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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine mit einem relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor und einer Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden, und der Rotor drehmomentübertragend an die Getriebeanordnung angebunden ist, wobei der Achsantriebsstrang in einem Gehäuse aufgenommen ist.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnradifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen fertigungstechnisch günstigen sowie montagefreundlichen und somit kostengünstig herstellbaren elektrischen Achsantriebsstrang bereitzustellen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang zu realisieren, welcher eine äußerst kompakte Bauform aufweist und gewichtsoptimiert ausgebildet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend eine elektrische Maschine mit einem relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor und einer Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden, und der Rotor drehmomentübertragend an die Getriebeanordnung angebunden ist, wobei der Achsantriebsstrang in einem Gehäuse aufgenommen ist, wobei das Gehäuse wenigstens einen Gehäuseabschnitt aufweist, welcher als ein Sandwichbauteil mit einem Kern und einer an dem Kern anliegenden ersten Decklage und zweiten Decklage ausgebildet ist, wobei in dem Kern wenigstens eine elektrische Leitung und/oder eine hydraulische Leitung angeordnet sind/ist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Leitungen im Inneren des Gehäuseabschnitts verlaufen und so vor mechanischen, chemischen, elektromagnetischen als auch thermischen Einflüssen besser geschützt sind, als wenn die Leitungen außen am Gehäuse geführt sind. Ferner können die entsprechenden Leitungen in dem Gehäuseabschnitt vorkonfektioniert werden, was mögliche Fehlmontagen vermeidet und den Montageprozess vereinfacht.
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Der Gehäuseabschnitt kann einstückig, insbesondere monolithisch mit dem Gehäuse ausgebildet sein oder aber auch mehrstückig, wobei dann der Gehäuseabschnitt insbesondere form-, kraft- und/oder stoffschlüssig an das Gehäuse des Achsantriebsstrangs angebunden ist.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und eine Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind, welches in dieser Anmeldung auch einfach als Gehäuse bezeichnet ist. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung der Getriebeanordnung gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist.
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Das Antriebsstranggehäuse ist bevorzugt aus einem metallischen Material, insbesondere bevorzugt aus Aluminium, Grauguss oder Stahlguss, insbesondere mittels einem Urformverfahren wie Gießen oder Druckguss geformt. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, das Antriebsstranggehäuse aus einem Kunststoff zu bilden.
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Das Antriebsstranggehäuse kann insbesondere bevorzugt eine topfartige Grundform aufweisen, so dass die elektrische Maschine und das Getriebe über die offene Stirnseite des Antriebsstranggehäuses in dieses eingesetzt werden können.
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Eine elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann die elektrische Maschine als Radial- oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. Um einen axial besonders kompakt bauende Achsantriebsstrang auszubilden, sind Axialflussmaschinen zu bevorzugen.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Die Getriebeanordnung des elektrischen Achsantriebsstrangs ist insbesondere mit der elektrischen Maschine koppelbar, welche zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Bei dem Antriebsdrehmoment handelt es sich besonders bevorzugt um ein Hauptantriebsdrehmoment, sodass das Kraftfahrzeug ausschließlich durch das Antriebsdrehmoment angetrieben wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Leitung und/oder die hydraulische Leitung im Wesentlichen entlang einer neutralen Phase des Sandwichbauteils verlaufen, so dass diese im Betrieb des Achsantriebsstrangs möglichst ohne Biege- und/oder Scherbeanspruchung geführt werden können, was die Betriebs- und Ausfallsicherung der Leitungen erhöht.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Kern und/oder die erste Decklage und/oder die zweite Decklage mehrschichtig aufgebaut ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die erste Decklage und/oder die zweite Decklage einstückig, insbesondere monolithisch, mit dem Gehäuse, insbesondere mit einem Motorgehäuse der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass sich das Sandwichbauteil flächig in einer orthogonal zur Rotationsachse des Rotors der elektrischen Maschine stehenden Ebene erstreckt.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die erste Decklage und/oder die zweite Decklage aus einem Aluminium, insbesondere Aluminium-Druckguss, einer Magnesium-Legierung, insbesondere Magnesium-Druckguss oder einem Kunststoff, insbesondere Faserverbundwerkstoff, geformt ist.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die erste Decklage und/oder die zweite Decklage wenigstens einen elektrischen Anschluss zur Verbindung mit der elektrischen Leitung und/oder wenigstens einen hydraulischen Anschluss zur Verbindung der hydraulischen Leitung aufweisen/aufweist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass eine besonders gute Integration der Leitungen in dem Sandwichbauteil erfolgen kann, bei gleichzeitig sicherer und montagefreundlicher Anbindung der Leitungen an andere Systeme des Achsantriebsstrangs. In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass der elektrische Anschluss und/oder der hydraulische Anschluss als Steckverbinder ausgebildet sind/ist, wodurch die Montagefreundlichkeit und Montagesicherheit weiter verbessert werden kann.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass an der ersten Decklage ein elektrisches Steuerungsmodul, insbesondere ein Leistungselektronikmodul angeordnet ist und/oder an der zweiten Decklage ein hydraulisches Steuerungsmodul angeordnet ist.
