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Die Erfindung betrifft eine Traktionseinheit mit einer Getriebekühlung für eine elektrische Antriebseinheit und eine elektrisch Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer solchen Getriebekühlung.
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Nachfolgen ist die Erfindung anhand eines Kraftfahrzeuggetriebes in einem Elektrofahrzeug erläutert, dies ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung auf eine solche Anwendung zu verstehen. Bei Elektrofahrzeugen unterscheidet sich die Kühlung des Getriebes in der Regel anhand der zum Antrieb des Kraftfahrzeugs installierten Leistung. In einer gehobenen Leistungsklassen (Antriebsleistung größer / gleich 100 kW) liegt in der Regel eine aktive Kühlung des Getriebeöls im Antriebsgetriebe vor, diese wird mittels eigenen Wärmetauscher und eigenen Kühlmittelkreislauf erreicht, so ist beispielsweise der Getriebeölkühlkreislauf des Baumusters BMW iX3 in dieser Weise gestaltet. In niedrigen Leistungsklassen von Elektrofahrzeugen, beispielsweise bis zu einer für den Antrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehenen Dauerleistung von 60kW oder weniger ist häufig keine explizite Kühlung des Getriebeöls vorgesehen, da in einem solchen Fall eine vorhandenen Antriebsmaschinenkühlung ausreichend sein kann um das Getriebeöl mit zu kühlen. Weiter kann bei Antriebsmaschinen im niedrigen Leistungsbereich Wärme vom Antriebsgetriebe an die Umgebung, d.h. durch Fahrtwind, abgeführt werden.
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Eine aktive Ölkühlung des Antriebsgetriebe, wie diese im Zusammenhang mit der gehobenen Leistungsklasse erläutert ist, verursacht einen erheblichen Aufwand, da eine Ölpumpe, ein Wärmetauscher und in der Regel ein Ölfilter verbaut werden. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Getriebekühlung für Antriebsgetriebe mit hohem Kühlbedarf, insbesondere also solche der gehobenen Leistungsklasse, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, eine einfache Getriebekühlung für ein derartiges Antriebsgetriebe anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Getriebekühlung gemäß Patentanspruch 1 gelöst, sowie durch ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer solchen Getriebekühlung. Ein Vorteil, welcher mit einer Getriebekühlung gemäß der Erfindung erreichbar ist, ist eine Vereinfachung der Kühlung der Antriebseinheit, welche auch als Traktionseinheit bezeichnet werden kann, wobei dadurch eine Kosteneinsparung und eine Erhöhung der Funktionssicherheit erreichbar sind.
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Ein Grundprinzip der Erfindung ist die Steigerung der Wärmeabfuhr aus dem Getriebeöl, wobei hierzu insbesondere vorgeschlagen ist, Kühlmittel eines Kraftfahrzeugkühlkreislaufs möglichst nahe an einer Getriebeeinrichtung, dessen Getriebeöl Wärme entzogen werden soll, herangeführt ist und somit das Getriebegehäuse dieser Getriebeeinrichtung großflächig im Bereich des Getriebeölraums zu kühlen. Weiter ist der Wärmeaustausch zwischen der Getriebeeinrichtung und diesem Kühlmittel an einem Ort vorgesehen ist wo die Strömungsgeschwindigkeit des Getriebeöls im planmäßigen Betrieb hoch ist und wo sich regelmäßig große Mengen Getriebeöls befinden, die ist insbesondere in einem sich in planmäßiger Einbaulage der Traktionseinheit geodätisch unten befindlichen Bereich dieser Einheit. Weiter ist vorzugsweise vorgesehen Rippen oder eine rippenartige Struktur vorzusehen, welche im Vergleich zu einer Getriebegehäusewandung ohne eine solche Struktur, zur einer Erhöhung der Wandoberfläche führt, welche insbesondere in oben genannten Bereich von Getriebeöl kontaktierbar ist und somit eine erhöhten Aufnahme von Wärme aus dem Getriebeöl ermöglicht.
