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Die Erfindung betrifft eine Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse. Die Erfindung betrifft ferner ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung, sowie eine elektrische Achsantriebs-Einheit für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung, sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung.
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Die
DE 10 2016 010 926 A1 beschreibt einen Wellenerdungsring zur Ableitung induzierter Spannungen von einer Welle in ein Maschinenelement. Der bekannte Wellenerdungsring weist ein Gehäuse und mehrere am Gehäuse angeordnete Ableitelemente auf, wobei ein elastisch gebogener Randbereich jedes der Ableitelemente an der Welle anliegt, sodass ein elektrisch leitfähiger Schleifkontakt zur Welle gebildet wird, wobei die Ableitelemente in zumindest über einen Teil des Umfanges sich erstreckende scheibenförmige Ableitkörper sind.
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Ferner sind mechanisch und elektrisch mit einem Gehäuse verbundene Wellenerdungseinrichtungen bekannt, welche biegeelastische und elektrisch leitfähige Kontaktelemente aufweisen, welche einen elektrisch leitenden Schleifkontakt zu einer Umfangsfläche der Welle oder zu einer auf die Welle aufgebrachten Hülse bilden, wobei die Kontaktelemente derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie aufgrund ihrer eigenen Biege-Elastizität eine Vorspannung des Schleifkontakts bewirken und wobei jedes der Kontaktelemente einen Gelenkabschnitt und einen Schleifkontaktabschnitt mit einem Verschleißbereich aufweist. Die Einstellung der Radialkraft der Kontaktelemente zur Erzeugung der Vorspannung erfolgt über die Gelenkdicke am Knickpunkt zwischen dem Gelenkabschnitt und dem Schleifkontaktabschnitt.
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Wellenerdungseinrichtungen benötigen nach dem Stand der Technik eine geringe aber gleichbleibende Anpressung mit einem gut leitfähigem Material auf einer sauberen und geschliffenen Wellenoberfläche über die Lebensdauer.
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Um die Leitfähigkeit zu verbessern, sind nach dem Stand der Technik Kontaktelemente aus einer Kombination eines Trägermaterials aus Kunststoff mit leitfähigen Partikeln wie Grafit und einer zusätzlichen Leitschicht einer Silberoberfläche vorgeschlagen worden. Hierbei soll das Trägermaterial aus Kunststoff definiert verschleißen, um somit eine Erneuerung der Kontaktoberfläche des besonders gut leitfähigen Silbers zu ermöglichen.
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Während des Betriebs einer Wellenerdungseinrichtung kommt es zu einem Verschleiß der Kontaktelemente, sodass die Kontaktelemente mit fortschreitender Betriebsdauer kürzer werden. Dadurch sinkt die Vorspannung des Schleifkontakts. Um über die Lebensdauer einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zu gewährleisten, muss die initiale Vorspannung der Kontaktelemente entsprechend hoch gewählt werden.
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Eine geringe Anpressung, wie im Stand der Technik beschrieben, kann in dem Nachteil resultieren, dass ungewollte Betriebsstoffe wie Getriebeöl, Konservierungsmittel, sowie Fett zu einem Aufschwimmen der Kontaktelemente führen können. Im Rahmen von Versuchen wurde beobachtet, dass niederviskose Betriebsstoffe wie beispielsweise Getriebeöl zu einem längeren Aufschwimmen von Wellendichtringen führen. Derartige Wellendichtringe werden zur Abdichtung von Lagern verwendet. Die zu erdenden drehbaren Wellen sind in der Regel über ein Kugellager am Gehäuse gelagert, wobei sich das Kugellager in einem Ölraum befindet, zu dessen Abdichtung gegenüber der Umgebung ein Radialwellendichtring mit einer Dichtlippe vorgesehen ist, welcher einen Schleifkontakt zur Welle bildet, wobei die Wellenerdungseinrichtung an der Umgebungsseite des Radialwellendichtrings angeordnet ist.
