zusätzlich oder alleinig ein Riementrieb an der Ausgangswelle angeordnet. Der Riementrieb an der Ausgangswelle kann z.B. die Ausgangswelle mit einer Welle bzw. Achse eines Rades eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeuganhängers verbinden bzw. koppeln.
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Der Riementrieb kann vorteilhaft eine Überlastung des schaltbaren Getriebes vor zu hohen Drehmomentlasten verhindern. Denn der Riementrieb kann bei zu hohen Drehmomenten in der Art einer Sollbruchstelle durchrutschen und so das schaltbare Getriebe entlasten.
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Der Riementrieb kann weiterhin vorteilhaft als Riemengetriebe ausgebildet sein, wodurch eine weitere Übersetzungsstufe zusätzlich zu den beiden Gängen des schaltbaren Getriebes bereitgestellt werden kann. Eine Übersetzung kann - lediglich beispielhaft - in einem Bereich von 1:1,2 bis 1:4 liegen. Es sind auch andere Übersetzungen bzw. Untersetzungen denkbar.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anhängerachse mit einem erfindungsgemäßen schaltbaren Getriebe sowie eine elektrische Maschine, welche eingerichtet ist, als Elektromotor oder als Generator betrieben zu werden.
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Eine derartige Anhängerachse kann - lediglich beispielsweise - ein z.B. starres Verbindungselement (z.B. einem Hohlträger) zwischen einer linken und rechten Seite eines Anhängers sein, an dessen freien Enden bevorzugt mittelbar oder unmittelbar Räder angeordnet sein können. Die Anhängerachse kann weiterhin z.B. an jedem ihrer Enden ein Federelement aufweisen, an welchen ein Rad bzw. eine Felge des Anhängers befestigbar ist. Beispielsweise kann ein solches Federelement als Blattfeder oder als Schwinge ausgebildet sein, die z.B. mit einer Torsionsfeder versehen ist. Eine solche Schwinge kann lediglich beispielhaft an der Anhängerachse federbar befestigt sein.
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Es versteht sich, dass die Anhängerachse an jeder Seite (links / rechts bezüglich der Fahrtrichtung betrachtet) je ein derartig schaltbares Getriebe aufweisen kann. Jedes schaltbare Getriebe kann mit einem eigenen Motor an der Eingangswelle versehen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass lediglich eine einzige elektrische Maschine vorgesehen ist, welche mit den Eingangswellen von zwei oder mehr schaltbaren Getrieben verbunden ist.
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Weiter bevorzugt ist ein Energiespeicher vorgesehen, welcher mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Der Energiespeicher ist dabei eingerichtet, die elektrische Maschine, wenn diese als Elektromotor betrieben wird, mit elektrischer Energie zu versorgen und, wenn die elektrische Maschine als Generator betrieben wird, elektrische Energie zu speichern.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Fahrzeuganhänger mit einer erfindungsgemäßen Anhängerachse. Der Fahrzeuganhänger ist beispielsweise ein Caravan oder ein Anhänger eines Lastkraftwagens oder ein anderer Anhänger eines PKW.
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Besonders bevorzugt umfasst der Fahrzeuganhänger wenigstens einen elektrischen Verbraucher, der mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, insbesondere ein Kühlschrank, eine Klimaanlage, ein Fernseher, eine Warmwasserbereitung, eine Mikrowelle, ein Haartrockner oder ein Kühlaggregat (z.B. für Kühlanhänger eines Lastkraftwagens). Der elektrische Verbraucher kann dabei direkt von der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb mit elektrischer Energie versorgt werden oder über einen oder mehrere elektrische Energiespeicher.
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Eine elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Maschine und den elektrischen Verbrauchern kann dabei mittelbar, z.B. über einen Energiespeicher und/oder über ein Bordnetz des Fahrzeuganhängers, oder unmittelbar erfolgen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung eines schaltbaren Getriebes für eine Fahrzeugachse eines Fahrzeuganhängers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein schaltbaren Getriebe 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Das schaltbare Getriebe 100 ist hier - lediglich beispielhaft - in oder an einer Anhängerachse eines Fahrzeuganhängers angeordnet, wobei hier lediglich eine Welle 18 dargestellt ist die z.B. mit einem Rad verbindbar ist, welches an der Anhängerachse anbringbar ist.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das schaltbare Getriebe 100 zwischen der Welle 18 und einer elektrische Maschine 17 angeordnet. Die elektrische Maschine 17 ist mit einer Steuereinheit 16 verbunden, welche auch das schaltbare Getriebe 100 steuert bzw. schaltet. Ferner ist die elektrische Maschine 17 mit einem Energiespeicher 19 verbunden.