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Im Sinn der Erfindung ist unter einer Traktionseinheit mit einer Getriebekühlung, eine Antriebsvorrichtung zu verstehen, welche zum Bereitstellen von Antriebsleistung zum Überwinden von Fahrwiderständen eines Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Weiter weist eine solche Traktionseinheit eine Antriebsmaschine auf, vorzugsweise ist die Antriebsmaschine als ein elektromechanischer Energiewandler ausgebildet, vorzugsweise als sogenannter Elektromotor / -generator (Elektromotorgenerator). Weiter weist die Traktionseinheit eine Antriebsgetriebeeinrichtung auf, welche zum Übertragen und Wandeln der von der Antriebsmaschine bereitgestellten Antriebsleistung eingerichtet ist. Die Antriebsgetriebeeinrichtung ist vorzugsweise als Zahnradgetriebeeinrichtung ausgebildet, vorzugsweise als Antriebsgetriebeeinrichtung mit einem einzigen Übersetzungsverhältnis und vorzugsweise mit wenigstens zwei schaltbaren Übersetzungsverhältnissen. Die Antriebsmaschine ist mit der Antriebsgetriebeeinrichtung wenigstens zeitweise verbindbar und vorzugsweise ist die Antriebsmaschine zur Übertragung der Antriebsleistung (Drehzahl, Drehmoment) mit der Antriebsgetriebeeinrichtung verbunden. Vorzugsweise ist eine Abtriebswelle der Antriebsmaschine konzentrisch zu einer Getriebeeingangswelle der Antriebsgetriebeeinrichtung ausgerichtet und vorzugsweise drehstarr und besonders bevorzugt dauerhaft drehmomentleitend mit dieser verbunden. Die Antriebsmaschine ist insbesondere unmittelbar benachbart zu der Antriebsgetriebeeinrichtung angeordnet und insbesondere sind die Antriebsmaschine und die Antriebsgetriebeeinrichtung in einer gemeinsamen Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung aufgenommen. Insbesondere ist unter einer solchen Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung eine einteilige oder vorzugsweise mehrteilige Gehäusevorrichtung zu verstehen, in welcher sowohl die Antriebsmaschine und die Antriebsgetriebeeinrichtung angeordnet sind.
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Weiter ist in der Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung ein Getriebeölraum angeordnet, wobei in diesem Getriebeölraum Antriebsmittel der Antriebsgetriebeeinrichtung zur Übertragung der Antriebsleistung angeordnet sind, insbesondere Zahnräder und Getriebewelle. Der Getriebeölraum ist zudem zur Aufnahme eines Getriebeschmierstoffs vorgesehen, um so eine Schmierung und/oder Kühlung der Antriebsgetriebeeinrichtung zu erreichen. In dem Getriebeölraum ist demnach wenigstens eine Zahnradpaarung zur Übertragung von Antriebsleistung von der Antriebsmaschine angeordnet.
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Diese Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung weist eine Wärmetauschereinrichtung auf, wobei die Wärmetauschereinrichtung mittels einer Getriebegehäusewandung vom Getriebeölraum getrennt und fluiddicht gegenüber dem Getriebeölraum abgeschlossen ist. Funktional ist die Wärmetauschereinrichtung insbesondere dazu eingerichtet, Wärme aus dem Getriebeölraum aufzunehmen und in eine Wärmesenke abzugeben.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung ist es vorgeschlagen, dass die Wärmetauschereinrichtung einen Kühlraum aufweist, wobei der Kühlraum wenigstens abschnittsweis von dieser Getriebegehäusewandung, also einem Bereich der Wandung der Antriebsgetriebeeinrichtung, begrenzt ist. Bildlich gesprochen ist die Wärmetauschereinrichtung unmittelbar an einer Wandung der Antriebsgetriebeeinrichtung angeordnet, insbesondere trennt diese Wandung im Bereich der Wärmetauschereinrichtung den Kühlraum vom Getriebeölraum. Weiter ist der Kühlraum der Wärmetauschereinrichtung fluidleitend mit einem Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf derart verbindbar oder ist vorzugsweise dauerhaft mit einem solchen Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf verbunden, dass dem Kühlraum Kühlmittel aus dem Kraftfahrzeugkühlmittelraum zuführbar ist, so dass dieses Kühlmittel Wärme aus dem Getriebeöl aufnimmt. Weiter vorzugsweise weist die Wärmetauschereinrichtung wenigstens einen Einlass für Kühlmittel aus einem Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf auf und einen Auslass für dieses Kühlmittel in einen Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf. Weiter vorzugsweise ist die Wärmetauschereinrichtung derart eingerichtet, dass diese wenigstens zeitweise von einem Kühlmedium aus einem Kraftfahrzeugkühlmittelkreislaufs durchströmbar ist.
