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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einem schaltbaren Getriebe gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
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Schaltgetriebe werden in unterschiedlichen Ausführungsformen in Kraftfahrzeugen verwendet. Bei einer Vielzahl von Getriebekonzepten mit Stirnradstufen werden die zu schaltenden Gänge mit Hilfe von Kupplungen und Synchronisierungen geschaltet. Um während der Fahrt einen Gang einlegen zu können, wird zunächst durch das Treten der Kupplung die Trägheit des Antriebsmotors von der Getriebeeingangswelle getrennt. Anschließend werden die Drehzahlen der Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle synchronisiert. Erst dann ist eine formschlüssige Verbindung möglich, über welche ein Antriebsmoment von der Getriebeeingangswelle auf die Getriebeausgangswelle übertragen werden kann.
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Dieser Vorgang ist in automatisierten Getriebekonzepten insofern kritisch, da bei den Schaltvorgängen der Antriebsmotor vom Getriebe getrennt wird. Dementsprechend ist eine Leistungsübertragung durch das Getriebe unterbrochen. Es entsteht eine sogenannte Zugkraftunterbrechung, welche sich dem Fahrer durch eine komfortbeeinflussende Längsdynamikschwingung äußert.
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In manuell geschalteten Getrieben ist dieser Vorgang weniger kritisch, da der Fahrer manuell den Schaltvorgang veranlasst und weiß, wann der Schaltvorgang einsetzt. In automatisierten Getriebekonzepten wird der Fahrer mehr oder weniger durch die schaltungsbedingte Längsdynamikschwingungen überrascht. Deutlich zu spüren ist ein solcher Schaltvorgang insbesondere bei automatisierten manuellen Getrieben, welche sich aus diesem Grund auch nicht am Markt durchsetzen konnten. Bei Doppelkupplungsgetrieben kann dieses Problem durch die Doppelkupplung an sich gelöst werden, welche das Getriebe in zwei Teilgetriebe aufteilt. Somit ist ein Überblenden zwischen den Kupplungen möglich. Dieses Überblenden kann auch unter Last erfolgen, sodass ein Schaltvorgang ohne Zugkraftunterbrechung möglich ist.
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Getriebekonzepte von Elektro- oder Hybridfahrzeugen mit mehr als einem Gang haben unter Umständen das Problem, dass während des Schaltvorgangs eine Zugkraftunterbrechung eintreten kann. Im Falle eines Hybridfahrzeuges kann abhängig vom Getriebekonzept während des Schaltvorgangs der Verbrennungsmotor zugeschaltet werden, um die Zugkraftunterbrechung zu kompensieren. Bei reinen Elektrofahrzeugen, insbesondere bei Elektrofahrzeugen mit kupplungsfreien Getrieben ist dies nicht möglich, da kein Verbrennungsmotor vorhanden ist. Verbaut der Hersteller bei einem solchen Elektrofahrzeug ein zweigängiges Getriebe, so muss er mit einer Zugkraftunterbrechung rechnen.
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Aus der
DE 199 24 501 A1 ist ein schaltbares Stufenwechselgetriebe für einen Verbrennungsmotor bekannt, welches eine einzige Lastschaltkupplung und mindestens zwei Teilgetriebe aufweist. Die Teilgetriebe sind jeweils mit Schaltkupplungen versehen. Es ist vorgesehen, dass die Lastschaltkupplung an einem der Teilgetriebe angeordnet ist, während das jeweils andere Teilgetriebe keine Lastschaltkupplung in seiner Antriebsverbindung hat.
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Die
DE 10 2015 116 537 A1 offenbart eine elektrische Antriebsachse für ein Kraftfahrzeug. Die elektrische Antriebsachse weist eine Getriebeanordnung mit zwei Gängen auf. Ein Elektromotor treibt dabei mindestens eine Abtriebswelle der Achse des Kraftfahrzeuges an. Mittels einer Stirnradgetriebestufe wird, in einer ersten Schaltstufe, eine Zwischenwelle angetrieben sowie ein fest mit der Zwischenwelle verbundenes Stirnrad. Dieses Stirnrad kämmt mit einem Hohlrad eines koaxial zur Abtriebswelle angeordneten Planetengetriebes. Ein weiteres Stirnrad ist mit einer Ausgangswelle des Elektromotors oder der Zwischenwelle koppelbar, um in einer zweiten Schaltstufe ein Sonnenrad des Planetengetriebes anzutreiben. Diese elektrische Antriebsachse weist eine kompakt gestaltete Getriebeanordnung auf. Insbesondere kann ein relativ hohes Drehmoment bei relativ kleinen Abmessungen der Zahnräder übertragen werden.
