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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Antriebsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Bei Antriebsvorrichtungen in elektrischen Fahrzeugen können die verbauten Komponenten eine Abwärme produzieren oder einer Abwärme anderer Komponenten ausgesetzt sein. Ein Mehrganggetriebe kann etwa dazu dienen die Effizienz in bestimmten Betriebspunkten des Antriebs zu verbessern, was zu einer Vergrößerung der Reichweite des Fahrzeugs führen kann. Eine Schalteinheit kann dann das Getriebe schalten.
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Des Weiteren können auch Trennmechanismen verbaut werden, welche eine Kraftübertragung von der elektrischen Maschine auf den Antrieb erzeugen können.
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Da sich die Schalteinheit und/oder die Trennmechanismen in der Regel in der Nähe zur elektrischen Maschine bzw. zum Getriebe befinden können, kann durch eine dort produzierte Abwärme eine hohe thermische Belastung des Schaltmechanismus und/oder des Trennmechanismus vorherrschen.
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Wegen der höheren Wärmebelastung kann es notwendig sein, die Schalteinheit entweder durch die Verwendung temperaturbeständiger Materialen derart zu gestalten, dass diese den hohen thermischen Belastungen standhält oder es müssen Maßnahmen zur thermischen Entkopplung bzw. Kühlung der Schalteinheit getroffen werden. Beide Maßnahmen bedingen erhöhte Kosten. Für eine etwaige thermische Entkopplung der Schalt-Einheit kann zusätzlicher Bauraum benötigt werden, was zu höheren Kosten führen kann. Des Weiteren können erhöhte mechanische Belastungen und ein verschlechtertes NVH-Verhalten (Noise Vibration Harshness oder akustisches Verhalten) durch die thermische Entkopplung der Schalteinheit bedingt werden, da gegebenenfalls dessen Anbindung an das Gehäuse der Antriebsachse weniger steif ausgeführt wird, und sich die frei schwingende Masse vergrößern kann. Dies kann in einer erhöhten mechanischen Belastung auf den Schalt- oder Trennaktuator und dessen Anbindungspunkte sowie in einem verschlechterten NVH-Verhalten bzw. einer verschlechterten Akustik resultieren.
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Es können des Weiteren bei einer höheren Wärmebelastung verstärkt Beeinträchtigungen der Komponenten auftreten. So kann der Wärmeeintrag in die Trenn- oder Schalteinheit und die aufgebrachte mechanische Belastung das Risiko eines Ausfalls erhöhen.
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In der
WO 2018/219403 A1 wird ein Hybridmodul für ein Kraftfahrzeug zum Ankoppeln einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend eine Trennkupplung beschrieben, mit der Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine auf das Hybridmodul übertragbar ist und mit der das Hybridmodul von der Verbrennungskraftmaschine trennbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine elektrische Antriebsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Antriebsvorrichtung anzugeben, wobei eine Aktuatoreinrichtung für ein Getriebe besser an einen Kühlmittelbereich anbindbar ist.
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Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Antriebsvorrichtung eine elektrische Maschine; eine Antriebsachse, über welche zumindest ein Antriebsrad eines Fahrzeugs antreibbar ist; einen Kühlmittelbereich, über welchen die elektrische Maschine kühlbar ist; ein Getriebe, über welches die Antriebsachse mit der elektrischen Maschine verbunden oder verbindbar ist; ein Gehäuse, in welchem die elektrische Maschine, das Getriebe und der Kühlmittelbereich und zumindest teilweise die Antriebsachse angeordnet sind; eine Aktuatoreinrichtung für das Getriebe, welche in und/oder am Gehäuse angeordnet ist und von welcher eine Abwärme der Aktuatoreinrichtung mit dem Kühlmittelbereich zumindest teilweise austauschbar ist, wobei durch die Aktuatoreinrichtung das Getriebe mechanisch bedienbar ist.
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Unter der mechanischen Bedienbarkeit kann hierbei verstanden werden, dass die das Getriebe etwa in eine entsprechend wählbaren Gang geschaltet werden kann oder von dem Antrieb getrennt werden kann, als eine sogenannte „Disconnect“ Einrichtung.
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Der Kühlmittelbereich stellt dabei einen Oberbegriff dar, dies kann eine Anordnung von Kühlkanälen im und außerhalb des Gehäuses sein, ein Kühlmantel oder andere Arten von Kühlreservoirs mit einer Kühlflüssigkeit, etwa Wasser, oder feste Kühlkörper, Gebläse oder weitere Einrichtungen zur Kühlung. Beispielsweise handelt es sich um eine Wassermantelkühlung für Schalt- oder Trennaktuatoren von elektrischen Achsen und/oder deren Steuergeräten.
