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Die Erfindung betrifft eine antreibbare Achse für ein Kraftfahrzeug mit zwei Antriebseinheiten, je eine für ein Rad der linken bzw. rechten Fahrzeugseite. Zwischen jeder Antriebseinheit und der Radnabe der jeweiligen Fahrzeugseite ist eine Vorrichtung zum Entkoppeln und Koppeln einer Drehbewegung eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen antreibbaren Achse.
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Bei konventionell mit einem Verbrennungsmotor und/oder elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird für den Zyklusbetrieb in der Regel nur eine Antriebsachse benötigt. Fahrzeugarchitekturen mit mehreren Antriebsachsen (4x4, 6x4/6, 8x4/6/8) weisen hohe Schleppmomente durch unnötige mechanisch mitdrehende Teile auf. Daher besteht Bedarf, mechanische Trennstellen zu integrieren, über die Teile des Antriebs bedarfsgerecht entkoppelt werden können.
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Aus der
EP 1 362 406 A1 geht ein Stellantrieb zur Betätigung von Antriebskomponenten oder Verstellkomponenten an Fahrzeugen hervor. Der Stellantrieb umfasst einen elektrischen Aktuator, der auf Kraftübertragungselemente einwirkt, mit dem die Stellbewegung an die zu verstellende Antriebs- oder Verstellkomponente übertragen wird. Ein Ausrückelement ist vorgesehen, welches im stromlosen Zustand des elektrischen Aktuators die Kraftübertragung durch die Kranübertragungselemente unterbricht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine antreibbare Achse bereitzustellen, die fahrsituationsabhängig entkoppelt werden kann, um insbesondere die Effizienz des Antriebs zu steigern. Diese Aufgabe wird mit einer antreibbaren Achse nach Anspruch 1 gelöst. Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße antreibbare Achse für ein Kraftfahrzeug umfasst eine mit einer ersten Radnabe antriebswirksam verbindbare erste Antriebseinheit und eine mit einer zweiten Radnabe antriebswirksam verbindbare zweite Antriebseinheit, wobei zwischen der ersten Antriebseinheit und der ersten Radnabe eine erste Vorrichtung zum Entkoppeln und Koppeln einer Drehbewegung eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils wirksam angeordnet ist, und wobei zwischen der zweiten Antriebseinheit und der zweiten Radnabe eine zweite Vorrichtung zum Entkoppeln und Koppeln einer Drehbewegung eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils angeordnet ist,
die Vorrichtungen jeweils umfassend
- - ein Schaltelement, das drehfest und axial verlagerbar zwischen einer ersten Position, in der eine Drehbewegung des ersten Bauteils mit einer Drehbewegung des zweiten Bauteils gekoppelt ist, und einer zweiten Position, in der die Drehbewegung des ersten Bauteils von der Drehbewegung des zweiten Bauteils entkoppelt ist, zwischen dem ersten und zweiten Bauteil angeordnet ist, und
- - eine Stelleinrichtung, aufweisend
- • zumindest ein zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung axial verlagerbares erstes Stellelement, und
- • zumindest ein erstes Rückstellelement zum Verschieben des Schaltelements in die erste Position, wobei in der ersten Stellung des zumindest ersten Stellelements das Schaltelement mittels des zumindest ersten Rückstellelements in der ersten Position gehalten ist, und wobei in der zweiten Stellung des zumindest ersten Stellelements das Schaltelement gegen eine von dem zumindest ersten Rückstellelement ausgeübte Kraft in der zweiten Position gehalten ist,
wobei die ersten Stellelemente der beiden Vorrichtungen durch einen gemeinsamen Stellaktuator gemeinsam zwischen der jeweiligen ersten und zweiten Stellung verschieblich sind. Mit anderen Worten wird durch einen einzigen Stellaktuator die gesamte Achse vom Abtrieb entkoppelt bzw. daran angekoppelt. Der Stellaktuator bewirkt, dass eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil der ersten Vorrichtung sowie zwischen dem ersten und zweiten Bauteil der zweiten Vorrichtung gleichzeitig unterbrochen oder erzeugt werden kann, je nachdem in welcher Fahrsituation sich das Kraftfahrzeug befindet. Ein Entkoppeln der antreibbaren Achse vom Abtrieb kann sinnvoll sein, um Schleppmomente zu minimieren und so den Antrieb des Kraftfahrzeugs effizienter zu gestalten. Die beiden Vorrichtungen bilden folglich eine jeweilige Trennstelle zur Unterbrechung einer Übertragung einer Antriebsleistung auf das jeweilige Rad der Achse.