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Weiter vorzugsweise ist unter einem Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf eine Einrichtung des Kraftfahrzeugs zu verstehen, welche wenigstens eine weitere Einrichtung des Kraftfahrzeugs, außer der Traktionseinheit mit Kühlmittel versorgt, vorzugsweise eine Einrichtung wie ein elektrochemischer Energiespeicher oder bevorzugt eine Klimatisierungseinrichtung für eine Kraftfahrzeugkabine. Insbesondere durch eine solche Ausgestaltung der Traktionseinheit ist es ermöglicht, einen Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf effizient, insbesondere zusätzlich, für die Kühlung beziehungsweise Temperierung der Traktionseinheit zu nutzten und somit ist ein besonders betriebssicherer und effizienter Betrieb der Traktionseinheit ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Gehäusewandung gegenüberliegend zu der Wärmetauschereinrichtung, insbesondere also auf der der Wärmetauschereinrichtung abgewandten Seite dieser Gehäusewandung, wenigstens eine und vorzugsweise eine Vielzahl von Wärmeleitrippe auf. Weiter vorzugsweise sind die Wärmeleitrippen im Getriebeölraum angeordnet und weiter vorzugsweise derart angeordnet, dass diese das Getriebeöl im Getriebeölraum kontaktieren insbesondere wenn die Traktionseinheit sich im planmäßigen Betrieb befindet. Weiter vorzugsweise ist die wenigstens eine Wärmeleitrippe ausgehend von der Gehäusewandung derart ausgerichtet, dass diese sich in den Getriebeölraum hinein erstreckt. Insbesondere mit einer solchen Ausführungsform wird die Oberfläche, über welche Wärme aus dem Getriebeöl aufnehmbar ist vergrößert, so dass damit die Wärmeabfuhr aus dem Getriebeöl verbessert ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmetauschereinrichtung eine Kühlmediumsumlenkstruktur auf. Die Kühlmediumsumlenkstruktur ist insbesondere dazu eingerichtet, ein Kühlmittel, welches aus dem Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf dem Kühlraum der Wärmetauschereinrichtung durchströmt, in der Wärmetauschereinrichtung umlenkbar ist, beziehungsweise beim durchströmen dieser umgelenkt wird, so dass dieses Kühlmedium mehr Wärme beim Durchströmen der Wärmetauschereinrichtung aufnimmt als bei einer direkten beziehungsweise geradlinigen Durchströmung ohne Umlenkung. Weiter vorzugsweise ist die Kühlmediumsumlenkstruktur derart eingerichtet, einen insbesondere gedachten, Kühlmediumsstrom beim Durchströmen der Wärmetauschereinrichtung umzulenken. Anders gewendet ist die Wärmetauschereinrichtung, insbesondere deren Kühlraum, derart ausgebildet, dass diese entlang eines Kühlmediumswegs von einem gedachten Kühlmediumsstrom, von einem Kühlmediumseinlass in die Wärmetauschereinrichtung hinein, hin zu einem Kühlmediumsauslass, durch welchen das Kühlmedium aus der Wärmetauschereinrichtung austritt, durchströmbar ist. Weiter ist die Kühlmediumsumlenkstruktur dazu eingerichtet und ausgebildet den Kühlmediumsstrom auf diesem Kühlmediumsweg um wenigstens 90° umzulenken und vorzugsweise mehrfach um zu lenken. Insbesondere in einer solchen Ausgestaltung der Erfindung ist ein besonders guter Wärmeübergang aus dem Getriebeöl in das Kühlmedium erreichbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmetauschereinrichtung bezogen auf eine planmäßige Einbaulage der Traktionseinheit geodätisch unten angeordnet. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Getriebeöl im planmäßigen Betrieb der Traktionseinheit in eben diesem Bericht vermehrt aufhält, beziehungsweise diesen mit „hoher“ Geschwindigkeit durchströmt und somit ist insbesondere durch eine derartige Ausgestaltung der Erfindung ein effizienter Wärmeübergang aus dem Getriebeöl in das Kühlmedium ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Kühlmediumssteuerventil vorgesehen, welches zum Steuern beziehungsweise Regeln des Volumenstroms an Kühlmedium durch den Kühlraum der Wärmetauschereinrichtung vorgehsehen ist. Vorzugsweise ist das Kühlmediumssteuerventil, bezogen auf eine planmäßige Durchströmung der Wärmetauschereinrichtung mit Kühlmedium stromaufwärts zum Kühlraum angeordnet und weiter vorzugsweise stromabwärts. Vorzugsweise ist das Kühlmediumssteuerventil in der Wärmetauschereinrichtung angeordnet und weiter vorzugsweise ist dieses beabstandet zu dieser angeordnet. Funktional ist das Kühlmediumsstauerventil damit insbesondere zur Steuerung eines Durchflusses von Kühlmedium durch die Wärmetauschereinrichtung eingerichtet. Insbesondere mittels eines Kühlmediumssteuerventils ist es ermöglicht eine bedarfsgerechte Steuerung der Kühlung der Traktionseinheit zu erreichen. Weiter vorzugsweise unterbindet oder reduziert das Kühlmediumssteuerventil in einer Warmlaufphase eine Strömung von Kühlmedium durch die Wärmetauschereinrichtung und ermöglicht so ein schnelles erwärmen der Traktionseinheit auf eine Betriebstemperatur, dies wirkt sich insbesondere günstig auf die Effizienz der Traktionseinheit aus.
