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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Die
DE 10 2019 114 139 B3 beschreibt einen gattungsgemäßen Stand der Technik in Form eines Kraftfahrzeuggetriebes zur Ankopplung einer elektrischen Maschine an einem Antriebsstrang. Zwischen der elektrischen Maschine und dem Antriebsstrang ist dabei eine Planetenübersetzungsstufe mit einem Sonnenrad, einem Planetenträger mit Planetenrädern und einem Hohlrad vorgesehen. Ferner ist ein schaltbarer Freilauf in dem Fahrzeuggetriebe angeordnet, welcher über zwei Kupplungshälften in der Lage ist, schaltbar das Sonnenrad mit einem Referenzbauteil, insbesondere einem feststehenden Gehäuse, in der Art zu koppeln, dass wahlweise ein Freilaufen und/oder Sperren des Sonnenrads gegenüber dem Gehäuse herbeigeführt wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug anzugeben, welche den besagten Aufbau des Standes der Technik weiter verbessert, indem der Aufbau vereinfacht wird, sodass Bauraum, Bauteile und Kosten eingespart werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von diesem Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der elektrischen Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug sieht es also vor, dass die zweite Kupplungshälfte der schaltbaren Freilaufkupplung drehfest mit dem Hohlrad verbunden ist, wobei ein drehfest mit dem Hohlrad und drehfest mit der zweiten Kupplungshälfte verbundenes Anbindungselement bezogen auf eine Drehachse der Planetenübersetzungsstufe radial zwischen einer Sonnenradverzahnung des Sonnenrades und einer Hohlradverzahnung des Hohlrades angeordnet ist.
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Unter einer drehfesten Verbindung im Sinne der Erfindung ist dabei jede Verbindung zu verstehen, welche dafür sorgt, dass die drehfest verbundenen koaxial angeordneten Elemente mit derselben Winkelgeschwindigkeit um eine gemeinsame Drehachse umlaufen.
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Der schaltbare Freilauf zwischen Hohlrad und Gehäuse ist dabei konstruktiv sehr geschickt und ermöglicht einen einfach zu montierenden und sehr kompakten Aufbau der elektrischen Antriebsvorrichtung. Die Anordnung des Anbindungselements in seiner radialen Lage zwischen der Sonnenradverzahnung und der Hohlradverzahnung die Anbindung des Hohlrades an die zweite Kupplungshälfte quasi nach innen und sorgt so für einen in radialer Richtung sehr kompakten Aufbau der elektrischen Antriebsvorrichtung.
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Das Anbindungselement kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung einen koaxial zu der Drehachse der Planetenübersetzungsstufe angeordneten Zylinderabschnitt aufweisen. Dieser verlagert die Möglichkeit der Verbindung damit in axialer Richtung und kann gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung mit einer Tellereinheit verbunden sein, um so den Zylinderabschnitt drehfest mit dem Hohlrad und der ihrerseits drehfest mit dem Hohlrad verbundenen Tellereinheit zu verbinden.
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Vorzugsweise kann dabei der Rotor der elektrischen Maschine koaxial zu der Planetenübersetzungsstufe angeordnet sein und die Tellereinheit axial auf einer dem Rotor abgewandten Seite der Planetenübersetzungsstufe. Der Zylinderabschnitt befindet sich dann axial auf einer der Planetenübersetzungsstufe abgewandten Seite der Tellereinheit, sodass also der Rotor die Planetenübersetzungsstufe die Tellereinheit und der Zylinderabschnitt in axialer Richtung in der genannten Reihenfolge aufeinander folgen.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der elektrischen Antriebsvorrichtung mit einem derartigen Zylinderabschnitt kann es nun ferner vorsehen, dass dieser bezogen auf die Drehachse radial in einem Bereich von die Planetenträger tragenden Planetenradbolzen der Übersetzungsstufe angeordnet ist. Der Zylinderabschnitt befindet sich also radial neben diesem Planetenradbolzen des Planetenträgers, auf welchen die Planetenräder entsprechend angeordnet sind. Dies sorgt für einen kompakten Aufbau, bei denen der Zylinderabschnitt innerhalb der schaltbaren Kupplung verschachtelt ausgebildet ist und bei welcher besonders bevorzugt der Axialführungsring und ein entsprechender Führungsabschnitt der Tellereinheit nochmal axial innerhalb dieses Zylinderabschnitts und zu diesem überlappend angeordnet sind. Hierdurch wird ein sehr kompakter Aufbau möglich.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der elektrischen Antriebsvorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Hohlrad ohne ein eigenes das Hohlrad unmittelbar, also ohne ein dazwischen angeordnetes Getriebeelement, abstützendes Wälzlager ausgebildet ist und lediglich über einen Axialführungsring in beide axialen Richtungen abgestützt wird. Die Erfinder machen sich hier die Tatsache zunutze, dass bei einer radialen Lagerung, wobei radial sich immer auf die zentrale Achse des Planetengetriebes bezieht, von zwei Wellen des Planetengetriebes die dritte Welle nicht radial gelagert werden muss. Auf ein Wälzlager für das Hohlrad, welches das Bauteil mit dem relativ größten Durchmesser des Planetengetriebes darstellt, kann also verzichtet werden. Hierdurch werden Kosten, Bauraum und Gewicht eines relativ großen Wälzlagers eingespart.