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Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass nicht auf einfache Art und Weise an ein bestehendes Getriebe ein zusätzlicher Gang „angebaut“ werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine modulare Getriebekomponente vorzuschlagen, mit welcher ein Getriebe um einen zweiten Gang erweitert werden kann, wobei ein Schalten zwischen den beiden Gängen ohne Zugkraftunterbrechung möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und einem Getriebe gelöst, wobei das Getriebe eine mit dem Elektromotor verbundene Antriebswelle, eine Zwischenwelle und mindestens eine Abtriebswelle aufweist. Dabei ist auf der Antriebswelle ein erstes Zahnrad angeordnet, welches in einer ersten Gangebene mit einem dritten Zahnrad auf der Zwischenwelle in Eingriff steht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an der Antriebswelle oder an der Zwischenwelle eine schaltbare Kupplung vorgesehen ist, über welche ein zweites Zahnrad auf der Antriebswelle oder ein viertes Zahnrad auf der Zwischenwelle mit der jeweiligen Welle drehfest in Verbindung gebracht werden kann. Dadurch kann bei einem Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor auf einfache Art und Weise ein Zweiganggetriebe ausgebildet werden, welches ein Schalten unter Last und somit eine Übertragung der Antriebsleistung des Elektromotors auf die Abtriebswelle ohne Zugkraftunterbrechung beim Schalten ermöglicht.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch beanspruchten elektrischen Antriebseinheit möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Getriebe der elektrischen Antriebseinheit als Stirnradgetriebe ausgeführt ist. Ein Stirnradgetriebe ist ein besonders einfaches Getriebe, um bei einem eingängigen Getriebe eine Kraftübertragung von der mit dem Elektromotor verbundenen Antriebswelle auf die Abtriebswelle zu realisieren. Dabei kann ein bereits existierendes Stirnradgetriebe im Vergleich zu anderen Getriebevarianten besonders einfach in der vorgeschlagenen Art um einen weiteren Gang ergänzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der elektrischen Antriebseinheit ist vorgesehen, dass die schaltbare Kupplung an der Antriebswelle angeordnet ist, wobei sämtliche Zahnräder der Zwischenwelle als Festräder drehfest mit der Zwischenwelle verbunden sind. Die Anordnung der Kupplung ermöglicht ein einfaches Umschalten zwischen der Kraftübertragung über das erste Zahnrad auf eine Kraftübertragung über das zweite Zahnrad und somit einen Wechsel von der ersten Gangebene auf die zweite Gangebene. Die Ausbildung sämtlicher Zahnräder auf der Zwischenwelle als Festräder ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Ausführung der Zwischenwelle, da keine zusätzlichen Freiläufe, Schaltklauen oder Kupplungselemente notwendig sind.
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In einer alternativen Ausführungsform ist mit Vorteil vorgesehen, dass die schaltbare Kupplung an der Zwischenwelle angeordnet ist, wobei sämtliche Zahnräder der Antriebswelle als Festräder drehfest mit der Antriebswelle verbunden sind. Die Anordnung der Kupplung an der Zwischenwelle ermöglich ein einfaches Umschalten zwischen der Kraftübertragung über das dritte Zahnrad auf eine Kraftübertragung über das vierte Zahnrad und somit einen Wechsel von der ersten Gangebene auf die zweite Gangebene. Die Ausbildung sämtlicher Zahnräder auf der Antriebswelle als Festräder ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Ausführung der Antriebswelle, da keine zusätzlichen Freiläufe, Schaltklauen oder Kupplungselemente notwendig sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Zwischenwelle ein Abtriebszahnrad angeordnet ist, welches mit einem Differenzial in Wirkverbindung steht, wobei das Antriebsmoment der Zwischenwelle über das Differenzial auf eine erste Abtriebswelle und eine zweite Abtriebswelle verteilt wird. Durch eine Verbindung der Zwischenwelle mit einem Differenzial ist eine einfache Aufteilung des Antriebsmoments auf zwei verschiedene Abtriebswellen, insbesondere zwei verschiedene Radantriebe einer Antriebsachse, möglich.