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Die Auswirkung dieses Aufschwimmens ist eine kurzzeitige (ca. 15 Stunden Betriebsdauer) deutliche elektrische Widerstandserhöhung, wobei der Effekt des Aufschwimmens umso größer ist, desto niederviskoser der störende Betriebsstoff ist.
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Aufgrund des Verschleißes des Trägermaterials der Kontaktelemente kommt es zu einer axialen Wanderung der Kontaktspur, welche insbesondere dann nachteilig ist, wenn es sich um einen Wellenwerkstoff handelt, der aufgrund äußerer Einwirkungen zur Korrosion angeregt werden kann, wobei der Nachteil entsteht, wenn die Korrosion neben der aktuellen Laufspur der Kontaktelemente beginnt und die Kontaktelemente aufgrund der verschleißbedingten axialen Wanderung der Kontaktspur auf eine ankorrodierte Stelle treffen. Die korrosive Oberfläche führt zu einem erhöhten Verschleiß des Trägermaterials der Kontaktelemente, was in nachteiliger Weise in einer geringen Lebensdauer führen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird eine Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse vorgeschlagen, welche ringförmig ausgestaltet ist und mehrere biegeelastische und elektrisch leitfähige Kontaktelemente aufweist, um einen elektrisch leitenden Schleifkontakt zu einer Umfangsfläche der Welle oder zu einer auf die Welle aufgebrachten Hülse zu bilden, wobei jedes der Kontaktelemente einen Gelenkabschnitt und einen Schleifkontaktabschnitt mit einem Verschleißbereich aufweist.
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Gemäß der Erfindung weist die Wellenerdungseinrichtung zusätzlich zu den biegeelastischen und elektrisch leitfähigen Kontaktelementen zumindest ein biegeelastisches Kontaktelement auf, umfassend einen Gelenkabschnitt und einen Schleifkontaktabschnitt mit einem Verschleißbereich, dessen Länge der Länge der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente entspricht und welches ausschließlich als Reinigungselement der Welle oder der Hülse dient und bei gleicher Anpresskraft wie die biegeelastischen und elektrisch leitfähigen Kontaktelemente eine geringere Breite und somit Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse aufweist, was zu einer erhöhten Flächenpressung führt, wobei die Kontaktfläche im Betrieb der erfindungsgemäßen Wellenerdungseinrichtung die aktuelle Laufspur der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente abdeckt.
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Die geringere Breite des zumindest einen Reinigungselementes führt in vorteilhafter Weise dazu, dass Restöl und ungewollte Betriebsstoffe auf der Laufbahn der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente durch die erhöhte Flächenpressung schneller auf der Welle oder der Hülse beseitigt werden, wodurch die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente schneller wieder in den Kontakt zur Welle oder zur Hülse treten können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zumindest eine Reinigungselement bei insgesamt geringerer Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse verglichen mit den elektrisch leitfähigen Kontaktelementen derart ausgeführt, dass sich die Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse axial in Richtung auf den Gelenkabschnitt betrachtet über einen größeren axialen Bereich erstreckt und somit im Betrieb auch verschleißbedingte künftige Laufspuren der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente abdeckt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dient das zumindest eine Reinigungselement auch der gezielten Raffung vom Verschleiß im Vergleich zu den elektrisch leitfähigen Kontaktelementen, um im Verschleißbereich des zumindest einen Reinigungselementes enthaltene leitfähige Partikeln, beispielsweise Grafit und/oder Additive mit antikorrosiven Eigenschaften als Konservierung auf der aktuellen und für den Fall, dass sich die Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse axial in Richtung auf den Gelenkabschnitt betrachtet über einen größeren axialen Bereich erstreckt und im Betrieb auch verschleißbedingte künftige Laufspuren der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente abdeckt, auch auf der künftigen der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente verschleißbedingt freizusetzen.