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Weiter vorzugsweise ist ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Traktionseinheit nach eine der zuvor erläuterten Ausführungsformen vorgeschlagen. Weiter ist dieses Kraftfahrzeugantriebssystem zum Antrieb eines Personenkraftwagens eingerichtet. Dieser Personenkraftwagen weist einen Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf auf, welcher nach oben erläuterter Bauart zur Kühlung oder Temperierung wenigstens einer weiteren Komponente des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Weiter vorzugsweise ist die Traktionseinheit, insbesondere deren Wärmetauschereinrichtung, vorzugsweise dauerhaft oder bevorzugt wenigstens zeitweise fluidleitend mit diesem Kraftfahrzeugkühlmittelkreislauf verbunden. Weiter vorzugsweise ist damit der Kühlraum der Wärmetauschereinrichtung wenigstens zeitweise von Kühlmedium des Kraftfahrzeugkühlmittelkreislaufs durchströmt. Insbesondere mittels einer solchen Ausgestaltung ist ein besonders effizientes Kraftfahrzeugantriebssystem darstellbar.
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Nachfolgend sind einzelne Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung anhand der teilweise schematisierten Figuren näher erläutert, wobei auch andere Kombinationen von Merkmalen als die dargestellten grundsätzlich möglich sind, dabei zeigt:
- 1: Schnittdarstellung durch die Traktionseinheit,
- 2: Schnittdarstellung durch die Wärmetauschereinrichtung,
- 3: Perspektivische Darstellung der Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung.
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In 1 ist eine Schnittdarstellung einer Traktionseinheit dargestellt. In der Traktionseinheit 8 ist das Finaldrive Zahnrad angeordnet, welche Antriebsleistung von der Antriebsmaschine (nicht dargestellt) auf ein Differentialgetriebe (nicht dargestellt) überträgt. Vom Differentialgetriebe wird die Antriebsleistung in Richtung 6a / 6b zu dem linken und rechten Antriebsrad (nicht dargestellt) übertragen. Das Finaldrive Zahnrad 2 ist im Getriebeölraum 1 angeordnet und wird im planmäßigen Betrieb der Traktionseinheit 8 von Getriebeöl geschmiert und gekühlt. Bei der Übertragung von Antriebsleistung fallen in der Traktionseinheit 8 unvermeidbare Verluste an, welche zu einer Erwärmung insbesondere des Getriebeöls führen. Insbesondere bei einer Traktionseinheit 8 mit hoher Leistung, kann es zu einer derart starken Erwärmung des Getriebeöls kommen, dass dieses ohne eine aktive Temperierung versagen würde.
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In Schwerkraftrichtung 7 und damit unten an der Traktionseinheit 8, ist die Wärmetauschereinrichtung 12 angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, Wärme aus dem Getriebeöl aufzunehmen und an ein Kühlmedium abzugeben, welches den Kühlraum 3 der Wärmetauschereinrichtung 12 durchströmt. In der Wärmetauschereinrichtung 12 ist die Kühlmediumsumlenkstruktur 9 angeordnet, welche zur Umlenkung des Kühlmediumsstroms im Kühlraum 3 führt.
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Zur Verbesserung der Wärmeleitung aus dem Getriebeölraum 1 in den Kühlraum 3 sind an der Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung 4, also an der Wandung zwischen dem Getriebeölraum 1 und dem Kühlraum 3, Wärmeleitrippen 5 angeordnet, welche die Wandoberfläche, welche mit dem Getriebeöl in diesem Bereich in Kontakt tritt vergrößert.
