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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse, einer elektrischen Maschine, einem Planetengetriebe und einem Achsgetriebe nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Ein gattungsgemäßes elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug ist im Wesentlichen aus der
DE 10 2013 225 519 A1 bekannt. Darin wird ein Aufbau mit einer elektrischen Maschine einem Planetengetriebe und einem Achsgetriebe beschrieben, wobei das Planetengetriebe über einen Planetenträger mit jeweils zwei drehfest gekoppelten Planetenrädern für jeden der Planeten verfügt. Diese kämmen mit zwei unterschiedlichen Hohlrädern, welche über Bremselemente gegenüber einem Gehäuse des elektrischen Antriebssystems festgebremst werden können. Hierdurch werden zwei unterschiedliche Übersetzungen zwischen der elektrischen Maschine einerseits und dem Achsgetriebe andererseits realisiert.
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Der Nachteil bei dem beschriebenen Zweigangsystem besteht nun insbesondere in diesen Schalt- bzw. Bremselementen für die beiden Planetenräder. Diese müssen als Lamellenschaltelemente ausgeführt sein, was zu erhöhten Verlusten im offenen Betrieb, also bei einem Segeln des Fahrzeugs führt. Letztlich verursacht dies einen höheren Leistungsbedarf des Fahrzeugs an sich und verringert so die Reichweite des Fahrzeugs.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes elektrisches Antriebssystem anzugeben, welches insbesondere die genannten Nachteile vermeidet oder zumindest verringert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem umfasst, ähnlich wie das Antriebssystem im oben genannten Stand der Technik, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und mit einer Rotorwelle. Ferner umfasst das elektrische Antriebssystem ein Planetengetriebe mit genau einem Sonnenrad und mit genau einem Planetenträger.
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Die Rotorwelle ist einerseits drehfest mit dem Rotor der elektrischen Maschine, und andererseits drehfest mit dem genau einen Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden.
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„Drehfest verbunden“ im Sinne der hier vorliegenden Erfindung bedeutet dabei, dass die drehfest miteinander verbundenen Elemente bzw. Bauteile koaxial zueinander angeordnet sind und derart miteinander verbunden sind, dass sie mit derselben Winkelgeschwindigkeit umlaufen.
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Der Planetenträger trägt auch hier einen Satz von ersten Planetenrädern und einen Satz von zweiten Planetenrädern. Die ersten Planetenräder und die zweiten Planetenräder sind jeweils auf an sich bekannte Weise drehbar auf dem Planetenträger gelagert. Die ersten Planetenräder und die zweiten Planetenräder haben unterschiedliche Durchmesser, wobei die ersten Planetenräder mit dem Sonnenrad in Eingriff stehen und die zweiten Planetenräder gemäß der Erfindung mit einem Hohlrad des Planetengetriebes im Eingriff stehen. Das Planetengetriebe umfasst das Hohlrad als einziges Hohlrad des Planetengetriebes. Erfindungsgemäß ist außerdem ein erster Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse vorgesehen, mittels welchem das Hohlrad derart mit dem Gehäuse gekoppelt ist, dass eine Drehung des Hohlrads in einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors der elektrischen Maschine blockiert ist. Über den ersten Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse lassen sich also nur Zugmomente der elektrischen Maschine in deren motorischem Betrieb mit positiver Drehrichtung übertragen. Im Schub kommt es zu einem automatischen Abkoppeln, bei einem erneuten Wechsel vom Schub zu Zug wird dann automatisch wieder angekoppelt.
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Der Aufbau ist außerordentlich einfach und effizient und kann, ohne dass hierfür eine Aktuatorik notwendig ist, dafür sorgen, dass die elektrische Maschine in der Vorwärtsdrehrichtung Drehmoment auf das Achsgetriebe übertragen kann. In einer Rückwärtsdrehrichtung, also wenn der Leistungsfluss vom Achsgetriebe in Richtung der elektrischen Maschine läuft, muss diese dann jedoch nicht mitgeschleppt werden, sondern wird über den ersten Freilauf selbstständig abgekoppelt, sodass ein Segeln ohne zusätzliche Leistungsverluste im Bereich des elektrischen Antriebssystems möglich wird, was insgesamt die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems steigert. Dies führt zu einer größeren Reichweite eines mit einem solchen elektrischen Antriebssystem als Hauptantrieb oder zusätzlicher Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs.
