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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebsmodul für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen LKW, mit einer elektrischen Maschine und einem über zwei verschiedenen Übersetzungsstufen / Gänge betreibbaren schaltbaren Planetengetriebe.
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Vor allem bei Nutzfahrzeugen in der Elektromobilität ist der Einsatz eines mehrgängigen Antriebsstrangs relevant. Bei besonders schweren LKW E-Achsen werden pro Achse insgesamt zwei Motoren verwendet. Grundsätzlich ist es aktuell möglich, den Antriebsstrang ohne Kupplung auszuführen, da die elektrischen Maschinen in der Lage sind, den Antriebsstrang während der Schaltung Drehmomenten frei zu machen. Bei aktuell verwendeten Getrieben / Getriebestrukturen ist jedoch die Problematik gegeben, dass im Schaltvorgang kein Drehmoment übertragen werden kann, so dass in diesem Zustand das Kraftfahrzeug nicht angetrieben wird.
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Relevante Getriebestrukturen, insbesondere schaltbare Planetengetriebe sind aus den folgenden Schriften bekannt:
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Antriebsmodul bereitzustellen, welches ein vereinfachtes Schaltsystem unter Fortsetzung einer Lastübertragung gewährleistet.
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Dies wird bei einem vorliegenden elektrischen Antriebsmodul durch eine Vorrichtung gemäß des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass ein als Eingang des Planetengetriebes dienendes Sonnenrad mit einer Rotorwelle der elektrischen Maschine drehmomentübertragend verbunden ist und ein Ausgang des Planetengetriebes als ein Hohlrad ausgebildet ist, und mit einem Schaltsystem zum Umschalten zwischen den beiden Übersetzungsstufen, wobei das Schaltsystem derart ausgebildet ist, dass es zum Verstellen der Übersetzungsstufe einen Planetenträger des Planetengetriebes zwischen zumindest zwei verschiedenen Stellungen axial verschiebt und dadurch einen Drehmomentübertragungspfad verändert / umstellt. Mit der axialen Verschiebung können zwei axiale Bewegungsrichtungen, eine erste und eine zweite Bewegungsrichtung umgesetzt werden. Mithilfe des Schaltsystem ist eine bauraumsparende Form gegeben. Dies ist dadurch gegeben, dass der Planetenträger axial verschiebbar ausgestaltet ist. Insgesamt ist mit der vorliegenden Ausgestaltung das Schaltsystem der Übersetzungsstufen zur elektrischen Maschine verlegt worden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Von Vorteil ist, wenn das Schaltsystem derart ausgebildet ist und der Planetenträger derart aufgenommen ist, dass der Planetenträger in einer ersten Übersetzungsstufe, in seiner ersten Stellung, an einem im Betrieb gehäusefesten Abstützbereich (etwa Gehäuse der elektrischen Maschine und/oder eines Getriebes) gehalten ist. Vorzugsweise bilden der Planetenträger und der gehäusefeste Abstützbereich gemeinsam eine formschlüssige Verbindung. Dazu kann der Planetenträger eine Formschlusskontur und der Abstützbereich eine Formschlussgegenkontur aufweisen. Damit kann der Planetenträger in der ersten Übersetzungsstufe vorzugsweise drehfest gehalten sein. Ein erster Drehmomentübertragungspfad kann dabei von dem rotierenden Sonnenrad auf die mit dem Sonnenrad im Eingriff stehenden und rotierenden Planetenrädern sowie anschließend auf mit den rotierenden Planetenrädern im Eingriff stehenden Hohlrad verlaufen. Ein erstes Übersetzungsverhältnis dieser ersten Übersetzungsstufe kann sich damit aus dem Quotienten der Zähnezahl des Sonnenrads und der Zähnezahl des Hohlrads ergeben. Das erste Übersetzungsverhältnis ist vorzugsweise kleiner Eins.