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Das Hohlrad selbst zentriert sich dabei über die Wellen der beiden anderen Elemente des Planetengetriebes, also des Planetenradträgers und des Sonnenrads. Der Axialführungsring der Erfindung dient dann lediglich dazu, dass sich das Hohlrad nicht wesentlich axial verschiebt. Da auf das Hohlrad selbst nie Axialkräfte wirken, da es sich im nicht geschalteten Zustand über die anderen Elemente zentriert und im geschalteten Zustand gegenüber dem Gehäuse festgelegt ist, reicht eine sehr einfache Axialführung über den Axialführungsring aus, an welche keine hohen Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität oder einer Lagerung innerhalb des Axialführungsrings zu stellen sind.
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Bezüglich des Verzichts auf das Wälzlager ist es beispielsweise so, dass die Rotorwelle der elektrischen Maschine unmittelbar gegenüber dem Gehäuse wälzgelagert ist und das Sonnenrad trägt, also auch dieses entsprechend gelagert ist. Das weitere Element wäre dann der Planetenträger, welcher ebenfalls gegenüber dem Gehäuse unmittelbar wälzgelagert ist. Dieser Aufbau ließe sich selbstverständlich umkehren, sodass das Sonnenrad eigenständig gegenüber dem Gehäuse unmittelbar wälzgelagert und der Planetenträger über die Rotorwelle mittelbar gegenüber dem Gehäuse wälzgelagert wäre. In beiden Fällen ist es nun so, dass das Hohlrad sich durch die Zusammenwirkung mit den auf den Planetenradträger befindlichen Planetenrädern und der Sonne über diese Lagerung des Sonnenrads einerseits und des Planetenradträgers andererseits am Gehäuse mittelbar abstützt und somit selbst kein eigenes unmittelbares Lager gegenüber dem Gehäuse benötigt.
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Über den schaltbaren Freilauf ist nach wie vor ein Abkoppeln der Antriebvorrichtung möglich, so dass Schleppverluste vermieden werden können, z.B. in einer Situation, in welcher das Fahrzeug ausschließlich von wenigstens einer anderen Achse aktiv angetrieben wird.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen hiervon kann es nun ferner vorgesehen sein, dass der Axialführungsring eine u-förmige Querschnittkontur hat. Der Axialführungsring kann so beispielsweise das Hohlrad selbst oder eine mit den Hohlrad verbundene Scheibe, beispielsweise in Form oder als Abschnitt einer Tellereinheit, axial führen und somit das Hohlrad an einer axialen Verschiebung hindern.
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Der Axialführungsring kann dabei gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung radial innerhalb und axial überlappend zu der Freilaufkupplung angeordnet sein. Radial innerhalb bezieht sich dabei wieder auf die zentrale Drehachse des Planetengetriebes und sagt aus, dass der Axialführungsring sich auf einem kleineren Durchmesser befindet als die schaltbare Freilaufkupplung. Axial überlappend, ebenfalls auf dieselbe Achse bezogen, besagt, dass die beiden Bauteile in axialer Richtung der Drehachse der Planetenübersetzungsstufe in der selben Ebene senkrecht zu der Drehachse liegen bzw. das beide Bauteile zumindest eine gemeinsame Ebene senkrecht zur Drehachse schneiden.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung kann es ferner vorsehen, dass die Tellereinheit einen Führungsabschnitt aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, mit dem Axialführungsring zusammenzuwirken. Ein solcher Führungsabschnitt der Tellereinheit kann also genutzt werden, um über den Axialführungsring das Hohlrad in dem oben beschriebenen Sinne axial zu führen. Bei der vorzugsweisen Ausgestaltung, bei welcher der Axialführungsring radial innerhalb und axial überlappend zu der Freilaufkupplung angeordnet ist, wäre der Führungsabschnitt der Tellereinheit also in diesem Bereich vorgesehen, vorzugsweise als Führungsabschnitt mit zwei in axialer Richtung planparallelen Seiten, welche in einem nach radial außen offenen mit planparallelen Schenkel ausgestatteten Führungsring mit u-förmiger Querschnittkontur entsprechend zusammenwirken.
