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Die Erfindung betrifft einen Elektroantrieb für einen Antriebsstrang, sowie einen Antriebsstrang.
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In der
CN 108240432 A wird ein Fahrzeugantrieb gezeigt mit einem Planetenradsatz ausgeführt als Stufenplanetenradsatz, wobei der Antriebsmotor über zwei Kupplungen wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Sonnenrad verbunden werden kann. Der Abtrieb erfolgt über den gemeinsamen Planetenträger der beiden Planetenradsätze. Ein Hohlrad ist fest mit dem Getriebegehäuse verbunden. Das Dokument zeigt eine 2- und eine 3-Gang-Variante, wobei der Motor über eine dritte Kupplung mit dem Steg verbunden werden kann
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Die
DE 10 2015 225 171 A1 zeigt eine Getriebeanordnung für ein Fahrzeug mit einer Doppelkupplung, die eine Motorwelle wahlweise mit einem ersten oder einem zweiten Sonnenrad verbinden kann. Die jeweiligen Planetenräder sind miteinander als Doppelplanetenräder verbunden. Der Abtrieb erfolgt über den Steg, der mit der Sonne eines weiteren Planetensatzes verbunden ist. Der Abtrieb erfolgt wieder über den Steg und bildet den Eingang eines Differentials
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen alternativen Elektroantrieb bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Elektroantrieb bereitgestellt. Der Elektroantrieb umfasst eine Elektromaschine sowie ein Getriebe. Das Getriebe umfasst eine erste Eingangswelle, eine zweite Eingangswelle, eine Ausgangswelle, sowie zumindest zwei Schaltelemente zum Verbinden des Getriebes mit der Elektromaschine. Das Getriebe umfasst ferner einen Planetenradsatz.
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Der Planetenradsatz ist als ein Stufenplanetenradsatz ausgebildet, dessen an einem Planetenradträger gelagerte Planetenräder zwei unterschiedliche große Wirkdurchmesser aufweisen. Ein erstes Sonnenrad des Planetenradsatzes steht mit dem größeren Wirkdurchmesser der Planetenräder in Zahneingriff. Ein zweites Sonnenrad des Planetenradsatzes steht mit dem kleineren Wirkdurchmesser der Planetenräder in Zahneingriff. Ein Hohlrad des Planetenradsatzes steht mit dem größeren Wirkdurchmesser in Zahneingriff. Das erste Sonnenrad des Planetenradsatzes ist mit der ersten Eingangswelle drehfest verbunden. Das zweite Sonnenrad des Planetenradsatzes ist mit der zweiten Eingangswelle drehfest verbunden. Das Hohlrad des Planetenradsatzes ist an einem drehfesten Bauteil des Elektroantriebs festgesetzt. Der Planetenradträger des Planetenradsatzes ist mit der Ausgangswelle drehfest verbunden. Ein erstes Schaltelement ist dazu ausgebildet, die erste Eingangswelle mit der Elektromaschine des Elektroantriebs zu verbinden. Ein zweites Schaltelement ist dazu ausgebildet, die zweite Eingangswelle mit der Elektromaschine des Elektroantriebs zu verbinden.
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Eine jeweilige drehfeste Verbindung der rotierbaren Komponenten des Elektroantriebs bzw. des Getriebes ist erfindungsgemäß bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen realisiert, die dabei bei räumlich dichter Lage der Komponenten auch als kurze Zwischenstücke vorliegen können. Konkret können die Komponenten, die permanent drehfest miteinander verbunden sind, dabei jeweils entweder als drehfest miteinander verbundene Einzelkomponenten oder auch einstückig vorliegen. Im zweitgenannten Fall werden dann die jeweiligen Komponenten und die ggf. vorhandene Welle durch ein gemeinsames Bauteil gebildet, wobei dies insbesondere eben dann realisiert wird, wenn die jeweiligen Komponenten im Getriebe räumlich dicht beieinander liegen.
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Bei Komponenten des Elektroantriebs bzw. des Getriebes, die erst durch Betätigung eines jeweiligen Schaltelements drehfest miteinander verbunden werden, wird eine Verbindung ebenfalls bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen verwirklicht. Ein Festsetzen erfolgt insbesondere durch drehfestes Verbinden mit einem drehfesten Bauelement des Elektroantriebs, bei welchem es sich vorzugsweise um eine permanent stillstehende Komponente handelt, bevorzugt um ein Gehäuse des Getriebes, einen Teil eines derartigen Gehäuses oder ein damit drehfest verbundenes Bauelement. Unter der Verbindung des Rotors der Elektromaschine mit der ersten oder zweiten Eingangswelle des Getriebes ist im Sinne der Erfindung eine derartige Verbindung zu verstehen, dass zwischen dem Rotor der Elektromaschine und der entsprechenden Eingangswelle eine gleichbleibende Drehzahlabhängigkeit vorherrscht.
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Die einzelnen Schaltelemente können jeweils sowohl als ein kraftschlüssiges als auch als ein formschlüssiges Schaltelement vorliegen. Kraftschlüssige oder reibschlüssige Schaltelemente sind bspw. Lamellenschaltelemente, insbesondere in der Form von Lamellenkupplungen. Formschlüssige Schaltelemente sind bspw. Klauenschaltelemente und Konusschaltelemente in der Form von Klauen- bzw. Konuskupplungen. Das erste Schaltelement kann insbesondere axial zwischen dem zweiten Schaltelement und dem ersten Sonnenrad angeordnet sein.
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Der Elektroantrieb ermöglicht einen zu den Eingangswellen achsparallelen oder aber auch koaxialen Abtrieb. Der Elektroantrieb kann daher insbesondere für einen Front-Quer-Antriebsstrang eines Fahrzeuges verwendet werden.