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Auf diese Weise kann die zukünftige Laufspur der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente im Betrieb der Wellenerdungseinrichtung vorkonserviert werden, damit im Bereich des Kontaktes auf der Welle oder der Hülse eine verminderte Korrosionsbildung erzielt werden kann. Dadurch wird Korrosion auf der zukünftigen Laufspur der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente verhindert, ohne einen nichtrostenden Werkstoff zu verwenden; nichtrostende Stähle haben beispielsweisen eine bis zu 20fache schlechtere Leitfähigkeit als normal legierte Stähle auf, wobei zudem nichtrostende Stähle teuer sind und eine kostenintensive Fertigung benötigen.
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Für den Fall, das die Wellenerdungseinrichtung mehrere Reinigungselemente aufweist, sind diese vorzugsweise äquidistant über den Umfang der Wellenerdungseinrichtung angeordnet.
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Die vorgeschlagene Wellenerdungseinrichtung kann beispielsweise Bestandteil eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug sein, beispielsweise eines Automatgetriebes oder eines automatisierten Getriebes, zur Erdung Welle des Getriebes gegenüber einem Gehäuse des Getriebes, beispielsweise zur Erdung einer Getriebeabtriebswelle.
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Ferner kann die erfindungsgemäße Anordnung zur Erdung einer Welle einer elektrischen Achsantriebs-Einheit für ein Kraftahrzeug oder einer aus Rotorwelle einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrangs eines Kraftahrzeugs verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert, wobei lediglich die Merkmale detailliert beschrieben werden, die für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind und für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
- 1 und 2 je einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs;
- 3 eine elektrische Maschine;
- 4: Eine perspektivische Detailansicht einer Ausgestaltung einer gemäß der Erfindung ausgeführten Wellenerdungseinrichtung;
- 5: Eine perspektivische Detailansicht der Wellenerdungseinrichtung nach 4 im montierten Zustand; und
- 6: Eine Detail-Schnittansicht der Wellenerdungseinrichtung nach 4.
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1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor VM auf, dessen Ausgang mit einer Eingangswelle GW1 eines Getriebes G verbunden ist. Eine Abtriebswelle GW2 des Getriebes G ist mit einem Differentialgetriebe AG verbunden. Das Differentialgetriebe AG ist dazu eingerichtet, die an der Abtriebswelle GW2 anliegende Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Das Getriebe G weist einen Radsatz RS auf, welcher zusammen mit in 1 nicht dargestellten Schaltelementen dazu eingerichtet ist verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen der Eingangswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 bereitzustellen. Der Radsatz RS ist von einem Gehäuse GG umschlossen, welches auch eine mit der Eingangswelle GW1 verbundene elektrische Maschine EM beherbergt. Die elektrische Maschine EM ist dazu eingerichtet die Eingangswelle GW1 anzutreiben. Am Gehäuse GG ist ein Umrichter INV befestigt. Der Umrichter INV ist einerseits mit der elektrischen Maschine EM und andererseits mit einer Batterie BAT verbunden. Der Umrichter INV dient zur Wandlung des Gleichstroms der Batterie BAT in einen zum Betrieb der elektrischen Maschine EM geeigneten Wechselstrom, und weist dazu mehrere Leistungshalbleiter auf. Die Wandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom erfolgt durch einen gesteuerten pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter.