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Ein elektrischer Achsantrieb (elektrische Achse), als welche die elektrische Antriebsvorrichtung ausgeformt sein kann, kann im Wesentlichen aus den folgenden
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Subsystemen bestehen: Leistungselektronik, elektrische Maschine und Getriebe. Weiterhin sind zusätzliche optionale Elemente integrierbar, z.B. ein Schaltaktuator, durch den in einem Mehrganggetriebe die Gänge geschaltet werden können.
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Die Aktuatoreinrichtung kann mehrere Komponenten umfassen und diese an unterschiedlichen Orten in der Antriebsvorrichtung, etwa in oder an dessen Gehäuse, angeordnet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung umfasst die Aktuatoreinrichtung eine Trennvorrichtung für eine Kraftübertragung von der elektrischen Maschine auf das Getriebe.
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Mit der Trennvorrichtung kann vorteilhaft die Kraftübertragung von der elektrischen Maschine auf das Getriebe und auf den Antrieb, oder umgekehrt, unterbrochen oder hergestellt werden.
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Es kann im Fall einer defekten elektrischen Maschine diese vom Antriebsstrang getrennt werden und das Fahrzeug somit mit erhöhter Sicherheit und in einem komfortablen Zustand abgeschleppt werden.
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Die Trennung des Antriebsstrangs kann auch im oder vor dem Differential des Getriebes erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung umfasst die Trennvorrichtung einen Trennaktuator, welcher an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet ist und eine Trennmechanik, welche im Inneren des Gehäuses angeordnet ist.
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Der Trennaktuator und die Trennmechanik können dabei zusammen und an einem gleichen Ort in der Antriebsvorrichtung, etwa im oder am Gehäuse, oder an getrennten und verschiedenen Orten angeordnet und/oder befestigt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung ist der Trennaktuator außerhalb des Kühlmittelbereichs angeordnet.
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Durch eine Anordnung außerhalb des Kühlmittelbereichs kann der Trennaktuator einfach montiert und effizient gekühlt werden.
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Die Trennvorrichtung kann mit anderen Worten einen Trennaktuator umfassen, welcher sich außen an dem Gehäuse der elektrischen Antriebsvorrichtung (elektrischen Achse) befinden kann, und des Weiteren eine Trennmechanik umfassen, welche im Inneren der Achse, also des Gehäuses der Antriebsvorrichtung, verbaut sein kann.
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Durch ein Trennen der elektrischen Maschine vom Getriebe kann das Fahrzeug frei rollen, ohne dass Energie für die elektrische Maschine benötigt wird. Beispielsweise können sich dann lediglich die Seitenwellen und das Differential mitdrehen.
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Das Fahrzeug kann somit im Zustand des sogenannten Coastings oder Segelns betrieben werden.
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Dabei kann das Fahrzeug und somit die elektrische Antriebsvorrichtung auch über zwei elektrische Achsen verfügen. Hiermit kann durch die Trennvorrichtung auch nur eine der beiden elektrischen Achsen betrieben oder abgekoppelt werden und somit die im Eingriff befindliche Achse in einem aus Effizienzgründen günstigeren Betriebspunkt betrieben werden, was zu einer Vergrößerung der Reichweite führen kann.
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Alternativ kann im Fall einer defekten elektrischen Maschine diese vom Antriebsstrang getrennt werden und das Fahrzeug somit abgeschleppt werden.
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Da sich die Trennvorrichtung in der Regel in der Nähe zur elektrischen Maschine bzw. zum Getriebe befinden kann, kann es durch die dort produzierte Abwärme zu einer hohen thermischen Belastung des Trennaktuators kommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung umfasst die Aktuatoreinrichtung eine Schalteinrichtung, mit welcher ein Übersetzungsverhältnis einer Kraftübertragung von der elektrischen Maschine auf die Antriebsachse am Getriebe wählbar ist.
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Mit der Schalteinrichtung können verschiedene Gänge für den Antrieb gewählt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung umfasst die Schalteinrichtung eine Schaltmechanik, die im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und einen Schaltaktuator umfasst, welcher an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet ist.
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Eine Schalteinheit einer elektrischen Antriebsachse besteht in der Regel aus einem Schalt-Aktuator, welcher sich außen an der elektrischen Achse befinden kann, und einer Schaltmechanik, welche im Inneren der Achse verbaut sein kann.
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Der Schaltaktuator und die Schaltmechanik können dabei zusammen und an einem gleichen Ort in der Antriebsvorrichtung, etwa im oder am Gehäuse, oder an getrennten und verschiedenen Orten angeordnet und/oder befestigt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung ist der Schaltaktuator außerhalb des Kühlmittelbereichs angeordnet.
