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Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit eines Kraftfahrzeugs, mit einem Getriebe und mit einem in Axialrichtung daran gekoppelten Elektromotor. Die Erfindung betrifft ferner einen derartigen Elektromotor.
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Bei zumindest teilweise automatisierten Schaltgetrieben eines Kraftfahrzeugs werden die einzelnen Schaltstufen (Gänge) mittels eines Getriebeaktuators eingestellt. Hierfür weist der Getriebeaktuator einen sogenannten Schaltfinger und einen Elektromotor auf, wobei der Schaltfinger von dem Elektromotor verstellbar ist, und wobei die Position des Schaltfingers das gewünscht Übersetzungsverhältnis bestimmt.
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Als Elektromotor wird üblicherweise ein bürstenloser Elektromotor verwendet, dessen Stator mittels einer Elektronik bestromt wird. Die Elektronik umfasst eine Anzahl von Halbleiterbauelementen, die in einer Brückenschaltung verschalten sind. Die Brückenschaltung ist herkömmlicherweise eine B6-Schaltung und der Stator weist drei Feldwicklungen auf, die entweder in einer Dreiecks- oder Sternschaltung miteinander verschalten sind. Zur Abschirmung und Vermeidung von etwaigen Beschädigungen der Feldwicklungen ist der Stator in einem Motorgehäuse angeordnet.
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Aus der
WO 2010/108532 A2 ist es bekannt, die Elektronik mittels Schrauben an dem Statorgehäuse zu befestigen. Hierbei ist die Elektronik thermisch von dem Statorgehäuse isoliert, um einen Wärmeaustausch von dem Statorgehäuse zur Elektronik und einem daran angeordneten Kühlelement zu vermeiden. Somit steht die Elektronik lediglich über die Schrauben und die zur Ansteuerung der Feldwicklungen nötigen Elemente mit dem Stator und dem Statorgehäuse in unisoliertem Kontakt. Der Stator selbst ist in einer Vertiefung eines Getriebegehäuses angeordnet und mit diesem verschraubt.
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Eine Antriebswelle des Elektromotors ist als eine Schneckenwelle ausgebildet und ragt in den Innenraum des Getriebegehäuses hinein. Dabei ist die Antriebswelle mittels zweier, als Kugellager ausgestalteter Lager gelagert, die axial zueinander versetzt sind. Zwischen den beiden Lagern ist eine Radialwellendichtung angeordnet, die den Bereich der Vertiefung und den des Getriebeinnenraums abdichtet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Getriebeeinheit und einen zugehörigen Elektromotor anzugeben, die vorzugsweise einfach zu montieren und insbesondere gewichtsreduziert sind.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich der Getriebeeinheit durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Elektromotors durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Getriebeeinheit ist beispielsweise Bestandteil eines Antriebstrangs des Kraftfahrzeugs, kann aber prinzipiell auch anderweitig in dem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Die Getriebeeinheit umfasst ein Getriebe mit einem Getriebegehäuse, innerhalb dessen eine Getriebewelle angeordnet und drehbar gelagert ist. Auf der Getriebewelle sitzt beispielsweise eine Anzahl von Zahnrädern, die in weitere Komponenten des Getriebes eingreifen. Die Getriebeeinheit weist ferner einen Elektromotor auf, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor auf einer Motorwelle des Elektromotors angeordnet ist.
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Der Elektromotor ist in Axialrichtung an das Getriebe montiert, wobei der Stator des Elektromotors zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses des Getriebes angeordnet ist. Mit anderen Worten verläuft die Getriebewelle zu der Motorwelle parallel. Hierbei ist auf der dem Getriebe zugewandten Seite des Elektromotors kein Lager vorhanden, der Elektromotor ist somit A-seitig lagerlos. Beispielsweise ist die Motorwelle in einem Lager des Elektromotors angeordnet, das an einem B-seitigen Lagerschild des Elektromotors angebunden ist. Vorzugsweise ist dies das einzige Lager des Elektromotors. B-seitig bezeichnet dabei und im Folgenden die dem Getriebe abgewandte Grundfläche des zylinderförmigen Elektromotors.