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1 zeigt schematisch im Schnitt das schaltbare Getriebe 100. Das schaltbare Getriebe 100 umfasst dabei ein erstes Planetengetriebe 11 und ein zweites Planetengetriebe 12. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die beiden Planetengetriebe 11, 12 unmittelbar nacheinander angeordnet, also entlang einer Achse X-X betrachtet in Reihe nacheinander bzw. hintereinander.
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Das erste Planetengetriebe 11 umfasst ein erstes Sonnenrad 7, erste Planetenräder 4, welche jeweils an ersten Planetenradachsen 8 in einem topfförmigen Gehäuse 1 gelagert sind, sowie ein erstes Hohlrad 3. Das erste Sonnenrad 7 weist eine erste Zähnezahl Z1 auf, die ersten Planetenräder 4 weisen zweite Zähnezahlen Z2 und das erste Hohlrad 3 weist eine dritte Zähnezahl Z3 auf. Somit bildet das Gehäuse 1 den feststehenden Planetenradträger des ersten Planetengetriebes 11. Im dargestellten Querschnitt sind zwei erste Planetenräder 4 zu erkennen. Es ist jedoch auch möglich, dass nur ein einziges erstes Planetenrad 4 vorhanden ist oder dass mehr als zwei erste Planentenräder 4 vorgesehen sind, z.B. drei, vier, fünf, sechs oder noch mehr erste Planetenräder 4.
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Das zweite Planetengetriebe 12 umfasst ein zweites Sonnenrad 10, zweite Planetenräder 5 sowie ein zweites Hohlrad 13. Das zweite Sonnenrad 10 weist eine vierte Zähnezahl Z4 auf, die zweiten Planetenräder 5 weisen fünfte Zähnezahlen Z5 und das zweite Hohlrad 13 weist eine sechste Zähnezahl Z6 auf. Im dargestellten Querschnitt sind zwei zweite Planetenräder 5 zu erkennen. Es ist jedoch auch möglich, dass nur ein einziges zweites Planetenrad 5 vorhanden ist oder dass mehr als zwei zweite Planentenräder 5 vorgesehen sind, z.B. drei, vier, fünf, sechs oder noch mehr zweite Planetenräder 5.
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Das erste Sonnenrad 7 und das zweite Sonnenrad 10 sind in Reihe auf einer Eingangswelle 14 (erste Welle) angeordnet. Somit drehen sich die beiden Sonnenräder 7, 10 gemeinsam miteinander, insbesondere mit derselben Winkelgeschwindigkeit. Die Zähnezahlen Z1 und Z4 der beiden Sonnenräder sind dabei in diesem Ausführungsbeispiel unterschiedlich. Sie können jedoch auch gleich sein (Z1 = Z4).
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Wie weiter aus der 1 ersichtlich ist, sind die Eingangswelle 14 und eine Ausgangswelle 15 (zweite Welle) auf der (hier: gemeinsamen) Achse X-X angeordnet. Damit sind auch die beiden Sonnenräder 7, 10 auf der (hier: gemeinsamen) Achse X-X angeordnet.
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Das Gehäuse 1 umschließt das schaltbare Getriebe und weist eine Durchgangsöffnung 20 an einem Boden des Gehäuses 1 auf (unten in 1). Die Eingangswelle 14 ist durch die Durchgangsöffnung 20 hindurchgeführt. Sie kann dort z.B. auch gelagert sein (hier nicht dargestellt aus Gründen der Übersichtlichkeit).
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Ein Deckel 2 (oben in 1) verschließt das Gehäuse 1 und weist einen Flanschbereich 21 auf, welcher hier z.B. zylindrisch ausgebildet ist, insbesondere kreiszylindrisch. Im Flanschbereich 21 ist ein erstes Lager 101 und ein zweites Lager 102 angeordnet, welche die Ausgangswelle 15 (zweite Achse) lagern.
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Grundsätzlich könnte auch die Ausgangswelle 15 durch den Boden des Gehäuses 1 geführt sein und die Eingangswelle 14 durch den Deckel 2.