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Die schaltbare Freilaufkupplung kann gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug als Schaltelement eine Schaltscheibe aufweisen, wobei der Aktor dazu ausgebildet ist, diese rotatorisch zu bewegen. Die schaltbare Freilaufkupplung kann also insbesondere in der in dem eingangs genannten Stand der Technik in Form der
DE 10 2019 114 139 B3 beschriebenen Sinne ausgebildet sein. Dabei ist es sowohl möglich einen Freilauf, welcher in Zugrichtung sperrend als auch in Schubrichtung sperrend ausgebildet ist, durch das Schaltelement bereitzustellen, ebenso wie die Verbindung in beide Drehrichtungen zu sperren oder in beide Drehrichtung freizugeben.
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Der Aufbau der Schaltscheibe kann dabei bevorzugt auch so gestaltet werden, dass nur eine der Richtungen schaltbar ist, nämlich die Zug-Rückwärts-Richtung, gleichbedeutend mit der Schub-Vorwärts-Richtung. Damit ist dann ein Rückwärts-Fahren und eine Vorwärts-Rekuperation möglich. Eine Schaltbarkeit für die Zug-Vorwärts-Richtung, gleichbedeutend mit der Schub-Rückwärts-Richtung, wird an sich nicht unbedingt benötigt. Damit ließe sich zwar in der Rückwärtsfahrt bei hoher Geschwindigkeit, also einem Rückwärts-Schubbetrieb das Rad vom Abtrieb trennen, diese Fall kommt aber in der Praxis quasi nicht vor, so dass der Aufbau entsprechend vereinfacht werden kann. Der Vorteil liegt hierbei in nur einem Satz von beweglichen Sperrklinken (für eine Richtung) und nur einer Schaltscheibe, welche auch nur einen Aktuator benötigt.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der elektrischen Antriebsvorrichtung kann es ferner vorsehen, dass der Aktor der schaltbaren Freilaufkupplung im Gehäuse angeordnet ist. Ein solcher im Gehäuse angeordneter Aktor ist leicht zugänglich, falls eine Wartung oder dergleichen notwendig werden sollte. Der Aktor kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung insbesondere radial außerhalb der Kupplungshälften und, oder prinzipiell auch alternativ hierzu, axial überlappend zu zumindest einer der Kupplungshälften angeordnet sein. Hierdurch wird wieder in axialer Richtung Bauraum eingespart und durch den radial außenliegenden Aktor eine einfache und bei Bedarf gut zu wartende Betätigung der Schaltscheibe ermöglicht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei eine schematische Schnittdarstellung durch einen für die Erfindung relevanten Teil einer elektrischen Antriebsvorrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist eine elektrische Antriebsvorrichtung 1 in einem Ausschnitt dargestellt. Der Ausschnitt ist dabei oberhalb der Drehachse A dargestellt, welche auch die axiale Richtung a sowie die radiale Richtung r entsprechend definiert. Eine elektrische Maschine 2 mit einem Rotor 3 dreht um diese Drehachse A. Die elektrische Maschine 2 ist dabei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Axialflussmaschine ausgebildet. Der Rotor 3, von welchem hier nur die rechts in der elektrischen Maschine 2 bzw. rechts vom Stator 30 liegende Hälfte entsprechend dargestellt ist, ist über ein Rotorlager 6 gegenüber einem Gehäuse 5 gelagert. Er ist im Ausführungsbeispiel drehfest mit einer Rotorwelle 4 verbunden, welche mehrteilig ausgeführt ist. Die Rotorwelle 4 ist mittelbar über das vorzugsweise als Schrägkugellager ausgebildete Rotorlager 6 des Rotors 3 gelagert und ist ferner über eine Nadellager 28 am Gehäuse abgestützt.