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Das erste bzw. zweite Bauteil der jeweiligen Vorrichtung kann beispielsweise als Welle, insbesondere als Hohlwelle, ausgebildet sein. Die beiden Bauteile sind bevorzugt koaxial zueinander sowie im Leistungsfluss zwischen der Antriebseinheit und der Radnabe der jeweiligen Fahrzeugseite bzw. Achsenseite angeordnet. Das erste Bauteil bzw. die erste Welle der jeweiligen Vorrichtung kann direkt mit einer Antriebswelle der Antriebseinheit verbunden oder Teil der Antriebswelle sein und sich im Fahrbetrieb permanent mitdrehen. Alternativ kann eine Übersetzungsstufe zwischen der jeweiligen Antriebseinheit und der dazugehörigen Vorrichtung angeordnet sein, wobei die jeweilige Übersetzungsstufe eingangsseitig zumindest mittelbar drehfest mit der dazugehörigen Antriebswelle verbunden ist, und wobei die jeweilige Übersetzungsstufe ausgangsseitig zumindest mittelbar drehfest mit dem ersten Bauteil verbunden ist. Das zweite Bauteil bzw. die zweite Welle ist als Abtriebswelle der Vorrichtung zu verstehen, welche ein Antriebsdrehmoment des ersten Bauteils zumindest mittelbar auf die Radnabe des Rades der jeweiligen Achse des Kraftfahrzeugs übertragen kann. Das zweite Bauteil dreht sich nur dann im Fahrbetrieb mit, wenn die Vorrichtung derart geschaltet ist, dass eine Drehbewegung des ersten Bauteils mit einer Drehbewegung des zweiten Bauteils gekoppelt ist, wie nachfolgend näher erläutert wird. Das zweite Bauteil bzw. die zweite Welle der jeweiligen Vorrichtung ist vorzugsweise drehfest mit der Radnabe verbunden oder bildet die Radnabe für das jeweilige Rad der antreibbaren Achse. Die jeweilige Radnabe ist zumindest mittelbar drehfest mit einer Radfelge des dazugehörigen Fahrzeugrades verbunden.
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Die jeweilige Antriebseinheit ist bevorzugt als Elektromaschine ausgebildet, umfassend einen dreh- und axialfest angeordneten Stator und einen drehbar dazu angeordneten Rotor. Der Rotor kann eine Rotorwelle bilden oder drehfest mit der Rotorwelle verbunden sein. Die Rotorwelle kann eine Antriebswelle für einen Antrieb der jeweiligen Fahrzeugseite bilden oder drehfest mit der Antriebswelle verbunden sein. Die Antriebswellen der beiden Antriebseinheiten sind bevorzugt koaxial zueinander und gegenüberliegend angeordnet. Je nach Ausbildung der antreibbaren Achse können die Antriebswellen parallel versetzt bzw. achsparallel zu den Bauteilen der Vorrichtung und/oder den Radnaben der Achse angeordnet sein. Die jeweilige Elektromaschine ist vorzugsweise mit einem Akkumulator verbunden, der die jeweilige Elektromaschine oder beide Elektromaschinen mit elektrischer Energie versorgt. Ferner bevorzugt ist jede Elektromaschine oder beide Elektromaschinen von einer separaten oder gemeinsamen Leistungselektronik steuer- bzw. regelbar. Die Antriebseinheiten können alternativ auch ein Verbrennungsmotor sein, wobei das erste Bauteil in diesem Fall beispielsweise eine Kurbelwelle ist oder mit einer Kurbelwelle drehfest antriebswirksam verbunden ist.
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Bei einem Kraftfahrzeug, das beispielsweise einen Allradantrieb aufweist, kann es sinnvoll sein, die Drehbewegung einer Abtriebswelle oder einer Radnabe, welche mit einem Rad des Kraftfahrzeugs verbunden sein kann und ein Antriebsdrehmoment auf das entsprechende Rad übertragen kann, zu entkoppeln, wenn fahrsituationsbedingt ein Antrieb des jeweiligen Rades einer Achse des Kraftfahrzeugs nicht erforderlich ist, beispielsweise um die Schleppmomente und Widerstände von Allradantrieben zu reduzieren.
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Vorzugsweise ist das zweite Bauteil der jeweiligen Vorrichtung abschnittsweise im ersten Bauteil derselben Vorrichtung räumlich aufgenommen und drehbar gelagert. Alternativ ist das erste Bauteil der jeweiligen Vorrichtung abschnittsweise im zweiten Bauteil derselben Vorrichtung räumlich aufgenommen und drehbar gelagert. Es kann eine Lagerung vorgesehen sein, die das erste Bauteil relativ zum zweiten Bauteil, und umgekehrt, drehbar lagert. Zudem erfolgt eine Zentrierung der beiden Bauteile zueinander. Am ersten oder zweiten Bauteil kann stirnseitig ein Pin oder ein Längsabschnitt angeformt oder ausgebildet sein, der in eine zentrische Ausnehmung am jeweils anderen Bauteil hineinragt und darin über ein Lagerelement drehbar gelagert ist.
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Die jeweilige Vorrichtung ist eine sogenannte „normally closed“-Kupplung, die im Normalbetrieb durch das Rückstellelement vorgespannt ist und so das Schaltelement in der ersten Position hält, in der eine Drehbewegung des ersten Bauteils mit einer Drehbewegung des zweiten Bauteils gekoppelt ist. Die Kupplung ist folglich eine normal geschlossene Kupplung. Eine normal geschlossene Kupplung ist eine Kupplung, bei der das Schaltelement in einem unbetätigten Zustand der Vorrichtung, z. B. in einem Zustand, in dem die Stelleinrichtung unbetätigt ist, durch das zumindest erste Rückstellelement in die erste Position gedrängt bzw. gedrückt wird, in der die Kupplung geschlossen ist. Das zumindest erste Rückstellelement ist dazu eingerichtet, das Schaltelement in Richtung der ersten Position zu drücken und vorzuspannen, in der die Drehbewegung des ersten Bauteils mit der Drehbewegung des zweiten Bauteils gekoppelt ist. Wenn das jeweilige Schaltelement in der ersten Position vorliegt, ist auch das zumindest erste Stellelement der Stelleinrichtung in der ersten Stellung angeordnet.