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An der Ausgangswelle 15 ist ferner ein Planetenradträger 6 angeordnet. Der Planetenradträger 6 ist hier lediglich beispielhaft einstückig mit der Ausgangswelle 15 ausgebildet. Am Planetenradträger 6 sind zweite Planetenradachsen 9 der zweiten Planetenräder 5 drehfest angeordnet. Die zweiten Planetenräder 5 sind an den zweiten Planetenradachsen 9 drehbar gelagert. Die zweiten Planetenradachsen 9 der zweiten Planetenräder 5 sind somit mit dem Planetenradträger 6 fest verbunden. Somit drehen sich die zweiten Planetenräder 5 um die zweiten Planetenradachsen 9. Es versteht sich, dass die Lagerung der zweiten Planetenradachsen 9 alternativ oder zusätzlich auch am Planetenradträger 6 möglich ist.
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Das erste Planetengetriebe 11 und das zweite Planetengetriebe 12 sind dabei im Inneren des Gehäuses 1 grundsätzlich frei drehend angeordnet. Hierbei ist am äußeren Umfang des ersten Hohlrads 3 z.B. ein drittes Lager 103 vorgesehen. Am äußeren Umfang des zweiten Hohlrads 13 ist z.B. ein viertes Lager 104 vorgesehen. Das dritte und vierte Lager 103, 104 kann beispielsweise ein Gleitlager oder ein Wälzkörperlager sein, z.B. ein Nadellager oder ein Kugellager.
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Ferner umfasst das schaltbare Getriebe 100 eine erste Kupplung K1 und eine zweite Kupplung K2. Die erste Kupplung K1 ist eine Kupplung, welche zwischen dem ersten Hohlrad 3 und dem zweiten Hohlrad 13 angeordnet ist. Die erste Kupplung K1 ist dabei eingerichtet, das erste Hohlrad 3 mit dem zweiten Hohlrad 13 einerseits drehfest zu koppeln und andererseits freizugeben. Je nach Kupplungsstellung sind somit die beiden Hohlräder 3, 13 fest miteinander verbunden, so dass diese sich gemeinsam miteinander drehen (insbesondere mit gleicher Winkelgeschwindigkeit), oder alternativ nicht miteinander verbunden, so dass diese sich unabhängig voneinander drehen können.
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Die zweite Kupplung K2 ist zwischen dem zweiten Hohlrad 13 und dem Gehäuse 1 vorgesehen. Die zweite Kupplung K2 ist eingerichtet, das zweite Hohlrad 13 mit dem Gehäuse 1 drehfest zu koppeln oder freizugeben. Wenn somit das zweite Hohlrad 13 mit dem Gehäuse 1 drehfest gekoppelt ist, ist das zweite Hohlrad 13 drehfest im zweiten Planetengetriebe 12 gehalten.
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Ferner umfasst das schaltbare Getriebe die Steuereinheit 16, welche eingerichtet ist, die erste Kupplung K1 und die zweite Kupplung K2 zu steuern. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind hier entsprechende Steuerleitungen in 1 nicht eingezeichnet. Ferner steuert die Steuereinheit 16 auch die elektrische Maschine 17 als Elektromotor oder Generator.
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Das schaltbare Getriebe 100 kann nun in vier Betriebsmodi betrieben werden, nämlich einen ersten Gang oder einen zweiten Gang geschaltet werden oder in einem Freilauf betrieben werden oder gesperrt werden.
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Um in einen ersten Gang (Modus 1) zu schalten, wird die erste Kupplung K1 geöffnet und die zweite Kupplung K2 geschlossen. Somit ist die erste Kupplung K1 derart geschaltet, dass das erste Hohlrad 3 nicht mit dem zweiten Hohlrad 13 verbunden ist. Somit kann sich das erste Hohlrad 3 unabhängig vom zweiten Hohlrad 13 drehen. Die zweite Kupplung K2 ist so geschalten, dass das zweite Hohlrad 13 fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Somit kann sich das zweite Hohlrad 13 nicht drehen.
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Wird in diesem Schaltzustand, d.h., erste Kupplung K1 offen, zweite Kupplung K2 geschlossen, das erste Sonnenrad 7 in eine Drehbewegung versetzt, dreht sich das erste Hohlrad 3 durch das mit dem ersten Hohlrad 3 und dem ersten Sonnenrad 7 kämmenden ersten Planetenrädern 4 in die entgegengesetzte Drehrichtung des ersten Sonnenrads 7. Da zwischen den beiden Hohlrädern 3, 13 keine Verbindung besteht, hat das erste Planetengetriebe 11 keine Auswirkung auf die Getriebeübersetzung. D.h., das erste Planetengetriebe 11 dreht frei mit.