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Die erste Eingangswelle kann koaxial zur zweiten Eingangswelle angeordnet sein. Ist, bei einer koaxialen Anordnung der Eingangswellen, die erste Eingangswelle hohlförmig ausgebildet, so ist es für ein axial kompakt bauendes Getriebe bzw. Elektroantrieb bevorzugt, wenn die zweite Eingangswelle innerhalb der als hohlförmig ausgebildeten ersten Eingangswelle angeordnet ist. Die Ausgangswelle kann koaxial zur ersten und zweiten Eingangswelle angeordnet sein.
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Der Elektroantrieb ermöglicht das Schalten von zwei Gängen. So kann insbesondere durch Schließen des ersten Schaltelements ein erster Gang und durch Schließen des zweiten Schaltelements ein zweiter Gang erzeugt werden. Im ersten Gang ist demnach das erste Schaltelement geschlossen während hingegen das zweite Schaltelement geöffnet ist. Beim zweiten Gang ist es umgekehrt.
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Im ersten Gang entsteht bevorzugt eine Übersetzung von i>1, besonders bevorzugt beträgt die Übersetzung im ersten Gang i=4. Im zweiten Gang entsteht bevorzugt eine Übersetzung von i >1, besonders bevorzugt beträgt die Übersetzung im zweiten Gang i=2 erzeugt. Somit wird bevorzugt zwischen diesen beiden Gängen ein Stufensprung von im Wesentlichen 2,0 erreicht. Die Wirkungsgrade dieser bevorzugten Anbindung sind sehr hoch. Im 1. Gang kann ein Wirkungsgrad von 98,5% erreicht werden. Im zweiten Gang kann ein Wirkungsgrad von 99% erreicht.
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Ist das zweite Schaltelement bspw. als eine Lamellenkupplung ausgeführt, so ist eine Zug-Lastschaltung vom ersten in den zweiten Gang möglich. Auch ist eine Zug-Lastschaltung vom zweiten in den ersten Gang möglich
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Das erste Schaltelement ist bevorzugt als Klauenschaltelement ausgeführt, um ein kosten- und wirkungsgradoptimales Getriebe zu ermöglichen. Der Stufenplanetenradsatz ist bei diesem Getriebe besonders von Vorteil, weil ein Hohlrad komplett entfallen kann.
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Durch gleichzeitiges Schließen des ersten und zweiten Schaltelements wird der Planetenradsatz und somit der Abtrieb gegen das Gehäuse bzw. relativ zum Gehäuse verblockt. Dies stellt die Funktion einer Parksperre dar, die somit als separates Bauteil/Baugruppe eingespart werden kann. Ist ein Planetenradsatz verblockt, so ist die Übersetzung unabhängig von der Zähnezahl stets Eins. Anders ausgedrückt läuft der Planetenradsatz als Block um.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, wenn ein drittes Schaltelement zum Verbinden der Ausgangswelle mit der Elektromaschine des Elektroantriebs vorgesehen ist. Das dritte Schaltelement ermöglicht im geschlossenen Zustand einen dritten Gang. In diesem dritten Gang sind das erste und zweite Schaltelement geöffnet.
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Durch die Ankopplung des Abtriebs mit dem Antrieb wird ein Direktgang mit einer Übersetzung von i=1 bewirkt. Somit ergibt sich auch hier ein bevorzugter Stufensprung von im Wesentlichen 2,0. Die Wirkungsgrade dieser bevorzugten Anbindung sind sehr hoch. Im 1. Gang kann ein Wirkungsgrad von 98,5% erreicht werden. Im zweiten Gang kann ein Wirkungsgrad von 99% erreicht. Im dritten Gang kann ein Wirkungsgrad von 100% erreicht werden.
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In einer Abwandlung der Erfindung ist es bevorzugt, wenn das Hohlrad nicht permanent an dem Gehäuse festgesetzt ist, sondern mittels eines vierten Schaltelements an dem drehfesten Bauteil festsetzbar ist.
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Bei dieser Abwandlung ist es bevorzugt, wenn durch Schließen des ersten Schaltelements und vierten Schaltelements ein erster Gang; und/oder durch Schließen des zweiten Schaltelements und vierten Schaltelements ein zweiter Gang; und/oder durch Schließen des ersten Schaltelements und zweiten Schaltelements ein dritter Gang ergibt. Bei dieser Ausführungsform entfällt das dritte Schaltelement zur Erzeugung des Direktganges. Der Direktgang wird nun durch gleichzeitiges Schließen der ersten und zweiten Schaltelemente bei geöffnetem vierten Schaltelement erzielt. In den drei Gängen sind jeweils zwei der drei Schaltelemente geschlossen was im Vergleich zu der oben beschriebenen 3-Gang-Variante deutlich geringere Schleppverluste bewirkt.
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Bei den zwei zuvor beschriebenen 3-Gang-Varianten können ebenfalls sowohl kraftschlüssige Schaltelemente, als auch formschlüssige Schaltelemente, zum Einsatz kommen.
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Es ist bevorzugt, wenn das erste, zweite und vierte Schaltelement jeweils als ein kraftschlüssiges Schaltelement ausgeführt ist, da dadurch die drei Gänge vollständig lastschaltbar sind.
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Alternativ dazu ist es bevorzugt, wenn das erste und zweite Schaltelement jeweils als ein kraftschlüssiges Schaltelement ausgeführt ist, und das vierte Schaltelement als ein formschlüssiges Schaltelement ausgeführt ist. Dies bewirkt, dass die Schaltung vom ersten in den zweiten Gang und zurück in Zug und Schub lastschaltfähig ist. Die Schaltung vom zweiten in den dritten Gang ist im Zug lastschaltfähig. Im oberen Geschwindigkeitsbereich bei geringer elektrischer Zugkraft ist dies aber in Bezug auf Komfort und Performance untergeordnet. Im Direktgang entstehen durch das geöffnete Klauenschaltelement vernachlässigbare Schleppverluste im Gegensatz zum geöffneten vierten Lastschaltelement der zuvor beschriebenen Ausführungsform.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug bereitgestellt, der Antriebsstrang umfassend den zuvor beschriebenen Elektroantrieb und eine Differentialeinrichtung, die mit der Ausgangswelle des ersten Planetenradsatzes verbunden ist.