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Sofern infolge eines Eingabebefehls ein Öffnen der Vorrichtung gefordert ist, wird die Stelleinrichtung durch den Stellaktuator betätigt, so dass das zumindest erste Stellelement derart von der ersten Stellung in die zweite Stellung axial verlagert, dass sich das Schaltelement von der ersten Position in die zweite Position bewegt, in der die Drehbewegung des ersten Bauteils von der Drehbewegung des zweiten Bauteils entkoppelt ist. Mithin ist eine Drehbewegung des ersten und zweiten Bauteils der jeweiligen Vorrichtung, wenn das jeweilige Schaltelement in der zweiten Position und das jeweilige erste Stellelement in der zweiten Stellung vorliegen, entkoppelt. Das Schaltelement wird durch das jeweilige Stellelement in die zweite Position entgegen einer Kraft des Rückstellelements verlagert, wobei das zumindest erste Rückstellelement, insbesondere axial, vorspannt bzw. eine Vorspannkraft aufbaut.
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Vorzugsweise weist die jeweilige Stelleinrichtung ferner ein zweites Rückstellelement zum Verschieben des jeweiligen ersten Stellelements in die erste Stellung auf. Das zweite Rückstellelement ist zwischen dem jeweiligen ersten Stellelement und dem dazugehörigen Schaltelement angeordnet und wirkt analog zum jeweiligen ersten Rückstellelement derselben Vorrichtung.
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Das jeweilige Rückstellelement ist bevorzugt ein federelastisches Rückstellelement. Das jeweilige Rückstellelement kann ein oder mehrere Federelemente umfassen. Wenn mehrere Federelemente vorgesehen sind, können diese in Reihe geschaltet und/oder parallelgeschaltet sein.
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Die Stelleinrichtung der beiden Vorrichtungen ist durch den Stellaktuator gleichzeitig betätigbar, um ein Koppeln oder Entkoppeln des ersten und zweiten Bauteil beider Vorrichtungen simultan auszuführen. Die ersten Stellelemente beider Fahrzeug- bzw. Achsseiten sind mit dem Stellaktuator wirkverbunden, um die Schaltelemente gleichzeitig zu betätigen bzw. die Schaltelemente gleichzeitig von der ersten Position in die zweite Position oder umgekehrt von der zweiten Position in die erste Position zu verlagern. Mit anderen Worten sind die ersten Stellelemente über den Stellaktuator mechanisch miteinander gekoppelt.
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Vorzugsweise ist der Stellaktuator derart eingerichtet und an den Vorrichtungen angeordnet, dass bei Betätigung des Stellaktuators das Schaltelement und das erste Stellelement der ersten Vorrichtung gegenläufig zu dem Schaltelement und dem ersten Stellelement der zweiten Vorrichtung verlagert werden. In diesem Sinn bewegen sich die ersten Stellelemente und entsprechend die Schaltelemente der antreibbaren Achse bei Betätigung des Stellaktuators aufeinander zu oder voneinander weg. Die Vorrichtungen der antreibbaren Achse sind demnach bevorzugt spiegelverkehrt zueinander ausgebildet.
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Alternativ ist der Stellaktuator derart eingerichtet und an den Vorrichtungen angeordnet, dass bei Betätigung des Stellaktuators das Schaltelement und das erste Stellelement der ersten Vorrichtung gleichgerichtet zu dem Schaltelement und dem ersten Stellelement der zweiten Vorrichtung verlagert werden. oder gleichgerichtet zu dem Schaltelement und dem ersten Stellelement der zweiten Vorrichtung verlagert werden. In diesem Sinn bewegen sich die ersten Stellelemente und entsprechend die Schaltelemente der antreibbaren Achse bei Betätigung des Stellaktuators in die gleiche axiale Richtung, also in der Draufsicht auf die Achse gemeinsam nach links oder gemeinsam nach rechts.
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Der Stellaktuator kann beispielsweise als Gewindetrieb ausgeführt sein, wobei die ersten Stellelemente mit einer jeweiligen axial verlagerbaren Spindelstange wirkverbunden sind. Je nach Ausführung der Vorrichtungen kann eine einzige Spindelstange vorgesehen sein, die mit beiden ersten Stellelementen wirkverbunden ist und diese in die gleiche axiale Richtung verlagert. Alternativ können zwei gegenläufige Spindelstangen vorgesehen werden, die bei Betätigung des Stellaktuators in entgegengesetzte Richtungen longitudinal verlagern. Der Antrieb der jeweiligen Spindelstange erfolgt bevorzugt durch eine drehantreibbare und axialfest angeordnete Gewindemutter.
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Bevorzugt weist das jeweilige Schaltelement eine erste Außenverzahnung und eine erste Innenverzahnung auf, wobei in der ersten Position des Schaltelements die erste Außenverzahnung in Zahneingriff mit einer zweiten Innenverzahnung am ersten Bauteil der jeweiligen Vorrichtung steht und die erste Innenverzahnung in Zahneingriff mit einer zweiten Außenverzahnung am zweiten Bauteil der jeweiligen Vorrichtung steht. In der ersten Position des Schaltelements erfolgt eine Drehmomentübertragung zwischen den beiden Bauteilen der jeweiligen Vorrichtung. Die Antriebseinheit ist demnach mit der Radnabe koppelt und es wird eine Antriebsleistung auf das jeweilige Fahrzeugrad übertragen. In der zweiten Position des Schaltelements steht die erste Außenverzahnung nicht in Zahneingriff mit der zweiten Innenverzahnung am ersten Bauteil. Außerdem steht auch die erste Innenverzahnung nicht in Zahneingriff mit der zweiten Außenverzahnung am zweiten Bauteil der jeweiligen Vorrichtung. Eine Drehmomentübertragung ist in der zweiten Position des Schaltelements nicht möglich. Die Antriebseinheit ist dadurch von der Radnabe entkoppelt und es wird keine Antriebsleistung auf das jeweilige Fahrzeugrad übertragen. Mit anderen Worten liegt im unbetätigten bzw. unbestromten Zustand des Systems über das Schaltelement ein Formschluss in Umfangsrichtung zwischen den beiden Bauteilen der jeweiligen Vorrichtung vor. Wenn die Vorrichtung gemäß den obigen Ausführungen betätigt wird und die Schaltelemente in der zweiten Position vorliegen, liegt weder zwischen der ersten Innenverzahnung und der zweiten Außenverzahnung noch zwischen der zweiten Innenverzahnung und der ersten Außenverzahnung ein Zahneingriff bzw. ein Formschluss in Umfangsrichtung vor. Die Drehbewegungen des ersten und zweiten Bauteils sind dabei gänzlich voneinander entkoppelt. Die Verzahnungen am Schaltelement und an den beiden Bauteilen wirken jeweils in Form einer Steckverzahnung, wobei das jeweilige Schaltelement relativ zu den beiden Bauteilen derselben Vorrichtung axial beweglich ist.