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Das Gehäuse der elektrischen Antriebsvorrichtung, welche vorteilhaft als eine Achse ausgeführt werden kann, kann dabei derart ausgeführt werden, dass der Aktuator der Schaltaktuator auf dem Gehäuse an der elektrischen Maschine montiert werden kann. Ebenso kann auch der Trennaktuator auf dem Gehäuse an der elektrischen Maschine montiert werden. Dadurch kann eine Kühlwirkung des Kühlmittelbereichs, insbesondere des Wassermantels der elektrischen Maschine, auch zur thermischen Entkopplung von der elektrischen Maschine und zur Kühlung des Aktuatoreinrichtung genutzt werden und die Aktuatoren einfach montiert werden.
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Die Aktuatoreinrichtung kann sich dabei in einer Tasche oder Box in dem Achsengehäuse der elektrischen Antriebsachse befinden. Die Tasche oder Box kann dann an dem Gehäuse befestigt sein. Durch die in der Regel gute thermische Anbindung des Kühlmittelbereichs, vorzugsweise des Wassermantels, und des Gehäuses an die elektrische Maschine und an die Aktuatoreinrichtung kann auch bei hohen Temperaturen in der elektrischen Maschine eine sehr gute Kühlung der Aktuatoreinrichtung erzielt werden.
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Dabei kann gegenüber konventionellen Lösungen eine Senkung der notwendigen Kosten erzielt werden, so kann etwa das Gehäuse der elektrischen Achse kostenneutral verändert werden, da lediglich die Position der Aktuatoreinrichtung verändert wird, und nicht das Wirkprinzip oder die Technologie der Antriebsvorrichtung.
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Des Weiteren kann eine kompakte Bauform erreicht werden, da der in der Regel ungenutzte Bauraum an der elektrischen Maschine genutzt werden kann, etwa oberhalb der elektrischen Maschine und/oder des Getriebes, wodurch eine sehr kompakte Bauform der elektrischen Antriebsvorrichtung erzielt werden kann.
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Des Weiteren können reduzierte mechanische Belastungen und ein verbessertes NVH-Verhalten erreicht werden, aufgrund der kompakten Bauform kann eine sehr steife Anbindung der Aktuatoreinrichtung an das Achsengehäuse realisiert werden, wodurch die freischwingende Masse reduziert bzw. eliminiert werden kann, was die mechanischen Belastungen auf die Aktuatoreinrichtung und dessen Anbindungspunkte reduzieren kann und ein verbessertes NVH-Verhalten ermöglichen kann.
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Des Weiteren kann ein reduziertes Risiko von Ausfällen erreicht werden und eine verbesserte Produktsicherheit, da durch die Reduzierung bzw. Eliminierung des Wärmeeintrags in die Aktuatoreinrichtung und die reduzierte mechanische Belastung auch das Risiko eines Ausfalls reduziert werden kann, was die Produktsicherheit erhöhen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung umfasst diese eine Leistungselektronik, die in dem Gehäuse integriert ist.
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Mit der Leistungselektronik, etwa einem Inverter und Steuereinrichtungen, kann der Betrieb der elektrischen Maschine gesteuert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung ist das Getriebe ein Mehrganggetriebe.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung umfasst der Kühlmittelbereich einen Wassermantelbereich, der die elektrische Maschine zumindest teilweise umgibt.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Antriebsvorrichtung ein Bereitstellen eines Gehäuses; ein Bereitstellen und Anordnen einer elektrische Maschine im Gehäuse, einer Antriebsachse zumindest teilweise im Gehäuse, über welche zumindest ein Antriebsrad eines Fahrzeugs antreibbar ist, eines Kühlmittelbereichs im Gehäuse, über welchen die elektrische Maschine kühlbar ist, eines Getriebes im Gehäuse, über welches die Antriebsachse mit der elektrischen Maschine verbunden oder verbindbar ist; ein Bereitstellen einer Aktuatoreinrichtung für das Getriebe, welche in und/oder am Gehäuse angeordnet wird und von welcher eine Abwärme der Aktuatoreinrichtung mit dem Kühlmittelbereich zumindest teilweise austauschbar ist, wobei durch die Aktuatoreinrichtung das Getriebe mechanisch bedienbar ist.
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Die elektrische Antriebsvorrichtung kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Seitenansicht einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung verschiedener Montagepositionen einer Aktuatoreinrichtung in einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die elektrische Antriebsvorrichtung 10 umfasst eine elektrische Maschine EM; eine Antriebsachse eA, über welche zumindest ein Antriebsrad eines Fahrzeugs antreibbar ist; einen Kühlmittelbereich KB, über welchen die elektrische Maschine EM kühlbar ist; ein Getriebe GT, über welches die Antriebsachse eA mit der elektrischen Maschine EM verbunden oder verbindbar ist; ein Gehäuse G, in welchem die elektrische Maschine EM, das Getriebe GT und der Kühlmittelbereich KB und zumindest teilweise die Antriebsachse eA angeordnet sind; eine Aktuatoreinrichtung AE für das Getriebe GT, welche in oder am Gehäuse G angeordnet ist und von welcher eine Abwärme der Aktuatoreinrichtung AE mit dem Kühlmittelbereich KB zumindest teilweise austauschbar ist, wobei durch die Aktuatoreinrichtung AE das Getriebe GT mechanisch bedienbar ist.