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Der elektrisch betreibbare Achsantriebsstrang kann ferner ein elektrisches Steuerungsmodul aufweisen. Ein elektrisches Steuerungsmodul kann insbesondere eine Steuereinrichtung, sowie weitere Komponenten in einer baulichen Einheit umfassen. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme des elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrangs, wie beispielsweise eines oder mehrerer Hydraulikkreisläufe, der elektrischen Maschine, schaltbarer Getriebekomponenten und dergleichen. Das elektrische Steuerungsmodul kann insbesondere mit elektrischen Verbrauchern des Achsantriebsstrangs verbunden sein.
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Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen, beispielsweise an elektrische Aktuatoren oder elektrische Verbraucher des elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrangs oder des Kraftfahrzeugs.
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Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
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Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können. Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind.
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Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
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Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.
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Der elektrisch betreibbare Achsantriebsstrang kann auch ein hydraulisches Steuerungsmodul aufweisen. Ein hydraulisches Steuerungsmodul kann insbesondere eine hydraulische Fördereinrichtung, wie beispielsweise eine Pumpe, und/oder hydraulische Schaltvorrichtungen wie Ventile, sowie weitere Komponenten in einer baulichen Einheit umfassen. Das hydraulische Steuerungsmodul kann insbesondere mit hydraulischen Verbrauchern und/oder Hydraulikkreisläufen des Achsantriebsstrangs verbunden sein.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die elektrische Leitung einerseits mit der elektrischen Maschine und andererseits mit dem elektrischen Steuerungsmodul verbunden ist und/oder die hydraulische Leitung einerseits mit der elektrischen Maschine und andererseits mit dem hydraulischen Steuerungsmodul verbunden ist. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass eine elektrische und/oder eine hydraulische Leitung zwischen dem elektrischen Steuerungsmodul und dem hydraulischen Steuerungsmodul durch das Sandwichbauteil geführt ist. Auch kann es vorgesehen sein, dass eine hydraulische Leitung zwischen dem hydraulischen Steuerungsmodul und einer Getriebeanordung des Achsantriebsstrangs verläuft.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Kern der Kern eine Struktur aufweist, ausgewählt aus der Gruppe der Schäume, Welllagen oder Waben und/oder ein Material aufweist, ausgewählt aus der Gruppe der Aluminium-Werkstoffe, Magnesium-Werkstoffe, Kunststoff-Werkstoffe.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Achsantriebsstrangs,
- 2 eine perspektivische Ansicht auf ein Gehäuse eines Achsantriebsstrangs,
- 3 eine perspektivische Ansicht auf ein Gehäuse eines Achsantriebsstrangs, und
- 4 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
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Die 1 zeigt einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang 1 eines Kraftfahrzeugs 2, wie er auch exemplarisch in der 4 abgebildet ist.