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In 2 ist eine Schnittansicht der Traktionseinheit 8 von unten dargestellt. Weiter sind zur Orientierung auch die Richtungen 6a / 6b dargestellt, welche zum rechten beziehungsweise zum linken Antriebsrad weisen. Weiter ist auch das Finaldrive Zahnrad dargestellt, es ist also lediglich ein Teil der Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung 4 in dieser Ansicht dargestellt. Die Wärmetauschereinrichtung 12 ist einstückig mit der Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung 4 ausgebildet. Weiter ist erkennbar, wie die Kühlmediumseinrichtung 9 einen Kühlmediumsstrom im Kühlraum 3 umlenkt, auf dessen Weg vom Kühlmediumseinlass 10 hin zum Kühlmediumsauslass 11.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht der Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung 4 dargestellt. Zur besseren Orientierung sind die Schwerkraftrichtung 7 und die Richtung 6a zum linken Antriebsrad dargestellt. Weiter ist erkennbar, an welchem Ort in Getriebeölraum 1 die Wärmeleitrippen 5 zur Aufnahme von Wärme aus dem Getriebeöl angeordnet sind.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, basiert das Grundprinzip der Erfindung insbesondere auf drei Maßnahmen vorzugsweise auf zwei oder mehr dieser Maßnahmen zur Steigerung der Wärmeabfuhr aus dem Getriebeöl, wobei die Wärme aus dem Getriebeöl in Kühlmedium aus einem Kraftfahrzeugkühlkreislauf abgeführt wird. Die Maßnahmen sind im Wesentlichen:
- 1. Das Kühlmittel oder Kühlmedium des Kraftfahrzeugkühlkreislaufs wird möglichst nah an den Getrieberaum der Traktionseinheit herangeführt und kühlt das Gehäuse, sogenannte Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung, „großflächig“ im Bereich des Getriebeölraums.
- 2. Die Getriebekühlung kommt im Getriebeölraum dort zum Einsatz, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Getriebeöls im planmäßigen Betrieb der Traktionseinheit (Finaldrive Zahnrad befindet sich in Rotation) „hoch“ ist und sich regelmäßig große Mengen des Getriebeöls befinden, wobei dies regelmäßig unten an der Traktionseinheit der Fall ist.
- 3. Wärmeleitrippen, die in den Getriebeölraum hinein ragen, erhöhen die Oberfläche zur Wärmeabfuhr aus dem Getriebeöl zusätzlich.
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Weiter können die obigen Punkte 1. und 2. aus insbesondere dadurch realisiert werden, dass die äußere Fläche und Stirnfläche der Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung in der Nähe des Finaldrive Zahnrads gekühlt werden. Die Getriebekühlung findet dabei vor allem im unteren Bereich statt, da die Wirkung der Schwerkraft das Getriebeöl an dieser Stelle zusammenführt und damit viel Getriebeöl für den Wärmetransport zur Verfügung steht.
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Gleichzeitig herrscht im Bereich des Finaldrive Zahnrads durch die Bewegung dieses Zahnrads regelmäßig eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Getriebeöl, was zu einem hohen Wärmeübergang in das Getriebeöl und in die Wandung der Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung führt.
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Zusätzliche Wärmeleitrippen im Bereich dieser Wandung (s.o.) führen zu einer weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs (Punkt 3.) realisiert. Weiter sind diese Wärmeleitrippen derart ausgestaltet, dass diese in den Hinterschnitt der Geometrie des Finaldrive Zahnrads, insbesondere aber in den Getriebeölraum hinein ragen. Vorzugsweise sind die Wärmeleitrippen oder die wenigstens eine Wärmeleitrippe, sind dabei in Umfangsrichtung, bezogen auf das Finaldrive Zahnrad, orientiert, insbesondere durch diese Orientierung der wenigstens einen Wärmeleitrippe werden die Fluidreibungsverluste nicht wesentlich beeinflusst. Weiter ermöglicht die in 3 dargestellte versetzte Wellenform der Wärmeleitrippen ein radiales Durchströmen der Rippenanordnung. Die beschriebene Anordnung der Wärmeleitrippen ist bauraumneutral, d.h. es benötigt keinen zusätzlichen Verbauort oder -raum im Getriebeölraum im Vergleich zu einer Ausführungsform ohne Wärmeleitrippe.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeölraum
- 2
- Finaldrive Zahnrad
- 3
- Kühlraum
- 4
- Traktionseinheit-Getriebegehäusevorrichtung
- 5
- Wärmeleitrippe
- 6a/6b
- Richtung Radantrieb
- 7
- Schwerkraftrichtung
- 8
- Traktionseinheit
- 9
- Kühlmediumsumlenkstruktur
- 10
- Kühlmediumseinlass in den Kühlraum
- 11
- Kühlmediumsauslass aus dem Kühlraum
- 12
- Wärmetauschereinrichtung