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2 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, welcher im Gegensatz zur in 1 dargestellten Ausführung ein rein elektrischer Antriebsstrang ist. Der Antriebsstrang weist eine elektrische Achsantriebs-Einheit EX auf. Die elektrische Achsantriebs-Einheit EX umfasst eine elektrische Maschine EM, deren Leistung über einen Reduktionsradsatz RS2 und ein Differentialgetriebe AG auf Antriebsräder DW eines Kraftfahrzeugs übertragen werden. Ausgangswellen DS1, DS2 des Differentialgetriebes AG sind mit den Antriebsrädern DW verbunden. Die elektrische Maschine EM, der Reduktionsradsatz RS2 und das Differentialgetriebe AG sind von einem Gehäuse GA umschlossen. Am Gehäuse GA ist ein Umrichter INV befestigt. Der Umrichter INV ist einerseits mit der elektrischen Maschine EM und andererseits mit einer Batterie BAT verbunden. Der Umrichter INV dient zur Wandlung des Gleichstroms der Batterie BAT in einen zum Betrieb der elektrischen Maschine EM geeigneten Wechselstrom, und weist dazu mehrere Leistungshalbleiter auf. Die Wandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom erfolgt durch einen gesteuerten pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter.
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Die in 1 und 2 dargestellten Antriebsstränge sind nur beispielhaft anzusehen.
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Durch den pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter können elektromagnetische Störsignale entstehen, die beispielsweise im Antriebsstrang gemäß 1 in die Abtriebswelle GW2 oder im Antriebsstrang gemäß 2 in die Ausgangswellen DS1, DS2 eingekoppelt werden. Durch die in 1 und 2 nicht dargestellte Lagerung der Abtriebswelle GW2, bzw. der Ausgangswellen DS1, DS2 sind diese jedoch gegenüber dem Gehäuse GG, bzw. dem Gehäuse GA elektrisch isoliert, da das Schmieröl im Inneren der Gehäuse GG, GA elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Somit können in die Abtriebswelle GW2, bzw. in die Ausgangswellen DS1, DS2 eingekoppelte Störsignale nicht auf kurzem Weg in das Gehäuse GG, bzw. Gehäuse GA fließen, welches mit einer elektrischen Masse des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Stattdessen gelangen die Störsignale durch elektromagnetische Abstrahlung zurück zur elektrischen Masse, wodurch andere elektronische Komponenten des Kraftfahrzeugs gestört werden können. Die aus dem Gehäuse GG, bzw. Gehäuse GA hervortretende Abtriebswelle GW2, bzw. Ausgangswellen DS1, DS2 können dabei eine Antenne bilden, welche die elektromagnetische Abstrahlung der Störsignale begünstigt.
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3 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine EM2. Die elektrische Maschine EM2 weist ein Gehäuse GE auf, welches einen Stator S und einen Rotor R aufnimmt. Der Stator S ist drehfest im Gehäuse GE fixiert. Der Rotor R ist mit einer Rotorwelle RW gekoppelt, wobei die Rotorwelle RW über zwei am Gehäuse GE abgestützte Wälzlager WL1, WL2 drehbar gelagert ist. Ein Ende der Rotorwelle RW ragt aus dem Gehäuse GE hervor. An einem freiliegenden Abschnitt der Rotorwelle RW ist eine Wellenerdungseinrichtung E vorgesehen. Zwischen dem Wälzlager WL2 und der Wellenerdungseinrichtung ist ein Dichtring DR2 vorgesehen. Die Wellenerdungseinrichtung E stellt einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle RW her. Die Wellenerdungseinrichtung E weist dazu Bürsten oder andere elektrisch leitfähige Kontaktelemente auf, welche auf einer Oberfläche der Rotorwelle RW schleifen. Über die Wellenerdungseinrichtung E kann ein Potentialunterschied zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle E abgebaut werden. Die Wälzlager WL1, WL2 werden dadurch vor einem unkontrollierten Potentialausgleich über die Wälzkörper der Wälzlager WL1, WL2 geschützt. 1 und 2 zeigen beispielhafte Anordnungen der Wellenerdungseinrichtung 1.