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Bevorzugt ist ein Antriebsstrang, wenn die Differentialeinrichtung ein Kegelraddifferential und ein Übersetzungsgetriebe umfasst, wobei das Übersetzungsgetriebe durch eine Stirnradstufe oder durch einen Planetenradsatz gebildet ist. Ein solcher Antriebsstrang bedeutet einen achsparallelen Abtrieb und baut axial besonders kompakt.
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Bevorzugt ist ein Antriebsstrang, wenn die Differentialeinrichtung einen zweiten Planetenradsatz und einen dritten Planetenradsatz umfasst. Ein solcher Antriebsstrang baut ebenfalls axial kompakt, wobei dieser Antriebsstrang bevorzugt einen koaxialen Abtrieb aufweist
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Bevorzugt ist ein Antriebsstrang, wenn die Differentialeinrichtung ein Kegelraddifferential und ein Übersetzungsgetriebe umfasst, wobei das Übersetzungsgetriebe durch einen Planetenradsatz gebildet ist und das Kegelraddifferential radial innerhalb eines Rotors der Elektromaschine angeordnet ist. Auch dieser Antriebsstrang baut axial besonders kompakt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
- 1-3 jeweils eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs bei welchem das erfindungsgemäße Getriebe zur Anwendung kommt;
- 4 eine schematische Ansicht eines Getriebes in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 5 eine Schaltmatrix des Getriebes aus 4;
- 6 eine schematische Ansicht eines Getriebes in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 7 eine schematische Ansicht eines Getriebes in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 8 eine schematische Ansicht eines Getriebes in einer bevorzugten Ausführungsform
- 9 eine Schaltmatrix des Getriebes aus 6 bis 8;
- 10 eine schematische Ansicht eines Getriebes in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 11 eine schematische Ansicht eines Getriebes in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 12 eine Schaltmatrix des Getriebes aus 10 und 11;
- 13 eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 14 eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 15 eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 16 eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 17 eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs in einer bevorzugten Ausführungsform; und
- 18 eine Schaltmatrix des Getriebes des Antriebsstrangs aus 13 bis 17.
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1 bis 3 zeigen jeweils eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs 100 eines Fahrzeugs 1000. Bei dem Fahrzeug handelt es sich um einen PKW.
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Der Antriebsstrang 100 gemäß 1 zeigt einen Elektroantrieb, der die vordere Achse B des Fahrzeugs 1000 antreibt. Der Antriebsstrang umfasst ein Getriebe 1, welches das Antriebsmoment der Elektromaschine 2 auf zwei Abtriebswellen 9.11 und 9.12 aufteilt. Der Antriebsstrang 100 umfasst ferner eine Differentialeinrichtung, welche ein Kegelraddifferential 9 und ein Übersetzungsgetriebe 14 in Form einer Stirnradstufe. Getriebe 1 und Elektromaschine 2 sind koaxial zu einer Achse A angeordnet. Achse A und Achse B sind achsparallel angeordnet, sodass also ein achsparalleler Abtrieb vorliegt. Die Fahrtrichtung Vorwärts ist durch den Pfeil 99 dargestellt. Wie zudem in 1 zu erkennen ist, sind das Getriebe 1 und die Elektromaschine 2 quer zu der Fahrtrichtung 99 des Fahrzeuges 1000 ausgerichtet.
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Der Antriebsstrang 100 gemäß 3 zeigt einen Elektroantrieb, der die vordere Achse B des Fahrzeugs 1000 antreibt. Der Antriebsstrang umfasst ein Getriebe 1, welches das Antriebsmoment der Elektromaschine 2 auf zwei Abtriebswellen 9.11 und 9.12 aufteilt. Der Antriebsstrang 100 umfasst ferner eine Differentialeinrichtung, welche ein Planetengetriebe 8 und ein Kegelraddifferential 9 umfasst. Getriebe 1 und Elektromaschine 2 sind koaxial zu einer Achse A angeordnet, welche mit der Antriebsachse B zusammenfällt, sodass also ein koaxialer Abtrieb vorliegt. Die Fahrtrichtung Vorwärts ist durch den Pfeil 99 dargestellt. Wie zudem in 2 zu erkennen ist, sind das Getriebe 1 und die Elektromaschine 2 quer zu der Fahrtrichtung 99 des Fahrzeuges 1000 ausgerichtet.
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Der Antriebsstrang 100 gemäß 3 zeigt einen Elektroantrieb, der die vordere Achse B des Fahrzeugs 1000 antreibt. Der Antriebsstrang umfasst ein Getriebe 1, welches das Antriebsmoment der Elektromaschine 2 auf zwei Abtriebswellen 13.11 und 8.12 aufteilt. Der Antriebsstrang 100 umfasst ferner eine Differentialeinrichtung, welche zwei Planetengetriebe 8, 13 umfasst. Getriebe 1 und Elektromaschine 2 sind koaxial zu einer Achse A angeordnet, welche mit der Antriebsachse B zusammenfällt, sodass also ein koaxialer Abtrieb vorliegt. Die Fahrtrichtung Vorwärts ist durch den Pfeil 99 dargestellt. Wie zudem in 3 zu erkennen ist, sind das Getriebe 1 und die Elektromaschine 2 quer zu der Fahrtrichtung 99 des Fahrzeuges 1000 ausgerichtet.