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Aufgrund der Lagerung der Motorwelle mit nur einem Lager kann diese bei der Montage vergleichsweise weit auf die Position der Getriebewelle angepasst werden, weshalb die übrigen Komponenten des Elektromotors und des Getriebes vergleichsweise spielfrei gestaltet werden können. Ebenso können vergleichsweise große Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Elektromotors und des Getriebes gewählt werden, da ein Ausgleich über die vergleichsweise freie Positionierung der Motorwelle erfolgen kann. Die aufgrund des fehlenden A-seitigen Lagers hervorgerufene vermindernde Stabilität und/oder Robustheit des Elektromotors wird durch die Positionierung des Stators innerhalb des Getriebegehäuses kompensiert, die zudem den Bauraum der Getriebeeinheit in axialer Richtung verkürzt. Wird der Elektromotor nämlich erschüttert, wirken die Kräfte auf den vergleichsweise stabilen Stator und nicht auf die Verbindungsstelle zwischen der Motorwelle und der Getriebewelle. Ein Abknicken der Motorwelle ist somit vermieden.
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Ein weiterer Aspekt des fehlenden A-seitigen Lagers ist das verminderte Gewicht der Getriebeeinheit, was durch die bevorzugte Verwendung von keinem A-seitigen Lagerschild verstärkt wird. Ebenso ist die innere Reibung der Getriebeeinheit aufgrund des fehlenden Lagers reduziert. Ferner ist aufgrund des eingesparten A-seitigen Lagers die Lagerung der Wellen der Getriebeeinheit – wegen der insgesamt vorzugsweise nur drei Lager – nicht überbestimmt, was von erheblichem Vorteil ist.
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Vorzugsweise ist der sich innerhalb des Getriebegehäuses befindende Teil des Stators zumindest teilweise von einer korrespondierenden Aussparung des Getriebegehäuses formschlüssig umgeben. Mit anderen Worten ist der Stator des Elektromotors zumindest teilweise nicht von einem Gehäuse des Elektromotors umgeben und/oder gehalten, sondern vergleichsweise ungeschützt. Dieser Teil ist innerhalb der Aussparung formschlüssig angeordnet. Aufgrund dessen ist die Verbindung zwischen dem Elektromotor und dem Getriebe vergleichsweise belastbar und ein Wärmeaustausch zwischen dem Stator und dem Getriebegehäuse vergleichsweise ungehindert. Ferner ist die Positionierung des Elektromotors an dem Getriebe erleichtert und das Gewicht der Getriebeeinheit aufgrund des teilweisen Fehlens eines Motorgehäuses in dem Bereich erniedrigt.
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Bevorzugt ist hierbei die Aussparung stufenförmig ausgebildet, wobei die Größe der Aussparung mit geringer werdendem Abstand zur B-Seite des Elektromotors zunimmt. Hierbei ist der Stator ab dem Bereich der Stufe von einem Motorgehäuse umgeben, das seinerseits von der Aussparung insbesondere formschlüssig aufgenommen ist. Auf diese Weise ist einerseits eine robuste Kopplung des Elektromotors an dem Getriebe ermöglicht, und andererseits ein Eindringen von Fremdpartikel in den Elektromotor im Bereich der Schnittstelle der beiden Gehäuse vermieden.
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Geeigneterweise sind die beiden Wellen, Motorwelle und Getriebewelle, teilweise ineinander gesteckt. Mit anderen Worten entspricht die Rotationsachse der Getriebewelle der Rotationsachse der Motorwelle. Aufgrund des Ineinandersteckens der beiden Wellen ist die Montage der Getriebeeinheit vereinfacht. Zur Montage muss lediglich der Elektromotor mit der Motorwelle auf die Getriebewelle aufgesteckt und der Stator in Axialrichtung in das Getriebegehäuse eingeführt werden. Dabei können vergleichsweise große Fertigungstoleranzen gewählt werden, die mittels der Positionierung des Elektromotors entlang der Axialrichtung ausgeglichen werden können. Zur Kraftübertragung von dem Elektromotor auf die Getriebewelle weisen die beiden Wellen korrespondierende Strukturen auf, die ineinander greifen. Beispielsweise sind die beiden Wellen miteinander verrastet. Auf diese Weise müssen zur Montage keine weiteren Elemente herangezogen werden.
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Besonders bevorzugt sind die Strukturen Zähne, die entlang des Innen- bzw. Außenumfangs der beiden Wellen insbesondere regelmäßig, angeordnet sind. Dabei ist beispielsweise die Getriebewelle außenverzahnt, die somit in dem dem Motor zugewandten Teilabschnitt, auch als Getriebewellenende bezeichnet, nach Art eines Zahnrads ausgebildet ist. Die Motorwelle ist in dem korrespondierenden Bereich, ebenfalls als deren Wellenende bezeichnet, hohl und dort innen verzahnt, wobei die Zahngrößen der beiden Wellen sich entsprechen.