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Die Betätigung des zumindest ersten Stellelements kann prinzipiell beliebig erfolgen. Jedenfalls kann das zumindest erste Stellelement durch den Stellaktuator in eine Axialverlagerung von der ersten in die zweite Stellung versetzt werden, um das Schaltelement von der ersten in die zweite Position axial zu verlagern. Das erste Stellelement kann in Form einer Schaltgabel ausgebildet sein. Alternativ kann ein weiteres Stellelement vorgesehen sein, das mit dem ersten Stellelement in Wirkverbindung steht. Die beiden Stellelemente können gegeneinander abgleitende Rampenstrukturen aufweisen, die bei zusätzlicher Verdrehung des ersten oder zweiten Stellelements eine axiale Spreizung zur Betätigung des Schaltelements bewirken. Ferner können zwischen den Rampenstrukturen Wälzkörper angeordnet sein, die verlustmindernd wirken.
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Im Leistungsfluss zwischen der ersten Antriebseinheit und der ersten Vorrichtung ist vorzugsweise eine erste Übersetzungsstufe angeordnet. Die erste Übersetzungsstufe ist bevorzugt als erstes Planetengetriebe mit wenigstens einem ersten Planetenradsatz ausgebildet, aufweisend mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades, eines Hohlrades und eines Planetenträgers, an dem wenigstens ein Planetenrad drehbar gelagert ist, angeordnet ist.
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Alternativ oder ergänzend ist im Leistungsfluss zwischen der zweiten Antriebseinheit und der zweiten Vorrichtung eine zweite Übersetzungsstufe angeordnet. Bevorzugt ist die zweite Übersetzungsstufe als zweites Planetengetriebe mit wenigstens einem zweiten Planetenradsatz ausgebildet, aufweisend mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades, eines Hohlrades und eines Planetenträgers, an dem wenigstens ein Planetenrad drehbar gelagert ist, angeordnet ist.
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Mittels eines Planetengetriebes lässt sich in einfacher Weise eine koaxiale Anordnung der Antriebswelle der Antriebseinheit mit der Radnabe derselben Fahrzeugseite realisieren und eine Antriebsleistung wandeln.
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Der jeweilige Planetenradsatz ist bevorzugt als Minus-Planetenradsatz oder als Plus-Planetenradsatz ausgebildet. Ein Minus-Planetenradsatz entspricht einem Planetenradsatz mit einem Planetenträger, an dem erste Planetenräder drehbar gelagert sind, einem Sonnenrad und einem Hohlrad, wobei die Verzahnung zumindest eines der Planetenräder sowohl mit der Verzahnung des Sonnenrades als auch mit der Verzahnung des Hohlrades kämmt, wodurch das Hohlrad und das Sonnenrad in entgegengesetzter Richtung rotieren, wenn das Sonnenrad bei feststehendem Steg rotiert. Ein Plus-Planetensatz unterscheidet sich von dem Minus-Planetensatz dahingehend, dass der Plus-Planetensatz erste und zweite bzw. innere und äußere Planetenräder aufweist, welche drehbar an dem Planetenträger gelagert sind. Die Verzahnung der ersten bzw. inneren Planetenräder kämmt dabei einerseits mit der Verzahnung des Sonnenrads und andererseits mit der Verzahnung der zweiten bzw. äußeren Planetenräder. Die Verzahnung der äußeren Planetenräder kämmt darüber hinaus mit der Verzahnung des Hohlrads. Dies hat zur Folge, dass bei feststehendem Planetenträger das Hohlrad und das Sonnenrad in die gleiche Richtung rotieren.
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Bei der Ausbildung eines oder mehrerer der Planetenradsätze als Plus-Planetenradsatz ist die Anbindung von Planetenträger und Hohlrad getauscht und der Betrag der Standübersetzung um 1 erhöht. Sinngemäß ist dies auch umgekehrt möglich, wenn an Stelle eines Plus-Planetenradsatzes ein Minus-Planetenradsatz vorgesehen werden soll.
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Alternativ ist auch denkbar, einen oder mehrere Planetenradsätze als Stufenplanetenradsätze auszubilden. Jedes Stufenplanentenrad des jeweiligen Stufenplanetenradsatzes umfasst bevorzugt ein erstes Zahnrad mit einem drehfest damit verbundenen zweiten Zahnrad, wobei das erste Zahnrad beispielsweise mit dem Sonnenrad und das zweite Zahnrad entsprechend mit dem Hohlrad in Zahneingriff steht, oder umgekehrt. Diese beiden Zahnräder können beispielsweise über eine Zwischenwelle oder eine Hohlwelle drehfest miteinander verbunden sein. Im Fall einer Hohlwelle kann diese auf einem Bolzen des Planetenträgers drehbar gelagert sein. Vorzugsweise haben die beiden Zahnräder des jeweiligen Stufenplanetenrades unterschiedliche Durchmesser und Zähnezahlen, um ein Übersetzungsverhältnis einzustellen. Außerdem sind auch zusammengesetzte Planetenradsätze denkbar.