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Die Aktuatoreinrichtung AE kann eine Trennvorrichtung für eine Kraftübertragung von der elektrischen Maschine auf das Getriebe umfassen und die Trennvorrichtung kann einen Trennaktuator 8 umfassen, welcher an einer Außenseite des Gehäuses G angeordnet ist und eine Trennmechanik umfassen, welche im Inneren des Gehäuses G angeordnet sein kann. Vorteilhaft kann der Trennaktuator 8 außerhalb des Kühlmittelbereichs KB, etwa der Wassermantelkühlung der elektrischen Maschine, angeordnet sein.
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Des Weiteren kann zusätzlich oder anstatt des Trennaktuators die Aktuatoreinrichtung AE eine Schalteinrichtung SE umfassen, mit welcher ein Übersetzungsverhältnis einer Kraftübertragung von der elektrischen Maschine EM auf die Antriebsachse eA am Getriebe GT wählbar sein kann. Dabei kann die Schalteinrichtung SE eine Schaltmechanik umfassen, die im Inneren des Gehäuses G angeordnet sein kann und einen Schaltaktuator 7 umfassen, welcher an einer Außenseite des Gehäuses G angeordnet sein kann. Auch der Schaltaktuator 7 kann außerhalb des Kühlmittelbereichs KB angeordnet sein. Des Weiteren kann eine Leistungselektronik LE in dem Gehäuse G integriert sein oder auf oder an diesem angeordnet sein.
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2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der 2 wird die Antriebsvorrichtung 10 aus der 1 in einer seitlichen Darstellung gezeigt, wobei der Bereich des Kühlmittelbereichs KB hervorgehoben ist. Dieser kann einen kreisförmigen Querschnitt als eine Wassermantelkühlung für die elektrische Maschine im Inneren des Gehäuses G darstellen. Der Schaltaktuator 7 und/oder der Trennaktuator 8 können dabei im oder am Gehäuse G und außerhalb des Kühlmittelbereichs KB angeordnet sein.
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3 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener Montagepositionen einer Aktuatoreinrichtung in einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Alternativ zu den beschriebenen Lösungen der 1 oder 2, kann erfindungsgemäß auch eine weitere Montageposition des Trenn- oder Schaltaktuators 8, 7 der Aktuatoreinrichtung AE erzielt werden, wobei diese über den Umfang der elektrischen Maschine EM an jeder beliebigen Position angeordnet werden können, wie in der 3 gezeigt. Dabei wird eine Seitenansicht, etwa aus Richtung der Achse eA, gezeigt. Die beschriebene Lösung kann an jedem Gehäusekonzept der elektrischen Achse (Antriebsvorrichtung) realisiert werden. Hierzu können integrierte Gehäusekonzepte zählen, bei denen die Subsysteme durch ein gemeinsames Gehäuse integriert werden, und modulare Gehäusekonzepte, in denen die Subsysteme jeweils separate Gehäuse besitzen, welche in der Montage miteinander verbunden werden können, z.B. durch Verschrauben. Zudem sind auch Zwischenformen dieser Gehäusekonzepte realisierbar. Dabei kann der Schaltaktuator oder Trennaktuator auch ein separates eigenes Gehäuse aufweisen, welches mit dem Achsengehäuse verbunden werden kann, z.B. durch Verschrauben.
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Neben der genannten Anwendung bei elektrischen Achsen kann auch eine Anwendung bei eigenständigen elektrischen Maschinen möglich sein, sogenannte „Stand-Alone-Lösungen“.
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4 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Antriebsvorrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Gehäuses; ein Bereitstellen S2 und Anordnen S3 einer elektrische Maschine im Gehäuse, einer Antriebsachse zumindest teilweise im Gehäuse, über welche zumindest ein Antriebsrad eines Fahrzeugs antreibbar ist, eines Kühlmittelbereichs im Gehäuse, über welchen die elektrische Maschine kühlbar ist, eines Getriebes im Gehäuse, über welches die Antriebsachse mit der elektrischen Maschine verbunden oder verbindbar ist; ein Bereitstellen S4 einer Aktuatoreinrichtung für das Getriebe, welche in oder am Gehäuse angeordnet wird und von welcher eine Abwärme der Aktuatoreinrichtung mit dem Kühlmittelbereich zumindest teilweise austauschbar ist, wobei durch die Aktuatoreinrichtung das Getriebe mechanisch bedienbar ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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