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Zwischenwelle ein Abtriebszahnrad angeordnet ist, welches mit einem Zahnrad auf der Abtriebswelle in Eingriff steht. Durch ein Abtriebszahnrad auf der Zwischenwelle, welches mit einem weiteren Zahnrad auf der Abtriebswelle in Eingriff steht, ist ein besonders einfacher Antrieb möglich. Dabei sind das Abtriebszahnrad auf der Zwischenwelle und das weitere Zahnrad auf der Abtriebswelle vorzugsweise als Festräder ausgebildet, um eine kontinuierliche Drehmomentenübertragung zu gewährleisten. Dadurch kann auf einfache Art und Weise bei einer elektrischen Antriebseinheit eine Rekuperationsfunktion geschaffen werden, wenn die Abtriebswelle das Getriebe schleppt und somit die Antriebswelle durch ein Drehen der Abtriebswelle gedreht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Zahnrad oder das dritte Zahnrad über einen verriegelbaren Freilauf mit der jeweiligen Welle drehfest verbindbar sind. Ein Freilauf ist notwendig, damit nicht parallel beide Gangebenen in einem starren Eingriff stehen und das Getriebe durch die unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse blockiert wird. Dabei ist ein Freilauf in der ersten Gangebene besonders vorteilhaft, um auf einfache Art und Weise aus einem bestehenden Eingang-Getriebe ein lastschaltbares Zweigang-Getriebe zu machen. Zudem wird in der ersten Gangebene erst durch die Verriegelung des Freilaufs ein Rekuperationsbetrieb möglich, da ansonsten das Zahnrad frei dreht und kein Moment von der Zwischenwelle auf die Antriebswelle überträgt.
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Bevorzugt ist dabei, wenn der verriegelbare Freilauf bei einer Drehbewegung in eine erste Drehrichtung stets drehfest mit der entsprechenden Welle in Wirkverbindung steht und bei einer Drehbewegung in die entgegengesetzte Drehrichtung in einem ersten Betriebszustand eine Freilauffunktion hat und in einem zweiten Betriebszustand drehfest mit der entsprechenden Welle verbunden ist. Dabei kann in dem ersten Betriebszustand kein Drehmoment entgegen der durch die Drehung der Antriebswelle vorgegebene Antriebsrichtung übertragen werden, sodass der Freilauf bei geöffneter Kupplung und abgetrennter zweiter Gangebene verhindern würde, dass der Elektromotor durch die Abtriebswelle gedreht wird und somit keine Rekuperation möglich ist.
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Wird die Kraft nach Schließen der Kupplung über die zweite Gangebene übertragen, so verhält sich der Freilauf wie ein „normaler“ Freilauf und ermöglicht ein freies Drehen des ersten oder dritten Zahnrades. Im zweiten Betriebszustand wird bei verriegeltem Freilauf und geöffneter Kupplung in der ersten Gangebene eine Zwangsdrehung ermöglicht, sodass sowohl ein Antrieb der Abtriebswelle durch den Elektromotor als auch eine Rekuperation durch ein Drehen der Abtriebswelle möglich ist.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der verriegelbare Freilauf durch die schaltbare Kupplung vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand überführt werden kann. Da das Verriegeln des Freilaufs nur dann sinnvoll ist, wenn die Leistungsübertragung über die erste Gangebene erfolgt, ist es sinnvoll, die Verriegelung beziehungsweise Entriegelung des Freilaufs mit der Betätigung der Kupplung zu verbinden.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Getriebe für eine elektrische Antriebseinheit mit einer Antriebswelle, einer Zwischenwelle und mindestens einer Abtriebswelle vorgeschlagen, wobei auf der Antriebswelle ein erstes Zahnrad angeordnet ist, welches in einer ersten Gangebene mit einem dritten Zahnrad auf der Zwischenwelle in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebswelle oder an der Zwischenwelle eine schaltbare Kupplung vorgesehen ist, über welche ein zweites Zahnrad auf der Antriebswelle oder ein viertes Zahnrad auf der Zwischenwelle mit der jeweiligen Welle drehfest in Verbindung gebracht werden kann. Durch ein solches Getriebe lässt sich auf konstruktiv vergleichsweise einfache Art und Weise ein bestehendes Eingang-Getriebe zu einem lastschaltbaren Zweiganggetriebe erweitern. Dies ist insbesondere bei einem Elektrofahrzeug sinnvoll, welches ausschließlich durch einen Elektromotor angetrieben wird. Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder Hybridfahrzeugen, welche vier oder mehr Gänge aufweisen, ist eine Kraftübertragung über bekannte Doppelkupplungsgetriebe oder Planetengetriebe einfacher, sodass die vorliegende Erfindung insbesondere bei Zweigang-Getrieben Vorteile bietet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit mit einem modularen Zweiganggetriebe in einer schematischen Darstellung;
- 2 eine weitere Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit mit einer modularen Lastschalteinheit; und
- 3 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit mit einer modularen Lastschalteinheit.