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Gleichzeitig wird jedoch auch über das zweite Sonnenrad
10 ein Drehmoment in das zweite Planetengetriebe
12 eingebracht. Über die mit dem Planetenradträger
6 verbundenen zweiten Planetenräder
5 wird der Planetenradträger
6 in eine mit der Drehbewegung des zweiten Sonnenrads
10 gleichsinnige Drehbewegung versetzt. Eine Übersetzung wird somit aus der vierten Verzahnung
Z4 des zweiten Sonnenrads
10, den zweiten Planetenrädern
5, dem Planetenradträger
6 und dem zweiten Hohlrad
13 bereitgestellt. Somit verhält sich das zweite Planetengetriebe
12 wie ein gewöhnliches Planetengetriebe, bei dem ein Antrieb über das zweite Sonnenrad
10 eingebracht wird, das zweite Hohlrad
13 feststeht und ein Abtrieb über den Planetenradträger
6 erfolgt. Für die Übersetzung im ersten Gang gilt dann:
wobei Z4 die Zähnezahl des zweiten Sonnenrads
10 ist und Z6 die Zähnezahl des zweiten Hohlrads
13 ist.
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Mit folgenden, lediglich als Beispiel zu verstehenden Zähnezahlen von Z1 = Z4 = 14 und Z3 = 90, Z6 = 88 ergibt sich:
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Für den zweiten Gang (Modus 2) werden die beiden Kupplungen K1 und K2 derart geschaltet, dass die erste Kupplung K1 geschlossen ist und die zweite Kupplung K2 offen ist. Somit ist das erste Hohlrad 3 mit dem zweiten Hohlrad 13 drehfest verbunden (damit weisen die beiden Hohlräder bei einer Drehung insbesondere dieselbe Winkelgeschwindigkeit auf). Dabei ist das zweite Hohlrad 13 nicht mit dem Gehäuse 1 drehfest verbunden, sondern kann frei drehen. Somit können die beiden Hohlräder 3, 13 gemeinsam frei im Gehäuse 1 drehen. Eine radiale Abstützung kann dabei z.B. über das dritte und vierte Lager 103, 104 erfolgen.
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Wenn in diesem Schaltzustand der beiden Kupplungen K1 und K2 das erste Sonnenrad 7 in eine Drehbewegung versetzt wird, dreht sich das erste Hohlrad 3 durch die mit dem ersten Hohlrad 3 und dem ersten Sonnenrad 7 kämmenden Planetenräder 4 in die entgegengesetzte Drehrichtung des ersten Sonnenrads 7.
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Gleichzeitig werden die zweiten Planetenräder 5 über die Verzahnung Z4 des zweiten Sonnenrads 10, welche sich gemeinsam mit dem ersten Sonnenrad 7 (insbesondere mit derselben Winkelgeschwindigkeit) dreht, ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt. Über die sich an der sechsten Verzahnung Z6 des zweiten Hohlrades 13 abstützenden, mit dem Planetenradträger 6 verbundenen zweiten Planetenräder 5 wird der Planetenradträger 6 in eine mit der Drehbewegung des zweiten Sonnenrads 10 gleichsinnige Drehbewegung versetzt.
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Dabei wird eine Drehgeschwindigkeit des zweiten Hohlrads 13 von der Drehzahl des zweiten Sonnenrads 10 subtrahiert, da das zweite Hohlrad 13 mit dem ersten Hohlrad 3 gekoppelt bzw. drehfest verbunden ist. Dadurch wiederum dreht auch das zweite Hohlrad 13 wie das erste Hohlrad 3 entgegengesetzt zur Drehrichtung der Sonnenräder 7, 10. Die entgegengesetzte Drehbewegung wird durch das erste Planetengetriebe 11 vorgegeben.
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Hierdurch ergibt sich eine sehr hohe Übersetzung, die umso höher ist, je ähnlicher die Drehgeschwindigkeit des ersten Hohlrads 3 zur durch das zweite Sonnenrad 10 verursachten Drehgeschwindigkeit des Planetenradträgers 6 ist.