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Durch die Abkopplung im Schub über den ersten Freilauf ist dabei prinzipbedingt keine Rückwärtsfahrt mit motorischem Betrieb der elektrischen Maschine in negativer Drehrichtung und keine Rekuperation mit generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine möglich.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung kann es deshalb vorgesehen sein, dass ein zweiter Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse angeordnet ist, mittels welchem das Hohlrad derart mit dem Gehäuse gekoppelt ist, dass eine Drehung des Hohlrads entgegen der Vorwärtsdrehrichtung des Rotors blockiert ist. Dieser Freilauf wirkt nun also im Schub und eben nicht im Zug. Im Zugbetrieb der elektrischen Maschine wirkt diese also über den ersten Freilauf, welcher im Schubbetrieb öffnet. Gleichzeitig wird über den zweiten Freilauf, welcher im Zugbetrieb automatisch öffnet, im Schubbetrieb eine Verbindung hergestellt, sodass einerseits ein Rückwärtsfahren und andererseits eine Rekuperation möglich ist.
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Um nun den oben genannten Vorteil des verlustfreien bzw. verlustarmen Segelns nicht zu verlieren ist es dabei vorgesehen, dass der zweite Freilauf schaltbar ausgeführt ist. Schaltbar bei dem Freilauf bedeutet dabei im Sinne der Erfindung, dass dieser ein- und ausgeschaltet werden kann. Im eingeschalteten Zustand wirkt er dann wie eine nicht schaltbarer Freilauf. Blockiert also die Drehung in der einen Richtung und erlaubt ein freies Drehen in der Gegenrichtung dazu. Im ausgeschalteten Zustand, wird dann die Blockade aufgehoben, der Freilauf wird somit deaktiviert und die Verbindung kann sich in beiden Drehrichtungen frei drehen. Durch das Ausschalten des zweiten Freilaufs kann also die von ihm ausgehende Blockade im Schubbetrieb gelöst werden, Damit ist im Schubbetrieb dann weiterhin ein verlustfreies Segeln mit einem mit dem elektrischen Antriebssystem ausgestatteten Fahrzeug möglich wird. Soll nun rekuperiert werden oder ist eine Rückwärtsfahrt notwendig, kann durch ein Umschalten des zweiten Freilaufs, sodass dessen Blockierfunktion wieder eingeschaltet ist, ein solcher Betrieb einfach und effizient ermöglicht werden.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung kann es dabei vorgesehen sein, dass die zweiten Planetenräder axial überlappend zu dem Achsgetriebe angeordnet sind. Eine solche Anordnung axial überlappend zu dem Achsgetriebe, sodass die zweiten Planetenräder also zumindest teilweise in axialer Richtung des elektrischen Antriebssystems gesehen innerhalb desselben Bereichs liegen, ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau in axialer Richtung.
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Die axiale Richtung soll dabei für die hier vorliegende Erfindung immer als axiale Richtung entlang oder parallel zu der Hauptdrehachse des elektrischen Antriebssystems verstanden werden, hier parallel zu Drehachse der Rotorwelle. Die radiale Richtung im Sinne der hier vorliegenden Beschreibung steht auf dieser axialen Richtung senkrecht.
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Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems kann es dabei vorsehen, dass das Achsgetriebe ein Kegelraddifferential mit einem Differentialkäfig aufweist. Dieser Differentialkäfig, welcher auch als Differentialgehäuse bezeichnet werden kann, bildet dabei die Differentialeingangswelle aus. Insbesondere bei diesem Aufbau des Achsgetriebes kann durch das axiale Überlappen mit den zweiten Planetenrädern, also den im Durchmesser kleineren Planetenrädern auf dem Planetenträger ein besonderer Bauraumvorteil erreicht werden.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems sieht ein erstes Axiallager vor, mittels welchem das Hohlrad axial gegenüber dem Planetenträger abgestützt ist. Auch dies dient dem möglichst kompakten Aufbau sowohl in axialer als auch in radialer Richtung.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann ferner ein erstes Radiallager vorgesehen sein, mittels welchem der Planetenträger radial gegenüber dem Gehäuse abgestützt ist, wobei eine planetenträgerseitige Lagerhälfte des ersten Radiallager radial außerhalb einer gehäuseseitigen zweiten Lagerhälfte angeordnet ist. Der Planetenträger stützt sich über das erste Radiallager also von radial außen auf einem radial weiter innen angeordneten Teil des Gehäuses, z.B. einen axial vorstehenden Bund einer Gehäusezwischenwand, ab.