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4 zeigt einen Elektroantrieb in einer ersten Ausführungsform der Erfindung für einen Antriebsstrang 100 eines Fahrzeuges 1000. Der Elektroantrieb umfasst ein Getriebe 1 sowie eine Elektromaschine 2. Das Getriebe 1 umfasst eine erste Eingangswelle 10, eine zweite Eingangswelle 11, eine Ausgangswelle 12, zwei Schaltelemente 3, 4 zum Verbinden des Getriebes 1 mit einer Elektromaschine 2 des Elektroantriebs.
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Das Getriebe 1 umfasst ferner einen Planetenradsatz 5. Der Planetenradsatz 5 ist als ein Stufenplanetenradsatz ausgebildet ist, dessen an einem Planetenradträger 5.6 gelagerte Planetenräder 5.3, 5.4 zwei unterschiedliche große Wirkdurchmesser aufweisen. Ein erstes Sonnenrad 5.1 des Planetenradsatzes 5 steht mit dem größeren Wirkdurchmesser 5.3 der Planetenräder in Zahneingriff. Ein zweites Sonnenrad 5.2 des Planetenradsatzes 5 steht mit dem kleineren
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Wirkdurchmesser 5.4 der Planetenräder in Zahneingriff. Ein Hohlrad 5.5 des Planetenradsatzes 5 steht mit dem größeren Wirkdurchmesser 5.3 in Zahneingriff.
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Das erste Sonnenrad 5.1 des Planetenradsatzes 5 ist mit der ersten Eingangswelle 10 drehfest verbunden. Das zweite Sonnenrad 5.2 des Planetenradsatzes 5 ist mit der zweiten Eingangswelle 11 drehfest verbunden. Das Hohlrad 5.5 des Planetenradsatzes 5 ist an einem drehfesten Bauteil 0 des Getriebes 1 festgesetzt. Der Planetenträger 5.6 des Planetenradsatzes 5 ist mit der Ausgangswelle 12 drehfest verbunden. Ein erstes Schaltelement 3 ist dazu ausgebildet, die erste Eingangswelle 10 mit der Elektromaschine des Elektroantriebs zu verbinden. Ein zweites Schaltelement 4 ist dazu ausgebildet ist, die zweite Eingangswelle 11 mit der Elektromaschine des Elektroantriebs zu verbinden.
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Die erste Eingangswelle 10 ist hohlförmig ausgebildet und koaxial zur zweiten Eingangswelle 11 angeordnet. Die zweite Eingangswelle 11 ist innerhalb der als hohlförmig ausgebildeten ersten Eingangswelle 10 angeordnet ist. Die Ausgangswelle 12 ist koaxial zur ersten und zweiten Eingangswelle 10, 11 angeordnet.
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Das erste Schaltelement 3 ist axial zwischen dem zweiten Schaltelement (4) und dem ersten Sonnenrad 5.1 angeordnet. Bei dem ersten Schaltelement 3 handelt es sich um eine Klauenkupplung. Ist das erste Schaltelement 3 betätigt, so sind die erste Eingangswelle 10 (und damit das mit ihr verbundene kleinere Sonnenrad 5.1) mit der Elektromaschine 2, d.h. mit dem Rotor 2.1 verbunden. Bei dem zweiten Schaltelement handelt es sich um eine Lamellenkupplung. Ist das zweite Schaltelement 4 betätigt, so sind die zweite Eingangswelle 11 (und damit das mit ihr verbundene größere Sonnenrad 5.2 mit der Elektromaschine 2, d.h. mit dem Rotor 2.1 verbunden. Bei dem drehfesten Bauteil handelt es sich um ein Getriebegehäuse des Getriebes 1.
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Die Elektromaschine 2 weist in an sich bekannter Art und Weise einen Rotor 2.1 sowie einen am Getriebegehäuse 1 festgesetzten Stator 2.2 auf. Durch Schließen des ersten Schaltelements 3 wird ein elektrischer erster Gang E1 und durch Schließen des zweiten Schaltelements 4 wird ein elektrischer zweiter Gang E2 geschaltet. Da das zweite Schaltelement ein reibschlüssiges Schaltelement ist, ist eine Zug-Lastschaltung vom ersten Gang in den zweiten und umgekehrt möglich.
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Werden beide Schaltelemente 3, 4 geschlossen, so wird der Planetenradsatz 5 und somit der Abtrieb 12 gegen das Gehäuse 0 verblockt. Dies stellt die Funktion einer Parksperre dar, die somit als separates Bauteil/Baugruppe im Antrieb eingespart werden kann.
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5 zeigt eine Schaltmatrix des Getriebes aus 4. In den Zeilen der Matrix sind zwei Vorwärtsgänge E1 und E2 angeführt. In den Spalten der Schaltmatrix ist durch ein „X“ dargestellt, welche der Schaltelemente 3 und 4 in welchem Gang geschlossen sind. Durch Schließen des ersten Schaltelements 3 wird ein erster Gang E1 und durch Schließen des zweiten Schaltelements 4 wird ein zweiter Gang E2 dargestellt. Während des ersten Ganges E1 ist das zweite Schaltelement 4 geöffnet. Während des zweiten Ganges E2 ist das erste Schaltelement 3 geöffnet.
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Im ersten und zweiten Gang E1, E2 ist die Übersetzung i jeweils größer 1. Im ersten Gang E1 beträgt die Übersetzung I=4. Im zweiten Gang E2 beträgt die Übersetzung i=2. Der Stufensprung zwischen diesen beiden Gängen beträgt demnach phi=2,0. Mit eta ist der Wirkungsgrad bezeichnet. Für den ersten Gang E1 liegt er bei 98,5%. Für den zweiten Gang E2 liegt er bei 99,0%.