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1 zeigt schematisch eine elektrische Antriebseinheit 1 mit einem Elektromotor 2 und einem Getriebe 3. Die Erfindung beschreibt ein neuartiges Konzept, um bei einem Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor 2 und einem eingängigen Getriebe dieses Getriebe 3 um einen lastschaltbaren zweiten Gang zu erweitern. Das Getriebe 3 umfasst eine Antriebswelle 4, welche von dem Elektromotor 2 angetrieben ist und drehfest mit dem Elektromotor 2 verbunden ist. Auf der Antriebswelle 4 ist ein erstes Zahnrad 43 angeordnet, welches mittels eines verriegelbaren Freilaufs 44 auf der Antriebswelle 4 aufgenommen ist. Ferner ist an der Antriebswelle 4 eine schaltbare Kupplung 8 vorgesehen, über welche ein zweites Zahnrad 45 drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden werden kann. Das Getriebe 3 umfasst ferner eine Zwischenwelle 5, auf welcher ein drittes Zahnrad 53 angeordnet ist, welches mit dem Zahnrad 43 auf der Antriebswelle 4 in einer ersten Gangebene I in Eingriff steht. Auf der Zwischenwelle 5 ist ferner ein viertes Zahnrad 55 angeordnet, welches mit dem zweiten Zahnrad 45 der Antriebswelle 4 in einer zweiten Gangebene II in Eingriff steht. Die Zwischenwelle 5 trägt zudem ein fünftes Zahnrad 56, welches in einer Abtriebsebene III mit einem sechsten Zahnrad 61 auf einer Abtriebswelle 6 oder einem Differenzial 10 verbunden ist, welches seinerseits mit einer ersten Abtriebswelle 6 und einer zweiten Abtriebswelle 7 in Wirkverbindung steht. Die Zahnräder 53, 55 und 56 auf der Zwischenwelle 5 sind als sogenannte Festräder ausgeführt und drehfest mit der Zwischenwelle 5 verbunden. Um ein bestehendes eingängiges Getriebe um einen zweiten Gang zu erweitern, wird das Getriebe 8 modular um die Kupplung 8, den verriegelbaren Freilauf 44 am ersten Zahnrad 43, um das zweite Zahnrad 45 auf der Antriebswelle 4 und das vierte Zahnrad 55 auf der Zwischenwelle 5 ergänzt. Hierzu wird eine bereits vorhandene erste Gangebene I um eine zweite Gangebene II erweitert, um die Übersetzung des zweiten Ganges zu realisieren. Diese modulare Erweiterung eines bestehenden Getriebekonzeptes wird erfindungsgemäß als modulare Lastschalteinheit bezeichnet.
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In 2 ist eine weitere Darstellung einer solchen elektrischen Antriebseinheit 1 mit einem Elektromotor 2 und einem Getriebe 3 dargestellt. Die Antriebswelle 4 ist über ein erstes Wälzlager 41 und ein zweites Wälzlager 42 drehbar in einem nicht dargestellten Getriebegehäuse drehbar gelagert. Aus 3 ist zu erkennen, dass die Zwischenwelle 5 ebenfalls über ein drittes und ein viertes Wälzlager 51, 52 drehbar in dem Getriebegehäuse gelagert sind.
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Das Schalten des Getriebes 3 wird im Folgenden an einem Schaltvorgang von dem ersten Gang, bei welchem eine Kraftübertragung über die erste Gangebene I erfolgt, in den zweiten Gang, bei welchem eine Kraftübertragung über die zweite Gangebene II erfolgt, erklärt. Zur Schaltung eines Ganges wird die Leistung ähnlich dem Verfahren bei einem Doppelkupplungsgetriebe folgendermaßen auf die Zahnräder 45, 55 in der zweiten Gangebene übertragen. Im unbetätigten Ausgangszustand der Kupplung 8 wird das Antriebsmoment des Elektromotors 2 über den geschlossenen Freilauf 44 über die Zahnradkombination 43, 53 in der ersten Gangebene I auf die Zwischenwellen 5 und von dort über die Zahnradkombination 56, 61 auf die Abtriebswelle 6 übertragen. Zur Schaltung des zweiten Gangs wird zunächst das Moment an der Kupplung 8 eingestellt, welches aktuell antriebsseitig an der Antriebswelle 4 durch den Elektromotor 2 anliegt. Im Anschluss befindet sich die Kupplung 8 im Schlupf, überträgt aber das vollständige Antriebsmoment. Das Moment an dem verriegelbaren Freilauf 44 nimmt hingegen nach dieser Phase auf null ab. Im Anschluss wird bei gleichem Kupplungsmoment über den Elektromotor 2 der Schlupf auf der Kupplung 8 auf null heruntergeregelt. Aufgrund der nun entstehenden Drehzahldifferenz öffnet der verriegelbare Freilauf 44. Anschließend kann die Kupplung 8 vollständig geschlossen werden, um somit das Elektrofahrzeug weiter zu beschleunigen. Während des gesamten Schaltvorgangs liegt somit ständig Moment an der Abtriebswelle 6 an, wodurch das Elektrofahrzeug keine Zugkraftunterbrechung erfährt.