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Eine weitere Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems kann es ferner vorsehen, dass ein zweites Axiallager vorgesehen ist, mittels welchem das Hohlrad axial gegenüber entweder einem Parksperrenrad oder dem Gehäuse abgestützt ist. Eine solche Abstützung beispielsweise am Parksperrenrad, welches typischerweise drehfest mit der Eingangswelle des Achsgetriebes verbunden ist, oder alternativ dazu auch direkt an dieser Eingangswelle oder einem Flansch dieser Eingangswelle erlaubt einen sehr kompakten Aufbau. Weil allerdings die auftretenden Relativbewegungen zwischen der Eingangswelle und dem Hohlrad vergleichsweise groß sind, kann es aus Verlustsicht auch vorteilhaft sein, das Hohlrad, alternativ dazu, mit dem zweiten Axiallager an dem Gehäuse abzustützen, sodass beide Ausführungsvarianten, je nach Optimierungszweck, ihre Vorteile haben.
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Das Parksperrenrad, welches typischerweise drehfest mit der Eingangswelle des Achsgetriebes verbunden ist, kann dann über ein Schaltelement an dem Gehäuse festgebremst bzw. drehfest mit diesem verbunden werden. Hierdurch lässt sich das Achsgetriebe blockieren und eine Drehung der Abtriebswelle und der Räder des Kraftfahrzeugs unterbinden.
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Die Abstützung der Rotorwelle kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung über Kombinationslager erfolgen, wozu ein erstes Kombinationslager und ein zweites Kombinationslager vorgesehen sind, welche jeweils zu einer axialen und radialen Abstützung der Rotorwelle gegenüber dem Gehäuse eingerichtet sind. Dabei ist sowohl bei dem ersten Kombinationslager als auch bei dem zweiten Kombinationslager die jeweils zugehörige rotorwellenseitige Lagerhälfte radial innerhalb der jeweiligen gehäuseseitigen Lagerhälfte angeordnet. Die Rotorwelle wird also an Teilen des Gehäuses, z.B. radial verlaufenden Zwischenwänden des Gehäuses abgestützt, welche radial außerhalb der Rotorwelle liegen.
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Beide Freiläufe können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems in einer Baugruppe vereint ausgeführt sein. Eine solche Baugruppe kann insbesondere zwischen dem Achsgetriebe und dem Gehäuse angeordnet sein und wäre dementsprechend vom Äußeren des Gehäuses her leicht zugänglich, insbesondere um die Aktuatorik im Fall des schaltbaren Freilaufs einzubringen. Grundsätzlich wäre dabei natürlich auch eine Schaltfunktion beim ersten Freilauf möglich. Für die Praxis ist diese aber nicht weitere relevant, so dass aus Kostengründen typischerweise auf eine Solche verzichtet wird.
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Die elektrische Maschine ist besonders vorzugsweise als Axialflussmaschine realisiert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Antriebssystems ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte 1 zeigt dabei die schematische Schnittansicht eines elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein elektrisches Antriebssystem 1 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug schematisch dargestellt. Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst ein Gehäuse 2 sowie eine elektrische Maschine 3 mit einem gegenüber dem Gehäuse 2 drehfest gehaltenen Stator 4 sowie einem gegenüber dem Stator 4 drehbaren Rotor 5, welcher seinerseits drehfest mit einer Rotorwelle 6 verbunden ist.
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Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst außerdem ein Planetengetriebe 7 mit einem Sonnenrad 8, welches drehfest mit der Rotorwelle 6 verbunden ist und einem Planetenträger 9, welcher einen Satz erster Planetenräder 10 und einen Satz zweiter Planetenräder 11 trägt. Die ersten Planetenräder 10 haben dabei einen größeren Durchmesser als die zweiten Planetenräder 11. Die einander benachbarten ersten und zweiten Planetenräder 10, 11 sind jeweils drehfest miteinander gekoppelt. Die zweiten Planetenräder 11 mit dem kleineren Durchmesser als die ersten Planetenräder 10, stehen mit einem Hohlrad 12 des Planetengetriebes 7 im Eingriff.