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Der innerhalb des Getriebegehäuses angeordnete Statorbereich weist an dessen Freiende einen Isolierring auf, der beispielsweise aus einem Silikon oder vergleichsweise verformbaren Kunststoff gefertigt ist. Der Außendurchmesser des Isolierrings entspricht vorzugsweise dem Außendurchmesser des Stators in dem Bereich der gegenseitigen Anlage. Der Isolierring selbst ist kegelstumpfförmig und weist eine zentrale Öffnung zum ungehinderten Durchlass der Motorwelle auf. Unter kegelstumpfförmig wird dabei verstanden, dass der Außendurchmesser des Isolierrings mit zunehmendem Abstand zur B-Seite des Elektromotors abnimmt. Sofern die Ausnehmung des Getriebegehäuses vorhanden ist, liegt der Isolierring vorzugsweise an dem Boden der Ausnehmung an. Bei der Montage der Getriebeeinheit wird der Stator in die Ausnehmung eingeführt, wobei der Isolierring als Zentrierhilfe herangezogen wird. Im montierten Zustand verhindert der Isolierring ein Eindringen von Fremdpartikeln in den von dem Rotor des Elektromotors beanspruchten Raum.
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Vorzugsweise weist der B-seitige Lagerschild eine Befestigungsöse auf, im Folgenden als erste Befestigungsöse bezeichnet, durch die eine Schraube oder Niet gesteckt ist. Mit Hilfe dieses Befestigungsmittels ist der Elektromotor an dem Getriebe angebunden und ein Verrutschen des Elektromotors in Axialrichtung wird vermieden. Vorzugsweise liegt dabei der Lagerschild zumindest teilweise an dem Getriebegehäuse an. Mittels einer derartigen Befestigung ist die Getriebeeinheit vergleichsweise unempfindlich gegenüber Erschütterungen, da auftretende Scherkräfte zum einen über einen mittels der Schraube bzw. Niet realisierten, vergleichsweise großen Hebelarm als auch zum anderen durch eine Anordnung des Stators innerhalb des Getriebegehäuses kompensiert werden. Ferner werden keine zusätzlichen Halteelemente an dem Elektromotor oder an dem Getriebe benötigt, wie beispielsweise Winkelelemente, die sowohl das Gewicht als auch die Kosten der Getriebeeinheit erhöhen.
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Zweckmäßigerweise ist eine Ansteuerelektronik des Elektromotors an dem B-seitigen Lagerschild befestigt. Hierzu umfasst der B-seitige Lagerschild eine Befestigungsöse, im Folgenden als zweite Befestigungsöse bezeichnet, durch die eine Schraube oder Niet gesteckt ist. Aufgrund der Positionierung der Ansteuerelektronik auf der dem Getriebe gegenüberliegenden Seite des Elektromotors wird diese von einer Erwärmung des Getriebes oder der Vibrationen des Getriebes vergleichsweise wenig beeinträchtigt. Ferner ist eine separate Kühlung der Ansteuerelektronik erleichtert. Sofern sowohl die erste Befestigungsöse als auch die zweite Befestigungsöse vorhanden sind, ist eine Montage der Getriebeeinheit vorteilhaft erleichtert, zumal lediglich an einer Stelle, nämlich am B-seitigen Lagerschild, Arbeiten ausgeführt werden müssen, nämlich die Montage der Befestigungselemente.
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Der Elektromotor ist vorzugsweise ein bürstenloser Elektromotor, der mittels einer Brückenschaltung, insbesondere einer B6-Schaltung, bestromt wird. Das Lager ist vorzugsweise als ein Kugellager ausgeführt und in dem B-seitigen Lagerschild integriert. Der Elektromotor und die in einer Ansteuerelektronik integrierte Brückenschaltung sind Bestandteil eines Getriebeaktuators, mittels dessen ein Getriebe betätigt wird.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch vereinfacht einen Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs,
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2 in einer Schnittdarstellung entlang einer Axialrichtung eine Getriebeeinheit, und
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3 perspektivisch einen Elektromotor der Getriebeeinheit.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Antriebsstrang 2 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Eine Verbrennungskraftmaschine 4 steht über eine erste Welle 6, eine Getriebeeinheit 8, eine zweite Welle 10 und ein nicht gezeigtes Differential mit Antriebsrädern 12 in Wirkverbindung. Hierbei wird die Rotationsbewegung der direkt von der Verbrennungskraftmaschine 4 angetriebenen ersten Welle 6 in eine Rotationsbewegung der Antriebsräder 12 umgewandelt, wobei sich sowohl die Drehrichtung als auch die Rotationsgeschwindigkeiten der beiden unterscheiden. Aufgrund des Differentials erfolgt die Rotationsbewegung der Antriebsräder 12 im Wesentlichen in einem rechten Winkel zu der Rotationsbewegung der zweiten Welle 10.