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Auf der in axialer Richtung a abgewandten Seite der elektrischen Maschine 2 ist ein Abtrieb 7 zum Rad des Kraftfahrzeugs oder einem Achsgetriebe - z.B. einem Differential - dargestellt. Dieser Abtrieb 7 ist dabei über die Abtriebswelle 18 mittels einer mit 19 bezeichneten Keilwellenverzahnung drehfest mit einem Planetenradträger 8 als abtreibendem Element einer Planetenübersetzungsstufe 13 verbunden.
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Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Planetenträger 8 der Planetenübersetzungsstufe 13 mit dem Abtrieb 7 derart gekoppelt oder koppelbar ist, dass über den Planetenträger 8 Drehmomente aus der Planetenübersetzungsstufe ausgeleitet werden. Ein Sonnenrad 11 der Planetenübersetzungsstufe 13 ist derart mit dem Rotor 3 gekoppelt oder koppelbar, dass Drehmomente, ausgehend von dem Rotor 3, an dem Sonnenrad 11 in die Planetenübersetzungsstufe eingeleitet werden können.
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Der Planetenträger 8 weist in axialer Richtung in Richtung der elektrischen Maschine 2 überstehende Planetenradbolzen 9 auf. Planetenräder 10, von welchen hier eines zu erkennen ist, sind über eine Planetenradlagervorrichtung 33, welche hier in Form von zwei Schrägkugellagern 33.1 und 33.2 ausgebildet ist, auf diesen Planetenradbolzen 9 gelagert. Mit den Planetenrädern 10 kämmt radial innen das Sonnenrad 11, welches durch eine Verzahnung der Rotorwelle 4 ausgebildet ist. Ein Hohlrad 12 ergänzt diesen Aufbau zu der Planetenübersetzungsstufe 13 zur Wandlung des Drehmoments zwischen dem Rotor 3 und dem Abtrieb 7.
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Das Hohlrad 12 verzichtet dabei auf eine eigene Lagerung über ein eigenes Wälzlager und stützt sich über die Lagerung der Planetenräder 10 bzw. des Planetenradträgers 8 über die beiden mit 14.1 und 14.2 bezeichneten Planetenträgerlager an dem Gehäuse 5 ab. Um sicherzustellen, dass das Hohlrad 12 in axialer Richtung a keine wesentlichen Bewegungen ausführen kann, ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel am Gehäuse 5 ein Axiallagerring 15 vorgesehen, welcher eine im Querschnitt u-förmige Kontur aufweist, sodass zwei Schenkel nach radial außen ragen und die u-förmige Kontur radial außen offen ist. In diese u-förmige Kontur des Axialführungsrings 15, welcher keine Lagerung, sondern lediglich eine Unterstützung der Führung darstellt, da eine Axiallagerung hier nicht notwendig ist, ragt ein Führungsabschnitt 16, welcher als scheibenringförmiger Fortsatz einer Tellereinheit 17 ausgebildet ist. Diese Tellereinheit 17 ist mit dem Hohlrad 12 unmittelbar drehfest verbunden und läuft dementsprechend mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie das Hohlrad 12 um.
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Die elektrische Antriebsvorrichtung 1 in der Darstellung der 1 umfasst außerdem eine schaltbare Freilaufkupplung 20 mit einer ersten Kupplungshälfte 21 und einer zweiten Kupplungshälfte 22. Die erste Kupplungshälfte 21 ist als außenverzahnter Ring ausgebildet und über einen Freilaufträger 23, welcher eine radial nach innen gerichtete Verzahnung aufweist, verbunden. Der Freilaufträger 23 ist seinerseits drehfest mit dem Gehäuse 5 verbunden. Die zweite Kupplungshälfte 22 ist als Ringscheibe mit einer Innenverzahnung ausgebildet, welche auf einem Anbindungselement 24 sitzt und durch die Verzahnung drehfest mit diesem verbunden ist. Das Anbindungselement 24 weist dabei einen Zylinderabschnitt 27 auf und ist drehfest mit der Tellereinheit 17 verbunden, um so die zweite Kupplungshälfte 22 mittelbar über das Anbindungselement 24 und die Tellereinheit 17 drehfest mit dem Hohlrad 12 zu verbinden. Der schaltbare Freilauf 16 wirkt also auf das Hohlrad 12, sodass dieses entweder freigegeben oder im Schub- oder Zugbetrieb, je nach Schaltstellung einer als Schaltelement genutzten Schaltscheibe 25, eine Verbindung zwischen dem Hohlrad 12 und dem Gehäuse 5 sperrt oder freigibt. Die Schaltscheibe 25 lässt sich über eine Aktor 26 rotatorisch bewegen, wobei dieser Aktor 26, welcher mit der Schaltscheibe 25 über die gestrichelt angedeutete Verbindung in Wirkverbindung steht, radial außerhalb des schaltbaren Freilaufs 20 in dem Gehäuse 5 befindet.