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6 zeigt einen Elektroantrieb in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung für einen Antriebsstrang 100 eines Fahrzeuges. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 4 ist ein drittes Schaltelement 6 zum Verbinden der Ausgangswelle 12 mit der Elektromaschine 2 des Elektroantriebs vorgesehen, wobei das erste Schaltelement 3 axial zwischen dem zweiten und dem dritten Schaltelement angeordnet ist. Die axiale Reihenfolge ergibt sich demnach wie folgt: Elektromaschine 2, zweites Schaltelement 4, erstes Schaltelement 3, drittes Schaltelement 6, Planetenradsatz 5. Ist das dritte Schaltelement 6 betätigt, so sind der Planetenträger 5.6 (und damit die mit ihm verbundene Ausgangswelle 12) mit der Elektromaschine 2, d.h. mit dem Rotor 2.1 verbunden. Durch Schließen des dritten Schaltelements (6) ergibt sich ein dritter Gang E3. Dieser dritte Gang ist ein Direktgang mit einer Übersetzung i=1, sodass zwischen dem zweiten Gang E2 und dem dritten Gang E3 ein Stufensprung i von im Wesentlichen 2,0 liegt. Die drei Schaltelemente 3, 4, 6 sind als reibschlüssige Schaltelemente in der Form von Lamellenkupplungen ausgebildet.
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7 zeigt eine Schaltmatrix des Getriebes aus 6. In den Zeilen der Matrix sind drei Vorwärtsgänge E1, E2 und E3 angeführt. In den Spalten der Schaltmatrix ist durch ein „X“ dargestellt, welche der Schaltelemente 3, 4 und 6 in welchem Gang geschlossen sind. Durch Schließen des ersten Schaltelements 3 wird ein erster Gang E1, durch Schließen des zweiten Schaltelements 4 wird ein zweiter Gang E2 und durch Schließen des dritten Schaltelements 6 wird ein dritter Gang E3 dargestellt.
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Während des ersten Ganges E1 sind das zweite und dritte Schaltelement 4, 6 geöffnet. Während des zweiten Ganges E2 sind das erste und dritte Schaltelement 3, 6 geöffnet. Während des dritten Ganges E3 sind das erste und zweite Schaltelement 3, 4 geöffnet.
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Im ersten und zweiten Gang E1, E2 ist die Übersetzung i jeweils größer 1. Im dritten Gang E3 ist die Übersetzung i gleich 1. Im ersten Gang E1 beträgt die Übersetzung I=4. Im zweiten Gang E2 beträgt die Übersetzung i=2. Der Stufensprung zwischen diesen beiden Gängen beträgt demnach phi=2,0. Mit eta ist der Wirkungsgrad bezeichnet. Für den ersten Gang E1 liegt er bei 98,5%. Für den zweiten Gang E2 liegt er bei 99,0%. Für den dritten Gang liegt er bei 100%.
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8 zeigt einen Elektroantrieb in einer dritten Ausführungsform der Erfindung für einen Antriebsstrang 100 eines Fahrzeuges. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 6 dadurch, dass zweite Schaltelement 4 als Lamellenkupplung ausgeführt ist, während das erste und dritte Schaltelement 3, 6 als formschlüssige Schaltelemente in der Form von Klauenschaltelementen ausgeführt sind. Anstelle der Klauen können auch Konuskupplungen verwendet werden. Schaltelemente 3 und 6 sind vorzugsweise als ein Doppelschaltelement ausgeführt, welchem ein Betätigungselement zugeordnet ist, wobei über das Betätigungselement aus einer Neutralstellung heraus einerseits das erste Schaltelement und andererseits das dritte Schaltelement betätigbar ist. Das Doppelschaltelement weist somit drei Schaltstellungen auf.
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Gemäß dieser Ausführung ist der Gangwechsel von E1 zu E2 als Zughochschaltung und Zugrückschaltung lastschaltfähig. Der Gangwechsel E2 zu E3 ist nicht als Zughochschaltung bzw. Zugrückschaltung lastschaltfähig, was jedoch bei vielen Antriebstrangkonfigurationen eine untergeordnete Rolle spielt, da diese Gangwechsel über 140 km/h liegen und bei geringen absoluten Abtriebsdrehmomenten erfolgen.
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Die Schaltelemente 3 und 6 können auch als einzelne Klauenschaltelemente dargestellt werden. Dabei können beide Schaltelemente 3, 6 gleichzeitig eingelegt werden. Dadurch wird die E-Maschine und somit auch der Abtrieb (Ausgangswelle 12) durch den verblockten Radsatz 5 gegen das Gehäuse 0 abgebremst bzw. blockiert. Es kann so eine Parksperrenfunktion dargestellt werden. Darüber hinaus entspricht diese Ausführungsform der Ausführungsform gemäß 6, sodass im Übrigen auf diese Ausführungen verwiesen wird.
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9 zeigt einen Elektroantrieb in einer vierten Ausführungsform der Erfindung für einen Antriebsstrang 100 eines Fahrzeuges. Diese vorliegende Getriebevariante unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 6 dadurch, dass das Schaltelement 6 als Lastschaltelement in der Form einer Lamellenkupplung und die Schaltelemente 3 und 4 als formschlüssige Schaltelemente in der Form von Klauenschaltelementen ausgeführt sind. Anstelle der Klauen können auch Konuskupplungen verwendet werden. Schaltelemente 3 und 4 sind vorzugsweise als ein Doppelschaltelement ausgeführt, welchem ein Betätigungselement zugeordnet ist, wobei über das Betätigungselement aus einer Neutralstellung heraus einerseits das erste Schaltelement 3 und andererseits das zweite Schaltelement 4 betätigbar ist. Das Doppelschaltelement weist somit drei Schaltstellungen auf.
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Gemäß dieser Ausführung ist der Gangwechsel vom zweiten Gang E2 zm dritten Gang E3 als Zughochschaltung und Zugrückschaltung lastschaltfähig. Der erste Gang E1 kann insbesondere als ein Performance-Gang dargestellt werden, weshalb eine komfortable Lastschaltung vom ersten Gang E1 zum zweiten Gang E2 entfallen darf. Der übliche Fahrbetrieb ist über den zweiten und dritten Gang E2, E3 mit Zug-Lastschaltungen realisiert (analog zur Zweigang-Variante gemäß 4). Darüber hinaus entspricht diese Ausführungsform der Ausführungsform gemäß 6, sodass im Übrigen auf diese Ausführungen verwiesen wird.