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Mittels eines Getriebes 14 der Getriebeeinheit 8 wird ein von der Verbrennungskraftmaschine 4 bereitgestelltes Drehmoment variabel auf die Antriebsräder 12 übertragen. Hierfür weist das Getriebe 14 eine Kupplung auf, die mittels eines einen Elektromotor 16 umfassenden Getriebeaktuators 18 betätigt wird. Der Getriebeaktuator 18 weist ferner eine Ansteuerelektronik 20 auf, die den Elektromotor 16 steuert. Über eine Datenleitung 22 von einem Wählhebel 24 wird die Ansteuerelektronik 20 eingestellt. Die Datenleitung 22 ist ein CAN-Bus, und mittels des Wählhebels 24 kann ein Fahrer auswählen, ob und wie viele der Antriebsräder 12 mit dem von der Verbrennungskraftmaschine 4 bereitgestelltes Drehmoment versorgt werden.
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In 2 ist die Getriebeeinheit 8 in einer Schnittdarstellung entlang einer Axialrichtung 26 gezeigt, wobei die Axialrichtung 26 der Erstreckungsrichtung einer zylindrischen Motorwelle 28 des Elektromotors 16 und der Erstreckungsrichtung einer zylindrischen Getriebewelle 30 des Getriebes 14 entspricht. Mit anderen Worten ist die Motorwelle 28 zur Getriebewelle 30 und zur Axialrichtung 26 parallel. Hierbei fluchten die beiden Wellen 28, 30 derart, dass die Rotationsachse der Motorwelle 28 auf die Rotationsachse der Getriebewelle 30 fällt.
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Die beiden Wellen 28, 30 sind miteinander gekoppelt, wobei das der Getriebewelle 30 zugewandte Wellenende 32 der Motorwelle 28 hohl ausgeführt ist, und das der Motorwelle 28 zugewandte Wellenende 34 der Getriebewelle 30 in sich aufnimmt. Mit anderen Worten sind die beiden Wellen 28, 30 ineinander gesteckt. Um eine Rotationsbewegung der Motorwelle 28 in eine Rotationsbewegung der Getriebewelle 30 effektiv zu übertragen, ist das Getriebewellenende 34 außen verzahnt ausgeführt. Mit anderen Worten weist das Getriebewellenende 34 umfangsseitig eine Anzahl von regelmäßig verteilten Zähnen 36 auf, die in korrespondierende Zähne 36 eingreifen, die in die hohlraumartige Vertiefung des Motorwellenendes 32 an die Motorwelle 28 angeformt sind.
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Der aus der Motorwelle 28 und der Getriebewelle 30 gebildete Verbund ist mittels zweier Getriebelager 38 und einem Motorlager 40 drehbar gelagert. Die beiden Getriebelager 38 sind innerhalb eines Getriebegehäuses 42 des Getriebes 14 angeordnet, in dem auch hier nicht näher dargestellte Getriebeelemente, wie zum Beispiel Zahnräder, aufgenommen sind. Das Getriebegehäuse 42 selbst ist aus einem Metall gefertigt.
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Das Motorlager 40 ist an einem aus einem Blech gefertigten B-seitigen Lagerschild 44 des Elektromotors 16 klemmfixiert. Der B-seitige Lagerschild 44 befindet sich hierbei auf der dem Getriebe 14 gegenüberliegenden Seite des Elektromotors 16. Folglich ist ein auf der Motorwelle 28 angeordneter Rotor 46 und ein mit diesem in Wirkverbindung stehender Stator 48 zwischen dem Motorlager 40 und den Getriebelagern 38 angeordnet. Somit ist der Elektromotor 16 A-seitig lagerlos ausgeführt, wobei ein A-seitiges Lagerschild ebenfalls nicht vorhanden ist. Der Stator 48 wird mittels der Ansteuerelektronik 20 bestromt, die auf dem Lagerschild 44 aufliegt und dort befestigt ist. Hierfür weist der Lagerschild 44 eine Anzahl von zweiten Befestigungsösen 50 auf, durch die Schrauben 52 gesteckt und in entsprechende Aufnehmungen der Ansteuerelektronik 20 gedreht sind. Die Ansteuerelektronik 20 umfasst dabei eine Anzahl von Halbleiterelementen, die zu einer Brückenschaltung verschalten sind.