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Ergänzend dazu weist das elektrische Antriebssystem 1 ein Achsgetriebe 13 auf, welches hier als Kegelraddifferential ausgebildet ist. Eine Ausgangswelle 14 des Achsgetriebes 13 bildet dabei den durch die Pfeile angedeuteten Abtrieb, insbesondere zu den Rädern des Kraftfahrzeugs aus. Der Differentialkäfig 15 bildet die Eingangswelle 15 des Achsgetriebes 13 und ist drehfest mit dem Planetenträger 9 gekoppelt. Der Differentialkäfig 15 lässt sich außerdem über ein Parksperrenrad 16 und ein entsprechendes Schaltelement 17 gegenüber dem Gehäuse 2 drehfest fixieren, um eine Parksperre für das Kraftfahrzeug zu realisieren.
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Der hier dargestellte Aufbau mit dem einen Hohlrad 12 des Planetengetriebes 7 stellt also letztlich ein Ein-Gang-System zum Antreiben oder zumindest teilweise Antreiben des Kraftfahrzeugs über das elektrische Antriebssystem 1 dar.
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Über einen ersten Freilauf 18 ist das Hohlrad 12 des Planetengetriebes 7 nun mit dem Gehäuse 2 des elektrischen Antriebssystems 1 in der Art gekoppelt, dass eine Drehung des Hohlrads 12 in einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors 5 verhindert wird. Über den ersten Freilauf 18 werden also nur Zugmomente der elektrischen Maschine 3 auf die Abtriebswelle 14 übertragen, während im Schubbetrieb der erste Freilauf 18 automatisch frei umläuft und damit die elektrische Maschine 3 über eine Freigabe des Hohlrads 12 des Planetengetriebes 7 abkoppelt. Hierdurch ist ein Schubbetrieb ohne ein Mitschleppen der elektrischen Maschine 3 möglich, was einen effizienten und verlustarmen Betrieb der elektrischen Antriebsvorrichtung 1 beim sogenannten Segeln, also einem antriebslosen Rollenlassen des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Wird wieder vom Schub in den Zug gewechselt, dann schließt der erste Freilauf 18 automatisch und die Kraft der elektrischen Maschine 3 kann wieder auf den Abtrieb 14 übertragen werden.
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Mit dem ersten Freilauf 18 alleine ließe sich nun keine Rekuperation realisieren und auch ein Rückwärtsfahren des Kraftfahrzeugs über die elektrische Maschine 3 wäre so nicht möglich, da dies eine Kraftübertragung zwischen dem Abtrieb 14 und der elektrischen Maschine 3 in der entgegengesetzten Richtung, also der Schubrichtung, erforderlich macht. Um dies zu ermöglichen, ist nun ein zusätzlicher zweiter Freilauf 19 zwischen dem Hohlrad 12 und dem Gehäuse 2 vorgesehen. Dieser Freilauf 19 ist in der Art ausgebildet, dass er im Schubbetrieb Drehmomente übertragen kann, im Zugbetrieb nicht. Er ergänzt also den ersten Freilauf 18 entsprechend, sodass nun Rekuperation und Rückwärtsfahren möglich wird. Der zweite Freilauf 19 ist dabei schaltbar ausgebildet. Durch das Schalten dieses zweiten Freilaufs 19, was in der Darstellung der 1 durch den Pfeil angedeutet ist, lässt sich die Blockierfunktion ein- oder ausschalten, sodass der zweite Freilauf 19 entweder in der beschriebenen Art als im Schub blockierender Freilauf 19 arbeitet oder zu einem sowohl im Schub als auch im Zug freien Freilauf 19 umgeschaltet werden kann, sodass je nach Schaltstellung dieses zweiten Freilaufs 19 entweder eine Rekuperation oder ein Rückwärtsfahren möglich ist, während bei ausgeschalteter Blockierfunktion ein Segeln ohne das Mitschleppen der elektrischen Maschine 3 ermöglicht wird.