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10 zeigt einen Elektroantrieb in einer fünften Ausführungsform der Erfindung für einen Antriebsstrang 100 eines Fahrzeuges. Diese vorliegende Getriebevariante unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 6 dadurch, dass das Hohlrad 5.5 nicht permanent festgesetzt ist, sondern mittels eines vierten Schaltelements 7 an dem drehfesten Bauteil 0 festsetzbar ist. Das dritte Schaltelement 6 entfällt. Durch Schließen des ersten Schaltelements 3 und vierten Schaltelements 7 ergibt sich ein erster Gang E1. Durch Schließen des zweiten Schaltelements 4 und vierten Schaltelements 7 ergibt sich ein zweiter Gang E2. Durch Schließen des ersten Schaltelements 3 und zweiten Schaltelements 4 ergibt sich ein dritter Gang E3 ergibt.
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Der Direktgang, der dem dritten Gang entspricht, wird nun durch gleichzeitiges Schließen der Schaltelemente 3 und 4 bei geöffnetem Schaltelement 7 erzielt. Im ersten und zweiten Gang E1, E2 muss jeweils das Schaltelement 7 geschlossen werden. Somit sind in den drei Gängen jeweils zwei der drei Schaltelemente geschlossen. Dies reduziert die Schleppverluste, sodass diese Ausführungsform effizienter als die 3-Gang-Variante gemäß 6 ist. Die Schaltelemente 3, 4 und 7 sind gemäß dieser Ausführungsform als Lastschaltelemente in der Form von Lamellenkupplungen ausgeführt. Dies ermöglicht zwischen den Gängen E1 bis E3 eine vollständige Lastschaltfähigkeit. Darüber hinaus entspricht diese Ausführungsform der Ausführungsform gemäß 6, sodass im Übrigen auf diese Ausführungen verwiesen wird.
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11 zeigt einen Elektroantrieb in einer sechsten Ausführungsform der Erfindung für einen Antriebsstrang 100 eines Fahrzeuges. Diese Getriebevariante unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 10 dadurch, dass das Schaltelement 7 als eine Klauenkupplung oder Konuskupplung ausgeführt ist. Somit ist die Schaltung von Gang E1 in E2 und umgekehrt in Zug und Schub lastschaltfähig. Die Schaltung von Gang E2 in E3 und umgekehrt ist allerdings nur im Zug lastschaltfähig. Im oberen Geschwindigkeitsbereich bei geringer elektrischer Zugkraft ist dies aber in Bezug auf Komfort und Performance untergeordnet. Im Direktgang E3 entstehen durch das geöffnete Klauenschaltelement 7 vernachlässigbare Schleppverluste im Gegensatz zum geöffneten Lastschaltelement 7 gemäß der Ausführungsform in 10. Darüber hinaus entspricht diese Ausführungsform der Ausführungsform gemäß 10, sodass im Übrigen auf diese Ausführungen verwiesen wird.
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12 zeigt eine Schaltmatrix des Getriebes aus 10 und 11. In den Zeilen der Matrix sind drei Vorwärtsgänge E1, E2 und E3 angeführt. In den Spalten der Schaltmatrix ist durch ein „X“ dargestellt, welche der Schaltelemente 3, 4 und 7 in welchem Gang geschlossen sind. Durch Schließen des ersten Schaltelements 3 und vierten Schaltelements 7 wird ein erster Gang E1, durch Schließen des zweiten Schaltelements 4 und vierten Schaltelements 7 wird ein zweiter Gang E2 und durch Schließen des ersten Schaltelements 3 und zweiten Schaltelements 4 wird ein dritter Gang E3 dargestellt. Während des ersten Ganges E1 ist das zweite Schaltelement 4 geöffnet. Während des zweiten Ganges E2 ist das erste Schaltelement 3 geöffnet. Während des dritten Ganges E3 ist das vierte Schaltelement 7 geöffnet.
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Im ersten und zweiten Gang E1, E2 ist die Übersetzung i jeweils größer 1. Im dritten Gang E3 ist die Übersetzung i gleich 1. Im ersten Gang E1 beträgt die Übersetzung i=4. Im zweiten Gang E2 beträgt die Übersetzung i=2. Der Stufensprung zwischen diesen beiden Gängen beträgt demnach phi=2,0. Mit eta ist der Wirkungsgrad bezeichnet. Für den ersten Gang E1 liegt er bei 98,5%. Für den zweiten Gang E2 liegt er bei 99,0%. Für den dritten Gang liegt er bei 100%.
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Die nachfolgenden 13 bis 17 zeigen einen Antriebsstrang umfassend ein Getriebe 1, eine Elektromaschine 2 sowie eine Differentialeinrichtung, die mit der Ausgangswelle 12 des ersten Planetenradsatzes 5 verbunden ist. Die Anbindung des Elektroantriebs mit der Differentialeinrichtung wird anhand des Getriebes aus 4 beschrieben. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch die Getriebe der 6 bis 11 mit einer der nachfolgenden beschriebenen Differentialeinrichtungen verbunden werden können und Teil des Antriebsstrangs sein können.
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13 zeigt demnach einen bevorzugten ersten Antriebsstrang umfassend die Ausführungsform gemäß 4 sowie eine Differentialeirichtung, wobei die Differentialeinrichtung ein Kegelraddifferential 9 und ein Übersetzungsgetriebe umfasst, wobei das Übersetzungsgetriebe durch einen Planetenradsatz 8 gebildet ist. Antriebsachse A und Abtriebsachse B fallen zusammen. Es liegt demnach ein koaxialer Abtrieb vor.