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Nach einem Ausführungsbeispiel ist das Sonnenrad des ersten und/oder zweiten Planetenradsatzes zumindest mittelbar mit der jeweiligen Antriebswelle der dazugehörigen Antriebseinheit drehfest verbunden, wobei das Hohlrad desselben Planetenradsatzes an einem ortsfesten Bauteil festgesetzt ist, und wobei der Planetenträger desselben Planetenradsatzes mit dem ersten Bauteil der jeweiligen Vorrichtung drehfest verbunden ist.
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Es sei angemerkt, dass an Stelle eines Planetengetriebes oder beider Planetengetriebes auch jeweils eine ein- oder mehrstufige Stirnradstufe denkbar ist, womit eine parallel versetzte bzw. achsparallele Anordnung der Antriebswelle der Antriebseinheit zur Radnabe derselben Fahrzeugseite und eine Wandlung der Antriebsleistung realisierbar ist.
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Unter dem Begriff „wirkverbunden“ oder „antriebswirksam verbunden“ oder „Wirkverbindung“ ist eine nicht schaltbare Verbindung zwischen zwei Bauteilen zu verstehen, welche zu einer permanenten Übertragung einer Antriebsleistung, insbesondere einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments, vorgesehen ist. Die Verbindung kann beispielsweise über eine feste Welle und/oder eine Verzahnung erfolgen.
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Unter dem Begriff „zumindest mittelbar“ ist zu verstehen, dass zwei Bauteile über mindestens ein weiteres Bauteil, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, miteinander (wirk-)verbunden sind oder direkt und somit unmittelbar miteinander verbunden sind. Mithin können zwischen Wellen oder Zahnrädern noch weitere Bauteile angeordnet sein, die mit der Welle bzw. dem Zahnrad wirkverbunden sind.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehr erfindungsgemäße antreibbare Achsen. Vorzugsweise ist das Kraftfahrzeug ein Allradfahrzeug, wobei alle Achsen des Fahrzeugs antreibbare Achsen im Sinn der Erfindung sind. Demnach ist jedes Rad des Fahrzeugs separat antreibbar, wobei fahrsituationsabhängig eine oder mehrere Achsen durch die daran wirksam angeordneten Vorrichtungen vom Abtrieb entkoppelt werden kann bzw. können, um insbesondere Schleppverluste zu reduzieren. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Bus oder Lastkraftwagen (Bus, Lastkraftwagen oder Nutzfahrzeug z. B. mit einem Gewicht von über 3,5 t). Je nach Ausgestaltung der Antriebseinheit kann das Kraftfahrzeug ein reiner Verbrenner (Antrieb erfolgt mittels Verbrennungsmotor), ein Elektrofahrzeug (Antriebseinheit ist eine Elektromaschine) oder ein Hybridfahrzeug (Antrieb erfolgt durch Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromaschine) sein.
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Sofern das Kraftfahrzeug nur eine antreibbare Achse im Sinn der Erfindung aufweist, ist an wenigstens einer der anderen Achsen des Kraftfahrzeugs wenigstens ein Einzelradantrieb angeordnet, der permanent mit dem Abtrieb gekoppelt ist. Die jeweils andere Achse kann ebenfalls als antreibbare Achse ausgebildet sein, die beispielsweise nur eine Antriebseinheit, insbesondere eine Elektromaschine oder einen Verbrennungsmotor, aufweist, welche eine Antriebsleistung erzeugen kann, die beispielsweise über ein Differential auf die Räder der entsprechenden Achse übertragen werden kann, insbesondere wenn die Antriebseinheiten der erfindungsgemäßen antreibbaren Achse vom Abtrieb entkoppelt sind.
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Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen antreibbaren Achse gelten sinngemäß ebenfalls für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, und umgekehrt.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
- 1 eine stark schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen antreibbaren Achse,
- 2a eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen antreibbaren Achse des Kraftfahrzeugs nach 1, wobei die Antriebseinheiten der antreibbaren Achse mit der dazugehörigen Radnabe der Achse antriebswirksam gekoppelt sind, und
- 2b eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen antreibbaren Achse nach 1 und 2a, wobei die Antriebseinheiten der antreibbaren Achse von der dazugehörigen Radnabe der Achse entkoppelt sind.
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Gemäß 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 20 mit zwei Achsen 22a, 22b dargestellt. Das Kraftfahrzeug 20 ist ein Allradfahrzeug, wobei jede Achse 22a, 22b, an deren Enden jeweils ein Rad 15 aufweist. Beide Achsen 22a, 22b sind jeweils als antreibbare Achse 1 im Sinn der Erfindung ausgebildet. Die zweite Achse 22b ist vorliegend eine lenkbare Achse, worauf nachfolgend jedoch nicht näher eingegangen wird. Je nach Fahrsituation kann die erste oder zweite Achse 22a, 22b vom Antrieb entkoppelt werden, sodass der Antrieb des Kraftfahrzeugs 20 durch die jeweils noch angekoppelte Achse 22a, 22b erfolgt. Jeder der beiden Antriebe 1 umfasst jeweils zwei Vorrichtungen 2 zum Entkoppeln und Koppeln einer Drehbewegung eines ersten Bauteils 3 und eines zweiten Bauteils 4, die miteinander mechanisch gekoppelt sind und simultan wirken.