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Für eine Übersetzung i2 im zweiten Gang gilt dabei:
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Mit folgenden, lediglich als Beispiel zu verstehenden Zähnezahlen von Z1 = Z4 = 14 und Z3 = 90, Z6 = 88 (siehe auch oben zu i1) ergibt sich:
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Wenn sowohl die erste Kupplung K1 als auch die zweite Kupplung K2 beide offen sind, können sich die beiden Hohlräder 3, 13 frei drehen. Üblicherweise ist ein Reibungswiderstand bzw. ein Haftwiderstand eines mit der Welle 15 verbunden Rades einer Anhängerachse erheblich höher als die Gleitwiderstände der beiden Hohlräder 3, 13 im Gehäuse 1. Daher ist in diesem Schaltzustand der beiden Kupplungen K1, K2 ein Freilauf zwischen der Eingangswelle 14 und der Ausgangswelle 15 realisiert (Modus 3).
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Wenn die erste Kupplung K1 und die zweite Kupplung K2 beide geschlossen sind, sind die beiden Hohlräder 3, 13 drehfest miteinander verbunden und das zweite Hohlrad 3 ist drehfest mit dem Gehäuse 1 verbunden. Dadurch wird eine Sperrung des schaltbaren Getriebes erreicht (Modus 4).
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Somit kann durch die geschickte Anordnung von zwei Planetengetrieben 11, 12 in Reihe nacheinander auf einer gemeinsamen Eingangswelle 14 eine für einen Rangierbetrieb (niedrige Geschwindigkeitsanforderung, hohe Drehmomentanforderung) und einen Rekuperationsbetrieb (hohe zur Verfügung stehende Geschwindigkeit an der Ausgangswelle 15 (zweite Achse) der elektrischen Maschine 17 erforderliche hohe Spreizung der Übersetzungen kostengünstig und sehr bauraumsparend ermöglicht werden. Insbesondere kann durch ein einfaches Schalten der ersten und zweiten Kupplung K1 und K2 eine gewünschte hohe Spreizung der Übersetzungen erreicht werden. Die erste Kupplung K1 und/oder die zweite Kupplung K1 können lediglich beispielhaft als eine Klauenkupplung oder als eine Reibkupplung ausgebildet sein. Die beiden Kupplungen K1, K2 können auch unterschiedlich ausgebildet sein. Die erste Planetenradachse 8 der ersten Planetenräder 4 ist dabei fest mit dem Gehäuse 1 verbunden, so dass sich die ersten Planetenräder 4 um die Planetenradachsen 8 drehen.
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Es sei angemerkt, dass der vierte Modus, welcher das vollständig gesperrte Getriebe betrifft, z.B. auch durch eine Sperrung an der Eingangswelle 14 erreicht werden kann. Ferner ist es auch möglich, dass eine weitere Kupplung am ersten Hohlrad 3 angeordnet ist, um das erste Hohlrad 3 mit dem Gehäuse 1 drehfest zu koppeln oder freizugeben.
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Somit kann erfindungsgemäß auch eine Anhängerachse bereitgestellt werden (hier nicht dargestellt), welche in Verbindung mit einer elektrischen Maschine 17, die als Elektromotor und als Generator arbeiten kann, auf einfache Weise rangiert werden kann und bei der bei einem Zugbetrieb des Anhängers auch ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine mit entsprechend hohen Drehzahlen möglich ist. Die notwendige hohe Spreizung der Übersetzungen für die unterschiedlichen Anforderungen der elektrischen Maschine kann durch das schaltbare Getriebe 100 realisiert werden.
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Die gewünschte Übersetzung kann auch durch das Vorsehen eines zusätzlichen Riementriebs oder Kettentriebs erzielt werden, welcher als Riemengetriebe bzw. Kettengetriebe ausgebildet ist.
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Zusätzlich kann zwischen dem Elektromotor bzw. der elektrischen Maschine und dem schaltbaren Getriebe eine Sollbruchstelle oder eine Rutschkupplung vorgesehen sein, die verhindert, dass das schaltbare Getriebe durch plötzlich oder dauerhaft auftretendes Drehmoment beschädigt wird.
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Zusätzlich kann zwischen einem mit der Ausgangswelle verbundenen Element (z.B. einem an einer Anhängerachse befestigten Rad) und dem schaltbaren Getriebe eine Sollbruchstelle oder eine Rutschkupplung vorgesehen sein, die verhindert, dass das schaltbare Getriebe durch plötzlich oder dauerhaft auftretendes Drehmoment beschädigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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