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Das Kegelraddifferential 9 weist zwei radseitige Abtriebselemente auf, die als ein erstes Abtriebsrad 9.1 und zweites Abtriebsrad 9.2 ausgebildet sind. Die Abtriebsräder 9.1, 9.2 kämmen jeweils mit einem als Stirnrad ausgebildetem Ausgleichselement 9.3. Die Ausgleichselemente 9.3 sind in einem Differenzialkäfig 9.4 um ihre eigene Achse drehbar gelagert. Das erste Abtriebsrad 9.1 ist mit einer ersten Abtriebswelle 9.11 und das zweite Abtriebsrad 9.2 mit einer zweiten Abtriebswelle 9.12 drehfest verbunden. Die Ausgleichsräder 9.3, die zwischen dem Käfig 9.4 und den beiden Abtriebsrädern 9.1, 9.2 wirken, können eine Drehbewegung vom Käfig 9.4 zu den beiden Abtriebsrädern 9.1, 9.2 übertragen und eine Ausgleichsdrehbewegung zwischen den beiden Abtriebsrädern 9.1, 9.2 bereitstellen.
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Die Planetenradsätze 5 und 8 sind axial nebeneinander angeordnet. Das Kegelraddifferential 9 ist radial innerhalb des Rotors 2.1 der Elektromaschine 2 angeordnet, sodass das Getriebe bzw. der Antriebsstrang axial besonders kurz baut. Der Minus-Planetenradsatz 8 umfasst ein am Getriebegehäuse 0 festgesetztes Hohlrad 8.3, ein Planetenradträger 8.2 sowie ein Sonnenrad 8.1. Der Planetenträge r8.2 ist drehfest mit dem Käfig 9.4 verbunden. Das Sonnenrad 8.1 ist drehfest mit der Ausgangswelle 12 verbunden. Die Wellen 10, 11, 12 sind jeweils als Hohlwelle ausgeführt. Der Planetenträger 8.2 ist durch die Hohlwelle 10, 11, 12 geführt. Der Planetenträger 8.2 ist ebenfalls hohlförmig ausgeführt. Die erste Abtriebswelle ist durch die Hohlwelle 8.2 geführt. Durch den Minus-Planetenradsatz 8 kann eine hohe Gesamtübersetzung erzeugt werden, insbesondere 6 < i < 13,5. Die Schaltelemente können auch beide als Klauenschaltelemente ausgebildet sein. Liegen beide Schaltelemente als Klauen vor, so sind diese bevorzugt zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst.
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14 zeigt einen bevorzugten zweiten Antriebsstrang. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 13 dadurch, dass statt des Differentials 9 nunmehr der Planetenradsatz 5 radial innerhalb des Rotors 2.1 angeordnet ist. Antriebsachse A und Abtriebsachse B fallen zusammen. Es liegt demnach ein koaxialer Abtrieb vor. Die Wellen 10, 11, 12 sind jeweils als Hohlwelle ausgeführt. Der Planetenträger 8.2 ist durch die Hohlwelle 10, 11, 12 geführt. Der Planetenträger 8.2 ist ebenfalls hohlförmig ausgeführt. Die zweite Abtriebswelle 9.12 ist durch die Hohlwelle 8.2 geführt. Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass beide Schaltelemente als Klauenschaltelemente und zudem als ein Doppelschaltelement ausgeführt sind. Diese Ausführungsform baut axial ebenfalls kurz. Eine Lastschaltung ist hierbei jedoch nicht möglich. Im Übrigen wird auf die Ausführung gemäß 13 verwiesen.
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15 zeigt einen bevorzugten dritten Antriebsstrang. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 14 dadurch, dass die Differentialeirichtung durch einen zweiten Planetenradsatz 8 und einen dritten Planetenradsatz 13 gebildet ist. Antriebsachse A und Abtriebsachse B fallen zusammen. Es liegt demnach ein koaxialer Abtrieb vor.
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Der Planetenradsatz 8 umfasst ein Sonnenrad 8.1, ein Planetenträger 8.2 sowie ein Hohlrad 8.3. Der Planetenradsatz 13 umfasst ein Sonnenrad 13.1, ein Planetenträger 13.2 sowie ein Hohlrad 13.3. Planetenradsatz 8 und 13 sind radial übereinander angeordnet, wobei der Planetenradsatz 8 radial innerhalb angeordnet ist. Das Hohlrad 8.3 ist drehfest mit dem Sonnenrad 13.1 verbunden. Hohlrad 8.3 und Sonnenrad 13.1 sind gemäß dieser Ausführung einstückig ausgebildet. Der Planetenträger 13.2 ist festgesetzt. Das Sonnenrad 8.1 ist mir der Ausgangswelle 12 verbunden. Das Hohlrad 13.1 ist mit einer ersten Abtriebswelle 13.11 verbunden. Der Planetenträger 8.2 ist mit einer zweiten Abtriebswelle 8.12 verbunden. Die Wellen 10, 11, 12 sind jeweils als Hohlwelle ausgeführt. Die zweite Abtriebswelle 8.12 ist durch die Hohlwelle 8.2 geführt und an einem axialen Ende mit dem Planetenträger 8.2 verbunden.
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Anders ausgedrückt, wird bei dieser Ausführung statt des Kegelraddifferentials 9 und des Planetenradsatzes 8 der 14 ein sogenanntes integriertes Differential eingesetzt, umfassend Planetenradsätze 8 und 13. Dabei wird über diesen Differentialradsatz gleichzeitig die Funktion der Erzeugung der Gesamtübersetzung und die Differentialfunktion dargestellt.
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Die Schaltelemente 3 und 4 sind jeweils als ein einzelnes Klauenschaltelement ausgeführt. Beide Schaltelemente 3, 4 können gleichzeitig eingelegt werden, um die Elektromaschine 2 und somit auch die Ausgangswelle 12 gegen das Gehäuse abzubremsen bzw. zu blockieren. Es kann so eine Parksperrenfunktion dargestellt werden.