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Anhand 2a und 2b wird die erste Achse 22a exemplarisch dargestellt. Die zweite Achse 22b kann identisch ausgebildet sein. Nachfolgend wird ein Entkoppeln sowie ein Koppeln der ersten Achse 22a beschrieben, wobei dies analog für die zweite Achse 22b gilt.
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Nach 2a und 2b umfasst die erfindungsgemäße antreibbare Achse 1 eine mit einer ersten Radnabe R1 antriebswirksam verbindbare erste Antriebseinheit A1 und eine mit einer zweiten Radnabe R2 antriebswirksam verbindbare zweite Antriebseinheit A2. Zwischen der ersten Antriebseinheit A1 und der ersten Radnabe R1 ist eine erste Vorrichtung 2a zum Entkoppeln und Koppeln einer Drehbewegung eines ersten Bauteils 3 und eines zweiten Bauteils 4 wirksam angeordnet, wobei zwischen der zweiten Antriebseinheit A2 und der zweiten Radnabe R2 eine zweite Vorrichtung 2b zum Entkoppeln und Koppeln einer Drehbewegung eines ersten Bauteils 3 und eines zweiten Bauteils 4 angeordnet ist. Das jeweilige erste Bauteil 3 ist vorliegend ein hülsenförmiges Bauteil, das mit einem Planetenträger PTa, PTb drehfest verbunden ist. Das jeweilige zweite Bauteil 4 bildet vorliegend die Radnabe R1 bzw. R2 der Achse 1. Das zweite Bauteil 4 der jeweiligen Vorrichtung 2a, 2b ist abschnittsweise innerhalb des ersten Bauteils 3 derselben Vorrichtung 2a, 2b räumlich aufgenommen und drehbar darin gelagert.
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Im Leistungsfluss zwischen der ersten Antriebseinheit A1 und der ersten Vorrichtung 2a ist eine erste Übersetzungsstufe 14a in Form eines ersten Planetengetriebes Pa mit einem ersten Planetenradsatz PSa angeordnet. Der erste Planetenradsatz PSa weist mehrere Radsatzelemente in Form eines ersten Sonnenrades SOa, eines ersten Hohlrades HOa und eines ersten Planetenträgers PTa auf, wobei an dem ersten Planetenträger PTa wenigstens ein erstes Planetenrad PRa drehbar gelagert ist. Das Sonnenrad SOa des ersten Planetenradsatzes PSa ist drehfest mit einer Antriebswelle 13 der ersten Antriebseinheit A1 drehfest verbunden. Das Hohlrad HOa des ersten Planetenradsatzes PSa ist an einem ortsfesten Bauteil G, hier einem Gehäuse, festgesetzt. Der Planetenträger PTa des ersten Planetenradsatzes PSa ist, wie bereits erwähnt, drehfest mit dem ersten Bauteil 3 der ersten Vorrichtung 2a verbunden.
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Im Leistungsfluss zwischen der zweiten Antriebseinheit A2 und der zweiten Vorrichtung 2b ist eine zweite Übersetzungsstufe 14b in Form eines zweiten Planetengetriebes Pb mit einem zweiten Planetenradsatz PSb angeordnet. Der zweite Planetenradsatz PSb weist mehrere Radsatzelemente in Form eines zweiten Sonnenrades SOb, eines zweiten Hohlrades HOb und eines zweiten Planetenträgers PTb auf, wobei an dem zweiten Planetenträger PTb wenigstens ein zweites Planetenrad PRb drehbar gelagert ist. Das Sonnenrad SOb des zweiten Planetenradsatzes PSa ist drehfest mit einer Antriebswelle 13 der zweiten Antriebseinheit A2 drehfest verbunden. Das Hohlrad HOb des zweiten Planetenradsatzes PSa ist am ortsfesten Bauteil G festgesetzt. Der Planetenträger PTb des zweiten Planetenradsatzes PSa ist, wie bereits erwähnt, drehfest mit dem ersten Bauteil 3 der zweiten Vorrichtung 2b verbunden.
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Die erste Antriebseinheit A1, die erste Radnabe R1, die erste Übersetzungsstufe 14a und die erste Vorrichtung 2a sind der linken Fahrzeugseite bzw. dem linken Fahrzeugrad 15 zugeordnet. Die zweite Antriebseinheit A2, die zweite Radnabe R2, die zweite Übersetzungsstufe 14b und die zweite Vorrichtung 2b sind der rechten Fahrzeugseite bzw. dem rechten Fahrzeugrad 15 zugeordnet.
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Die erste Vorrichtung 2a umfasst ein Schaltelement 5a, das drehfest und axial verlagerbar zwischen einer ersten Position, in der eine Drehbewegung des ersten Bauteils 3 mit einer Drehbewegung des zweiten Bauteils 4 gekoppelt ist, und einer zweiten Position, in der die Drehbewegung des ersten Bauteils 3 von der Drehbewegung des zweiten Bauteils 4 entkoppelt ist, zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 3, 4 angeordnet ist. Ferner umfasst die erste Vorrichtung 2a eine Stelleinrichtung 17a, aufweisend ein zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung axial verlagerbares erstes Stellelement 6a, und zwei federelastische Rückstellelemente 8a, 16a, die das Schaltelement 5a in die erste Position bzw. das erste Stellelement 6a in die erste Stellung vorspannen. In der ersten Stellung des ersten Stellelements 6a ist das Schaltelement 5a mittels der Rückstellelemente 8a, 16a in der ersten Position gehalten. In der zweiten Stellung des ersten Stellelements 6a ist das Schaltelement 5a gegen eine von den Rückstellelementen 8a, 16a jeweils ausgeübte Kraft in der zweiten Position gehalten.