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Der Lagerschild 44 weist ferner eine Anzahl erster Befestigungsösen 54 auf, durch die eine hierzu korrespondierende Anzahl von Schrauben 56 gesteckt, wobei die Schrauben 56 in das Getriebegehäuse 42 eingedreht sind. Dabei liegt der Lagerschild 44 an dem Getriebegehäuse 42 an, um ein Verkippen des Elektromotors 16 gegenüber dem Getriebe 14 und ein dadurch bedingtes Verknicken des Wellenverbundes 28, 30 aufgrund eines erhöhten Hebelarms zu vermeiden. Zur Stabilisierung ist der Elektromotor 16 teilweise innerhalb des Getriebegehäuses 42 angeordnet, was den Bauraum der Getriebeeinheit 8 in Axialrichtung 26 verkürzt. Hierzu ist der Stator 48 teilweise in eine stufenförmig ausgeführte Aussparung 58 des Getriebegehäuses 42 eingesetzt. Die Aussparung 58 liegt im Bereich ihres verringerten Durchmessers formschlüssig an dem Stator 48 an. Im Bereich des vergrößerten Durchmessers, also hinter der Stufe, ist zwischen dem Stator 48 und dem Getriebegehäuse 42 ein hohlzylindrisches Motorgehäuse 60 angeordnet. Das aus einem Blech gefertigte Motorgehäuse 60 umgibt den Stator 48 in dem zugeordneten Bereich formschlüssig und ist an dem B-seitigen Lagerschild 44 festgelegt. Die Aussparung 58 des Getriebegehäuses 42 seinerseits umgibt das Motorgehäuse 60 formschlüssig.
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An dem Stator 48 ist auf der dem Getriebe 14 zugewandten ein aus einem Kautschuk gefertigter Isolierring 62 angeordnet, wie auch in 3 gezeigt. Dort ist der Elektromotor 16 mit montierter Ansteuerelektronik 20, jedoch ohne Getriebe 14 dargestellt, die Bestandteil eines Aktuators 64 des Kraftfahrzeugs sind. Der Isolierring 62 ist kegelstumpfförmig, wobei der Außendurchmesser des Isolierrings 62 mit zunehmender Entfernung zu dem Lagerschild 44 abnimmt. Die Achse des kegelstumpfförmigen Isolierrings 62 fällt auf die Rotationsachse der Motorwelle 28. In dem Isolierring 62 ist eine zentrale Öffnung 66 eingebracht, durch die der eine Anzahl von Permanentmagneten aufweisende Rotor 46 in den Elektromotor 16 eingebracht werden kann. Mittels des Isolierrings 62 wird einerseits ein Eindringen von Fremdpartikeln über die Aussparung 58 in den Bereich des Rotors 46 im Montagezustand vermieden. Andererseits dient der Isolierring 62 als Positionierhilfe bei der Montage der Getriebeeinheit 8, da mit diesem ein Verkanten des Stators 48 an der Stufe der Aussparung 58 vermieden werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Antriebsstrang
- 4
- Verbrennungskraftmaschine
- 6
- erste Welle
- 8
- Getriebeeinheit
- 10
- zweite Welle
- 12
- Antriebsräder
- 14
- Getriebe
- 16
- Elektromotor
- 18
- Getriebeaktuator
- 20
- Ansteuerelektronik
- 22
- Datenleitung
- 24
- Wählhebel
- 26
- Axialrichtung
- 28
- Motorwelle
- 30
- Getriebewelle
- 32
- Motorwellenende
- 34
- Getriebewellenende
- 36
- Zähne
- 38
- Getriebelager
- 40
- Motorlager
- 42
- Getriebegehäuse
- 44
- B-seitiger Lagerschild
- 46
- Rotor
- 48
- Stator
- 50
- zweite Befestigungsöse
- 52
- Schraube
- 54
- erste Befestigungsöse
- 56
- Schraube
- 58
- Aussparung
- 60
- Motorgehäuse
- 62
- Isolierring
- 64
- Aktuator
- 66
- Öffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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