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Statt zweier Einzelschaltelemente können die Schaltelemente 3, 4 auch als Doppelschaltelement ausgeführt sein. Auch ist es denkbar, die Schaltelemente 3 und 4 als reibschlüssige Schaltelemente auszuführen. Zudem ist es denkbar, Schaltelement 3 als formschlüssiges, insbesondere Klaue- oder Konuskupplung, und Schaltelement 4 als reibschlüssiges Schaltelement, insbesondere Lamellenkupplung auszuführen.
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16 zeigt einen bevorzugten vierten Antriebsstrang. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 13 dadurch, dass die Differentialeinrichtung ein Kegelraddifferential 9 und ein Übersetzungsgetriebe umfasst, wobei das Übersetzungsgetriebe durch eine einstufige Stirnradstufe 14 gebildet ist. Die Abtriebsachse B ist achsparallel zur Antriebsachse A angeordnet. Es liegt demnach ein achsparalleler Abtrieb vor. Die einstufige Übersetzung der Stirnradstufe bewirkt die Gesamtübersetzung von der Achse A des Antriebs zur Achse B des Abtriebs. Die Stirnradstufe umfasst zwei Stirnräder 14.1 und 14.2. Das Stirnrad 14.1 ist drehfest mit der Ausgangswelle 12 verbunden und steht mit dem Stirnrad 14.2 in Zahneingriff. Das Stirnrad 14.2 ist drehfest mit dem Käfig 9.4 verbunden und kann diesen antreiben. Zudem sind, als Variante, das erste und zweite Schaltelement 3, 4 als reibschlüssige Schaltelemente in der Form von Lamellenschaltelementen ausgeführt. Gemäß dieser Ausführung sind Zug- und Schubschaltungen von Gang E1 zu Gang E2 und umgekehrt lastschaltbar. Die Antriebselemente sind axial neben dem Elektromotor 2 angeordnet. Dies ermöglicht einen Elektromotor 2 mit geringem Außendurchmesser und somit einen geringen Achsabstand zwischen der Antriebsachse A und Abtriebsachse B. Im Übrigen wird auf die Ausführungen 13 verwiesen. Auch die Getriebeausführungen (Getriebe und Schaltelemente) der Antriebsstränge gemäß der 12 bis 15 können ebenfalls mit der 1-stufigen achsparallelen Anordnung kombiniert werden.
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17 zeigt einen bevorzugten fünften Antriebsstrang. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 16 dadurch, dass das Übersetzungsgetriebe durch eine zweistufige Stirnradstufe 14 gebildet ist. Die Abtriebsachse B ist achsparallel zur Antriebsachse A angeordnet. Es liegt demnach ein achsparalleler Abtrieb vor. Die zweistufige Übersetzung der Stirnradstufe bewirkt die Gesamtübersetzung von der Achse A des Antriebs zur Achse B des Abtriebs. Die Stirnradstufe umfasst vier Stirnräder 14.1, 14.2, 14.3 und 14.4. Das Stirnrad 14.1 ist drehfest mit der Ausgangswelle 12 verbunden. Das Stirnrad 14.2 ist drehfest mit dem Käfig 9.4 des Differentials 9 verbunden und kann diesen antreiben. Zwischen dem Stirnrad 14.1 und 14.2 sind zwei drehfest miteinander verbundene Stirnräder 14.3 und 14.4 als weitere Stufe angeordnet. Das Stirnrad 14.3 steht mit dem Stirnrad 14.1 in Zahneingriff. Stirnrad 14.4 steht mit dem Stirnrad 14.2 in Zahneingriff. Zudem sind das erste und zweite Schaltelement 3, 4 als reibschlüssige Schaltelemente in der Form von Lamellenschaltelementen ausgeführt. Im Übrigen wird auf die Ausführungen 16 verwiesen. Auch die Getriebeausführungen (Getriebe und Schaltelemente) der Antriebsstränge gemäß der 12 bis 15 können ebenfalls mit der 1-stufigen achsparallelen Anordnung kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 2
- Elektromaschine
- 2.1
- Rotor
- 2.2
- Stator
- 3
- Schaltelement
- 4
- Schaltelement
- 5
- Planetenradsatz
- 5.1
- Sonnenrad
- 5.2
- Sonnenrad
- 5.3
- Planetenrad
- 5.4
- Planetenrad
- 5.5
- Hohlrad
- 5.6
- Planetenträger
- 6
- Schaltelement
- 7
- Schaltelement
- 8
- Planetenradsatz
- 9
- Kegelraddifferential
- 9.1
- Abtriebsrad
- 9.2
- Abtriebsrad
- 9.3
- Ausgleichselement(e)
- 9.4
- Differentialkäfig, Käfig
- 9.11
- erste Abtriebswelle
- 9.12
- zweite Abtriebswelle
- 10
- Eingangswelle
- 11
- Eingangswelle
- 12
- Ausgangswelle, Abtrieb
- 13
- Planetenradsatz
- 13.1
- Sonnenrad
- 13.2
- Planetenträger
- 13.3
- Hohlrad
- 14
- Stirnradstufe, einstufig, zweistufig
- 14.1
- Stirnrad
- 14.2
- Stirnrad
- 14.3
- Stirnrad
- 14.4
- Stirnrad
- 99
- Fahrtrichtung
- 100
- Antriebsstrang
- 1000
- Fahrzeug, PKW
- A
- Antriebsachse
- B
- Abtriebsachse
- E1
- erster Gang
- E2
- zweiter Gang
- i
- Übersetzung
- phi
- Stufensprung
- eta
- Wirkungsgrad
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 108240432 A [0002]
- DE 102015225171 A1 [0003]