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Die zweite Vorrichtung 2b umfasst ein Schaltelement 5b, das drehfest und axial verlagerbar zwischen einer ersten Position, in der eine Drehbewegung des ersten Bauteils 3 mit einer Drehbewegung des zweiten Bauteils 4 gekoppelt ist, und einer zweiten Position, in der die Drehbewegung des ersten Bauteils 3 von der Drehbewegung des zweiten Bauteils 4 entkoppelt ist, zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 3, 4 angeordnet ist. Ferner umfasst die zweite Vorrichtung 2b eine Stelleinrichtung 17b, aufweisend ein zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung axial verlagerbares erstes Stellelement 6b, und zwei federelastische Rückstellelemente 8b, 16b, die das Schaltelement 5b in die erste Position bzw. das erste Stellelement 6b in die erste Stellung vorspannen. In der ersten Stellung des ersten Stellelements 6b ist das Schaltelement 5b mittels der Rückstellelemente 8b, 16b in der ersten Position gehalten. In der zweiten Stellung des ersten Stellelements 6b ist das Schaltelement 5b gegen eine von den Rückstellelementen 8b, 16b jeweils ausgeübte Kraft in der zweiten Position gehalten.
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Die ersten Stellelemente 6a, 6b der beiden Vorrichtungen 2a, 2b sind durch einen gemeinsamen Stellaktuator 18 gemeinsam zwischen der jeweiligen ersten und zweiten Stellung verschieblich. Die ersten Stellelemente 6a, 6b sind durch den Stellaktuator 18 mechanisch miteinander gekoppelt. Dies ist dargestellt durch die zwischen den Stellelementen 6a, 6b gezeigte, gestrichelte Linie 21. Die Stellelemente 6a, 6b sind vorliegend jeweils als Schaltgabel ausgebildet und axial geführt, wobei jedes erste Stellelemente 6a, 6b mit dem axial geführten Schaltelement 5a, 5b wirkverbunden ist. Jedes Stellelement 6a, 6b kommt axial an einer Schulter 19 des dazugehörigen Schaltelements 5a, 5b zur Anlage. Die jeweilige Schaltgabel ist dazu eingerichtet, betätigt durch den Stellaktuator 18 zwischen der ersten und zweiten Stellung zu verlagern, um das jeweilige Schaltelement 5a, 5b entgegen der Kraft der Rückstellelemente 8a, 8b, 16a, 16b von der ersten in die zweite Position zu verlagern.
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Der Stellaktuator 18 ist vorliegend derart eingerichtet und an den Vorrichtungen 2a, 2b wirksam angeordnet, dass bei Betätigung des Stellaktuators 18 das Schaltelement 5a und das erste Stellelement 6a der ersten Vorrichtung 2a gleichgerichtet zu dem Schaltelement 5b und dem ersten Stellelement 6b der zweiten Vorrichtung 2a verlagert werden. Anders gesagt werden die Schaltelemente 5a, 5b bei Betätigung der ersten Stellelemente 6a, 6b durch den Stellaktuator 18 gemeinsam und simultan entweder nach links oder nach rechts verlagert. Auch eine gegenläufige Verlagerungsrichtung der ersten Stellelemente 6a, 6b ist denkbar und durch einfache Anpassung der Vorrichtungen 2a, 2b realisierbar.
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Nach 2a und 2b ist die erste Position des Schaltelements 5a der ersten Vorrichtung 2a links und die erste Position des Schaltelements 5b der zweiten Vorrichtung 2b rechts vorgesehen. Gleiches gilt für die erste Stellung des ersten Stellelements 6a, 6b der jeweiligen Vorrichtung 2a, 2b. Demnach ist die zweite Position des Schaltelements 5a der ersten Vorrichtung 2a rechts und die zweite Position des Schaltelements 5b der zweiten Vorrichtung 2b links vorgesehen, wobei gleiches für die zweite Stellung des ersten Stellelements 6a, 6b der jeweiligen Vorrichtung 2a, 2b gilt.
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2a zeigt das jeweilige Schaltelement 5a, 5b in der ersten Position und das jeweilige erste Stellelement 6a, 6b in der ersten Stellung, wobei das erste und zweite Bauteil 3, 4 miteinander drehmomentführend gekoppelt sind. 2b zeigt das jeweilige Schaltelement 5a, 5b in der zweiten Position und das jeweilige erste Stellelement 6a, 6b in der zweiten Stellung, wobei das erste und zweite Bauteil 3, 4 voneinander entkoppelt sind.
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Die Schaltelemente 5a, 5b weisen jeweils eine erste Außenverzahnung 11 und eine erste Innenverzahnung 7 auf, wobei in der ersten Position des jeweiligen Schaltelements 5a, 5b die erste Außenverzahnung 11 in Zahneingriff mit einer zweiten Innenverzahnung 10 am ersten Bauteil 3 der jeweiligen Vorrichtung 2a, 2b steht und wobei die erste Innenverzahnung 7 in Zahneingriff mit einer zweiten Außenverzahnung 12 am zweiten Bauteil 4 der jeweiligen Vorrichtung 2a, 2b steht. Die Verzahnungen wirken als Steckverzahnung, wobei bei Vorliegen eines Zahneingriffs in der ersten Position der Schaltelemente 5a, 5b bzw. in der ersten Stellung der ersten Stellelemente 6a, 6b ein drehmomentübertragende Verbindung bzw. ein Formschluss in Umfangsrichtung zwischen den Bauteilen 3, 4 vorliegt. Liegt kein Zahneingriff vor, ist die Drehbewegung, wie oben erwähnt, entkoppelt.