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Der Achsantriebsstrang 1 umfasst eine elektrische Maschine 3 mit einem relativ zu einem Stator 4 drehbar gelagerten Rotor 5 und einer Getriebeanordnung 6, wobei die elektrische Maschine 3 und die Getriebeanordnung 6 eine bauliche Einheit 7 bilden und der Rotor 5 drehmomentübertragend an die Getriebeanordnung 6 angebunden ist, was auch gut aus der Zusammenschau von 1 und 4 zu erkennen ist.
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Der Achsantriebsstrang 1 ist in einem Gehäuse 8 aufgenommen, wobei das Gehäuse 8 einen Gehäuseabschnitt 9 aufweist, welcher als ein Sandwichbauteil 10 mit einem Kern 11 und einer an dem Kern 11 anliegenden ersten Decklage 12 und zweiten Decklage 13 ausgebildet ist. In dem Kern 11 sind wenigstens eine elektrische Leitung 14 und eine hydraulische Leitung 15 angeordnet. Die elektrische Leitung 14 und die hydraulische Leitung 15 verlaufen im Wesentlichen entlang einer neutralen Phase des Sandwichbauteils 10. Das Sandwichbauteil 10 erstreckt sich flächig in einer orthogonal zur Rotationsachse des Rotors 5 der elektrischen Maschine 3 stehenden Ebene, was auch gut in den 2-3 zu erkennen ist.
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Das Gehäuse 8 umfasst ein Motorgehäuse 16 zur Aufnahme der elektrischen Maschine 3. Die erste Decklage 12 und die zweite Decklage 13 sind einstückig, insbesondere monolithisch, mit dem Motorgehäuse 16 der elektrischen Maschine 3 ausgebildet und aus einem Grauguss oder einem Stahlguss geformt.
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In der 1 ist ferner gezeigt, dass die erste Decklage 12 einen elektrischen Anschluss 17 zur Verbindung mit der elektrischen Leitung 14 und die zweite Decklage 13 einen hydraulischen Anschluss 18 zur Verbindung der hydraulischen Leitung 15 aufweist. Der elektrische Anschluss 17 und der hydraulische Anschluss 18 sind als Steckverbinder ausgebildet. An der ersten Decklage 12 ist ein elektrisches Steuerungsmodul 19, insbesondere ein Leistungselektronikmodul angeordnet ist und an der zweiten Decklage 13 ein hydraulisches Steuerungsmodul 20.
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Die elektrische Leitung 14 ist einerseits mit der elektrischen Maschine 3 und andererseits mit dem elektrischen Steuerungsmodul 19 verbunden. Auch die hydraulische Leitung 15 ist in analoger Weise einerseits mit der elektrischen Maschine 3 und andererseits mit dem hydraulischen Steuerungsmodul 20 verbunden.
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Die vereinfachte Montage eines elektrischen Steuerungsmoduls 19 ist gut anhand der 2-3 erkennbar. Das Steuerungsmodul 19 kann auf die erste Decklage 12 des Sandwichbauteils 10 aufgelegt werden, wobei die erste Decklage 12 und das elektrische Steuerungsmodul 19 so ausgeformt sind, dass sie formschlussbewirkt eine definierte Lage zueinander einnehmen und durch Aufstecken des gesamten elektrischen Steuerungsmoduls 19 eine Verbindung zwischen dem elektrischen Anschluss 17 und dem elektrischen Steuerungsmodul 19 bewirkt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achsantriebsstrang
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- Stator
- 5
- Rotor
- 6
- Getriebeanordnung
- 7
- Einheit
- 8
- Gehäuse
- 9
- Gehäuseabschnitt
- 10
- Sandwichbauteil
- 11
- Kern
- 12
- Decklage
- 13
- Decklage
- 14
- elektrische Leitung
- 15
- hydraulische Leitung
- 16
- Motorgehäuse
- 17
- elektrischer Anschluss
- 18
- hydraulischer Anschluss
- 19
- elektrisches Steuerungsmodul
- 20
- hydraulisches Steuerungsmodul