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Der verriegelbare Freilauf 44 kann modular ausgeführt werden. Der verriegelbare Freilauf 44 kann als „normaler“ Freilauf ausgeführt sein, welche in einer Drehrichtung blockiert und in die andere Drehrichtung öffnet. In diesem Fall kann im ersten Gang keine Energie rekuperiert werden. Für diesen Fall erfolgt die Rekuperation ausschließlich über den zweiten Gang. Alternativ kann der Freilauf 44 schaltbar ausgeführt sein. Dabei blockiert der Freilauf 44 eine Drehung in eine Drehrichtung immer, während die Drehung in die entgegengesetzte Drehrichtung wahlweise blockiert oder geöffnet sein kann. Hierzu ist eine zusätzliche Verriegelung vorgesehen. Im blockierten Zustand kann auch über die erste Gangebene I ein Rekuperationsbetrieb des Elektromotors 2 durchgeführt werden.
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Die Lösung stellt ein neuartiges modulares Konzept dar, welches ein eingängiges Getriebekonzept modular um einen zweiten lastschaltfähigen Gang erweitert. Zur Betätigung muss zwingend ein Kupplungsaktuator 9 vorhanden sein. Die zu schaltende Kupplung 8 ist dabei direkt mit dem zweiten Zahnrad 45 der Antriebswelle 4 in der zweiten Gangebene II verbunden.
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Die modulare Lastschalteinheit ist in mehreren Ausführungsformen denkbar. Wie bereits zu 1 beschrieben, wird hierbei die bereits vorhandene erste Gangebene I um eine weiteren Gangebene II erweitert, um die Übersetzung des zweiten Ganges zu realisieren.
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In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine elektrische Antriebseinheit 1 mit einem Elektromotor 2 und einem Getriebe 3 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 oder 2 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kupplung 8 an der Zwischenwelle 5 angeordnet. Dabei sind die Zahnräder 43, 45 der Antriebswelle 4 als Festräder ausgeführt und drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden. Das dritte Zahnrad 53 der Zwischenwelle 5 ist über einen verriegelbaren Freilauf 54 auf der Zwischenwelle 5 aufgenommen. Über die Kupplung 8 kann ein viertes Zahnrad 55 drehfest mit der Zwischenwelle 5 verbunden werden, sodass eine Kraftübertragung über die zweite Gangebene II und die Zahnräder 45, 55 möglich ist. In diesem Fall ist der Freilauf 54 des dritten Zahnrads 53 geöffnet, sodass das dritte Zahnrad 53 kein Drehmoment von der Antriebswelle 4 auf die Zwischenwelle 5 überträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Antriebseinheit
- 2
- Elektromotor
- 3
- Getriebe
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Zwischenwelle
- 6
- Erste Abtriebswelle
- 7
- Zweite Abtriebswelle
- 8
- Kupplung
- 9
- Schaltmechanismus
- 10
- Differenzial
- 41
- erstes Wälzlager
- 42
- zweites Wälzlager
- 43
- erstes Zahnrad
- 44
- verriegelbarer Freilauf
- 45
- zweites Zahnrad
- 51
- drittes Wälzlager
- 52
- viertes Wälzlager
- 53
- drittes Zahnrad
- 54
- verriegelbarer Freilauf
- 55
- viertes Zahnrad
- 56
- fünftes Zahnrad
- 61
- sechstes Zahnrad
- I
- erste Gangebene
- II
- zweite Gangebene
- III
- Abtriebsebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19924501 A1 [0006]
- DE 102015116537 A1 [0007]