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In 3, 4 und 5 ist ein Teil einer erfindungsgemäß ausgeführten Wellenerdungseinrichtung 1 zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle 2 und einem Gehäuse dargestellt. Sie ist mechanisch und elektrisch mit dem Gehäuse verbunden und umfasst mehrere biegeelastische und elektrisch leitfähige Kontaktelemente 3, welche einen elektrisch leitenden Schleifkontakt zu einer Umfangsfläche der Welle 2 oder zu einer auf die Welle 2 aufgebrachten Hülse bilden, wobei jedes der Kontaktelemente 3 einen Gelenkabschnitt 4 und einen Schleifkontaktabschnitt 5 mit einem Verschleißbereich 6 aufweist.
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Die Kontaktelemente 3 sind bei den in den Figuren gezeigten Beispielen zwischen einem Halteelement 7 und einem Klemmelement 8 befestigt, wobei das Halteelement 8 einen mechanischen und elektrisch leitfähigen Kontakt zum Gehäuse herstellt.
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Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf die beigefügten Figuren weist die Wellenerdungseinrichtung 1 zusätzlich zu den biegeelastischen und elektrisch leitfähigen Kontaktelementen 3 zumindest ein biegeelastisches Kontaktelement 9 auf, umfassend einen Gelenkabschnitt und einen Schleifkontaktabschnitt mit einem Verschleißbereich, dessen Länge der Länge der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 3 entspricht.
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Dieses Kontaktelement 9 dient ausschließlich als Reinigungselement der Welle 2 oder der Hülse und weist bei gleicher Anpresskraft wie die biegeelastischen und elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 3 eine geringere Breite und somit eine geringere Kontaktfläche zur Welle 2 oder zur Hülse auf, was zu einer erhöhten Flächenpressung führt. Hierbei deckt die Kontaktfläche des zumindest einen Reinigungselementes 9 im Betrieb die aktuelle Laufspur der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 3 ab.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung enthält der Verschleißbereich 10 des zumindest einen Reinigungselementes 9 leitfähige Partikel, wie beispielsweise Grafit und/oder Additive mit antikorrosiven Eigenschaften, welche verschleißbedingt auf der Laufspur freigesetzt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zumindest eine Reinigungselement 9 bei insgesamt geringerer Kontaktfläche zur Welle 2 oder zur Hülse verglichen mit den elektrisch leitfähigen Kontaktelementen 3 derart ausgeführt ist, dass sich die Kontaktfläche zur Welle 2 oder zur Hülse axial in Richtung auf den Gelenkabschnitt betrachtet über einen größeren axialen Bereich erstreckt und somit im Betrieb auch verschleißbedingte künftige Laufspuren der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 3 abdeckt.
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Dies führt in Verbindung mit der verschleißbedingten Freisetzung von leitfähige Partikeln, wie beispielsweise Grafit und/oder Additiven mit antikorrosiven Eigenschaften in vorteilhafter Weise zu einer Vorkonservierung der zukünftigen Laufspur der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 3 im Betrieb der Wellenerdungseinrichtung 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellenerdungseinrichtung
- 2
- Welle
- 3
- elektrisch leitfähiges Kontaktelement
- 4
- Gelenkabschnitt
- 5
- Schleifkontaktabschnitt
- 6
- Verschleißbereich
- 7
- Halteelement
- 8
- Klemmelement
- 9
- Reinigungselement
- 10
- Verschleißbereich des Reinigungselementes
- VM
- Verbrennungsmotor
- EX
- Elektrische Achsantriebs-Einheit
- G
- Getriebe
- GW1
- Eingangswelle
- GW2
- Abtriebswelle
- RS
- Radsatz
- RS2
- Reduktionsradsatz
- EM
- Elektrische Maschine
- INV
- Umrichter
- BAT
- Batterie
- AG
- Differentialgetriebe
- DS1
- Ausgangswelle
- DS2
- Ausgangswelle
- DW
- Antriebsrad
- GA
- Gehäuse
- EM2
- Elektrische Maschine
- S
- Stator
- R
- Rotor
- RW
- Rotorwelle
- WL1
- Lager
- WL2
- Lager
- DR2
- Dichtring
- GE
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016010926 A1 [0002]