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Der schaltbare Freilauf 16 ist dabei aus konstruktiven Gründen an der gezeigten Position zwischen dem Hohlrad 12 und dem Gehäuse 5 angeordnet, so dass die erste Kupplungshälfte 21 drehfest mit dem Gehäuse 5 verbunden ist. Wenn die zweite Kupplungshälfte 22 von der ersten Kupplungshälfte 21 und damit von dem Gehäuse 5 entkoppelt ist hält die Schaltscheibe 25 analog zu dem Aufbau der
DE 10 2019 114 139 B3 die entsprechenden Sperrklinken nieder. Dies ist im Vorwärts-Schubbetrieb dann der Fall, wenn die Vorwärts-Schubseite deaktiviert ist. Dabei kann in dem Freilauf 16 insbesondere zwischen den beiden Kupplungshälften 21, 22 eine nicht schaltbare Freilauffunktion angeordnet werden. Zwischen der zweiten Kupplungshälfte 22 und dem Gehäuse 5 bzw. dem gehäusefesten Freilaufträger 23 liegt dann die Schaltscheibe 25, welche je nach Schaltstellung gefederte Sperrklinken die in die entgegengesetzte Drehrichtung der Freilauffunktion zwischen den Kupplungshälften 21, 22 wirken, je nach Schaltstellung freigegeben oder niedergehalten. Damit ergeben sich zwei Schaltzustände. Ein Freilaufzustand, und ein vollständig gekoppelte Bremszustand, in welchem beide Richtungen gesperrt sind.
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Dabei dreht sich nun zwar noch der Planetenträger 8 mit dem angetriebenen Rad des Kraftfahrzeugs, das Hohlrad 12 selbst ist jedoch gegenüber dem Gehäuse 5 lose, wodurch das Sonnenrad 11 nicht wirklich angetrieben wird, sodass nur geringe Reibungsverluste zwischen Planetenrädern 10 und dem Sonnenrad 11 entstehen. Trotz der konstruktiv sehr günstigen Anordnung des Freilauf 16 kann dieser also seine Aufgaben bei akzeptablem Wirkungsgrad des Aufbaus erfüllen.
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Dieser Aufbau, bei welchem kein eigenes Lager für das Hohlrad 12 vorhanden ist, sondern lediglich eine Axialführung über den Axialführungsring 15 vorgesehen ist, erlaubt durch die Verschachtelung der Elemente, welche insbesondere durch die Tellereinheit 17, dem Zylinderabschnitt als Anbindungselement 24 sowie dem Führungsabschnitt 16 möglich wird, einen sehr kompakten Aufbau sowohl in axialer als auch in radialer Richtung der elektrischen Antriebsvorrichtung 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Antriebsvorrichtung
- 2
- Elektrische Maschine
- 3
- Rotor
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Gehäuse
- 6
- Rotorlager
- 7
- Abtrieb
- 8
- Planetenträger
- 9
- Planetenradbolzen
- 10
- Planetenräder
- 11
- Sonnenrad
- 12
- Hohlrad
- 13
- Planetenübersetzungsstufe
- 14.1, 14.2
- Planetenträgerlager
- 15
- Axialführungsring
- 16
- Führungsabschnitt
- 17
- Tellereinheit
- 18
- Abtriebswelle
- 19
- Keilwellenverzahnung
- 20
- schaltbarer Freilauf
- 21
- erste Kupplungshälfte
- 22
- zweite Kupplungshälfte
- 23
- Freilaufträger
- 24
- Anbindungselement
- 25
- Schaltscheibe
- 26
- Aktor
- 27
- Zylinderabschnitt (von 24)
- 28
- Nadellager
- 30
- Stator
- A
- Drehachse
- a
- axiale Richtung
- r
- radiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019114139 B3 [0002, 0018, 0029]