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Die Kombination der beiden Freiläufe 18, 19, von welchen der zweite Freilauf 19 schaltbar ist, ermöglicht also eine dauerhafte Anbindung in der einen Richtung und eine schaltbare Anbindung in der anderen Dreh- bzw. Kraftrichtung. Die beiden Freiläufe 18, 19 können dabei vorzugsweise zu einer integrierten Baueinheit 28 zusammengeführt sein, welche insbesondere in radialer Richtung R außerhalb des Differentialkäfigs 15 aber axial überlappend zu diesem angeordnet ist. Die Baueinheit ist vorzugsweise von der Außenseite des Gehäuses 2 her leicht zugänglich ist, insbesondere um die Schaltaktuatorik des zweiten Freilaufs 19 einfach und effizient, beispielsweise mittels einer Hydraulikleitung, einer elektrischen Signalleitung und/oder dergleichen betätigen zu können.
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Insgesamt lässt sich der Aufbau dabei außerordentlich kompakt realisieren. Nicht nur die integrierte Baueinheit 28 mit den beiden Freiläufen 18, 19 kann in der axialen Richtung A der Abtriebswelle 14 beziehungsweise der Rotorwelle 6 überlappend zu dem Achsgetriebe 13 beziehungsweise seinem Differentialkäfig 15 ausgebildet sein, sondern insbesondere auch der Satz der zweiten Planetenräder 11 sowie vorzugsweise das Hohlrad 12. All dies führt zu einem sehr kompakten Aufbau, insbesondere in der axialen Richtung A.
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Die elektrische Maschine 3, welche insbesondere als Axialflussmaschine ausgebildet sein kann, kann sich dabei hinsichtlich ihrer Rotorwelle 6 über ein erstes Kombinationslager 20 und ein zweites Kombinationslager 21 an dem Gehäuse 2 abstützen, wobei radial innen die Rotorwelle 6 und radial außerhalb der beiden Kombinationslager 20, 21 das Gehäuse angeordnet ist. Die Kombinationslager können dabei sowohl Axialkräfte als auch Radialkräfte übertragen, sind also eine Kombination aus Axiallagern und Radiallagern. Insbesondere kann es sich dabei über Schrägkugellager, Vierpunkt-Kugellager oder dergleichen handeln.
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Der Planetenträger 9 des Planetengetriebes 7 kann sich dann über ein erstes Radiallager 22 ebenfalls an dem Gehäuse 2 abstützen, wobei hier das Gehäuse 2 radial Innen und der Planetenträger 9 radial außerhalb dieses ersten Radiallagers 22 angeordnet ist. Ein zweites Radiallager 23 kann dann jeweils im Bereich des Planetenträgers 9 zum Abstützen der jeweils zwei drehfest miteinander verbundenen ersten und zweiten Planetenräder 10, 11 des jeweiligen Satzes von Planetenrädern dienen.
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Das Hohlrad 12 kann sich vorzugsweise in Axialrichtung A über ein erstes Axiallager 24 gegenüber dem Planetenträger 9 abstützen. Ein zweites Axiallager 25 kann zur Abstützung des Hohlrads 12 und der mit ihm verbundenen Freiläufe 18, 19 in der anderen axialen Richtung A dienen. Dieses Axiallager 25, welches in der Darstellung der 1 ohne tatsächlichen Gegenpart dargestellt ist, kann sich nun je nach Konstruktion wahlweise entweder an dem Parksperrenrad 16 abstützen, was zu einem sehr kompakten Aufbau führt oder alternativ dazu an dem Gehäuse 2, was zu einem etwas größeren Aufbau führt, dafür jedoch bezüglich der Verluste von Vorteil ist.
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Die Axiallager 24, 25 können dabei insbesondere als Axialnadellager ausgebildet sein, die Radiallager 22 ,23 insbesondere als Zylinderrollenlager oder Rillenkugellager, wie dies allgemein bekannt und üblich ist.
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Weitere relevante Lagerstellen in dem Aufbau des elektrischen Antriebssystems 1 liegen nun im Bereich der Abtriebswelle 14, wobei hier in der Darstellung der 1 links ein Radiallager 26 und in der Darstellung der 1 rechts ein Kombinationslager 27, welches also Axial- und Radialkräfte übertragen kann, angeordnet ist. In diesen stützt sich die radial innen liegende Abtriebswelle 14 auf dem radial außerhalb liegenden Gehäuse 2 ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013225519 A1 [0002]