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Die Vorrichtungen 2a, 2b sind normal geschlossene Kupplungen. Das heißt, dass, wenn das System unbetätigt oder unbestromt ist, die Schaltelemente 5a, 5b vorgespannt durch die Rückstellelemente 8a, 8b, 16a, 16b in der ersten Position und die ersten Stellelemente 6a, 6b in der ersten Stellung vorliegen, wobei jeweils eine Drehbewegung des ersten Bauteils 3 mit einer Drehbewegung des zweiten Bauteils 4 gekoppelt ist. Die ersten Stellelemente 6a, 6b sind durch den Stellaktuator 18 derart axial betätigbar, dass sie von der ersten Stellung in die zweite Stellung - hier von links nach rechts - axial verlagern und dabei das jeweilige dazugehörige Schaltelement 5a, 5b axial mitnehmen und es von der ersten in die zweite Position - ebenfalls von links nach rechts - axial bewegen. Die axiale Betätigung der Stellelemente 6a, 6b kann beispielsweise durch eine - hier nicht gezeigte - Spindel erfolgen, die koaxial zur gestrichelten Linie 21 angeordnet sein kann. In der zweiten Position ist sodann die Drehbewegung des ersten Bauteils 3 von der Drehbewegung des zweiten Bauteils 4 entkoppelt, da durch das Schaltelement 5 kein Formschluss weder mit dem ersten Bauteil 3 noch mit dem zweiten Bauteil 4 bzw. der Radnabe R2 vorliegt. In der zweiten Stellung des jeweiligen ersten Stellelements 6a, 6b bzw. der zweiten Position des jeweiligen Schaltelements 5a, 5b sind das Schaltelement 5a, 5b gegen eine von den ersten Rückstellelementen 8a, 8b ausgeübte axiale Federkraft in der zweiten Position und das jeweilige erste Stellelement 6a, 6b gegen eine von den zweiten Rückstellelementen 16a, 16b ausgeübte axiale Federkraft in der zweiten Stellung gehalten.
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Ein erneutes Koppeln der beiden Bauteile 3, 4 erfolgt beispielsweise, wenn der Stellaktuator 18 deaktiviert wird bzw. im unbestromten Zustand vorliegt oder wenn die Spindel des Stellaktuators 18 in ihre Ausgangsposition bewegt. In diesem Fall reduziert sich die in den Rückstellelementen 8a, 8b, 16a, 16b erzeugte Vorspannkraft, so dass das jeweilige Schaltelement 5a, 5b axial zurück in die erste Position gedrückt wird. Gleichzeitig werden die ersten Stellelemente 6a ,6b aus der zweiten Stellung zurück in die erste Stellung axial verlagert. Die Rückstellung von der zweiten in die erste Stellung des ersten Stellelements 6 kann somit allein durch Abbau der Federvorspannkraft oder mit Unterstützung des Stellaktuators 18 erfolgen.
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Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Beschreibung und der Patentansprüche.
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Bezugszeichen
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- 1
- Antreibbare Achse
- 2a
- Erste Vorrichtung
- 2b
- Zweite Vorrichtung
- 3
- Erstes Bauteil
- 4
- Zweites Bauteil
- 5a
- Schaltelement der ersten Vorrichtung
- 5b
- Schaltelement der zweiten Vorrichtung
- 6a
- Erstes Stellelement der ersten Vorrichtung
- 6b
- Erstes Stellelement der zweiten Vorrichtung
- 7
- Erste Innenverzahnung
- 8a
- Erstes Rückstellelement der ersten Vorrichtung
- 8b
- Erstes Rückstellelement der zweiten Vorrichtung
- 10
- Zweite Innenverzahnung
- 11
- Erste Außenverzahnung
- 12
- Zweite Außenverzahnung
- 13
- Antriebswelle
- 14a
- Erste Übersetzungsstufe
- 14b
- Zweite Übersetzungsstufe
- 15
- Rad des Kraftfahrzeugs bzw. Fahrzeugrad
- 16a
- Zweites Rückstellelement der ersten Vorrichtung
- 16b
- Zweites Rückstellelement der zweiten Vorrichtung
- 17a
- Erste Stelleinrichtung
- 17b
- Zweite Stelleinrichtung
- 18
- Stellaktuator
- 19
- Schulter des Schaltelements
- 20
- Kraftfahrzeug
- 21
- Gestrichelte Linie
- 22a
- Erste Achse
- 22b
- Zweite Achse
- A1
- Erste Antriebseinheit
- A2
- Zweite Antriebseinheit
- G
- Ortsfestes Bauteil
- HOa
- Hohlrad des ersten Planetenradsatzes
- HOb
- Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes
- Pa
- Erstes Planetengetriebe
- Pb
- Zweites Planetengetriebe
- PSa
- Erster Planetenradsatz des ersten Planetengetriebes
- PSb
- Zweiter Planetenradsatz des zweiten Planetengetriebes
- R1
- Erste Radnabe
- R2
- Zweite Radnabe
- SOa
- Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes
- SOb
- Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes
- PTa
- Planetenträger des ersten Planetenradsatzes
- PTb
- Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes
- PRa
- Planetenrad des ersten Planetenradsatzes
- PRb
- Planetenrad des zweiten Planetenradsatzes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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