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Des Weiteren kann das Schaltsystem derart ausgebildet sein und der Planetenträger derart aufgenommen sein, dass der Planetenträger in einer zweiten Übersetzungsstufe, in seiner zweiten Stellung, mittels einer Innenverzahnung mit dem Sonnenrad drehfest verbunden ist. Bevorzugt ist der Planetenträger als ein Hohlkörper ausgebildet. Dabei kann in einem axialen Teilabschnitt eine Innenverzahnung an der Innenseite gebildet sein. Damit ist eine besonders bauraumsparende Variante ausgebildet. Ein zweiter Drehmomentübertragungspfad kann dabei von dem Sonnenrad direkt über die Planetenräder auf das Hohlrad übertragen werden. Aufgrund der drehfesten Verbindung von Sonnenrad und Planetenträger sind die Planetenräder geblockt. Ein zweites Übersetzungsverhältnis dieser zweiten Übersetzungsstufe ergibt sich somit durch den geblockten Planetensatz. Das erste Übersetzungsverhältnis ist vorzugsweise Eins.
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Von Vorteil ist, wenn das Schaltsystem derart ausgebildet ist und der Planetenträger derart ausgerichtet ist, dass sich der Planetenträger in einer dritten Stellung in einer freien Stellung befindet. Hierbei kann der Planetenträger von dem Abstützbereich und dem Sonnenrad entkoppelt/abgekoppelt sein. Die elektrische Maschine ist somit vom Planetengetriebe entkoppelt. Bevorzugt ist die dritte Stellung in Axialrichtung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung gebildet.
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Die erste Bewegungsrichtung beschreibt ein axiales Verschieben von der ersten Stellung in die zweite Stellung und die zweite Bewegungsrichtung beschreibt ein axiales Verschieben von der zweiten Stellung in die erste Stellung.
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Vorzugsweise übertragen die beiden Übersetzungsstufen ein Drehmoment in die gleiche Richtung. Des Weiteren kann das elektrische Antriebsmodul eine dritte Übersetzungsstufe und vierte Übersetzungsstufe aufweisen, welche über eine Drehrichtungsumkehr der ersten Übersetzungsstufe bzw. der zweiten Übersetzungsstufe umgesetzt ist. Damit können eine erste und zweite Übersetzungsstufe für jeweils eine Drehrichtung eines Vorwärtsgangs genutzt werden und die dritte und vierte Übersetzungsstufe können für eine Drehrichtung zweier Rückwärtsgänge genutzt werden. Hierbei sind zwischen der ersten Übersetzungsstufe und der dritten Übersetzungsstufe sowie zwischen der zweiten Übersetzungsstufe und der vierten Übersetzungsstufe über eine Drehrichtungsumkehr wechselbar. Damit kann das elektrische Antriebsmodul insgesamt zwischen vier Übersetzungsstufen bzw. vier Gängen wechseln.
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Von Vorteil ist, dass das Schaltsystem ein erstes Schaltelement und ein über einen Verschiebemechanismus mit dem ersten Schaltelement verknüpftes zweites Schaltelement aufweist, wobei der Verschiebemechanismus mittels einer Bremse unter Erzwingung der verschiedenen Stellungen aktuierbar ist. Durch das Aktuieren mit der Bremse ist eine relative Verdrehung in Umfangsrichtung vom ersten Schaltelement zum zweiten Schaltelement umsetzbar, wodurch ein axiales Verschieben des ersten Schaltelements relativ zum zweiten Schaltelement hervorgebracht ist. Aufgrund eines Abbremsens ist eine Drehgeschwindigkeit des zweiten Schaltelements geringer als eine Drehgeschwindigkeit des ersten Schaltelements. In anderen Worten ist die Drehrate des zweiten Schaltelements verringert und das zweite Schaltelement kann sich langsamer drehen. Weiterhin kann mithilfe des Schaltsystems zwischen den drei zuvor beschriebenen Stellungen geschaltet werden. Vorzugsweise ist der Verschiebemechanismus so ausgestaltet, so dass sich das erste Schaltelement in beide Drehrichtungen bewegen kann (vergleichbar mit einer Schaltwalze). Bevorzugt ist das erste Schaltelement mit dem Planetenträger verbunden, so dass die zuvor beschriebene Verschiebung des Planetenträgers umsetzbar ist.
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Es ist von Vorteil, wenn die Bremse eine Magnetbremse ist. Dabei kann die Magnetbremse ein Bremsmoment bilden/erzeugen, welches dazu eingerichtet ist, das zweite Schaltelement abzubremsen. Bevorzugt weist das zweite Schaltelement ein auf ein Magnetfeld reagierendes Material auf, damit das zweite Schaltelement magnetisch aktuierbar ist.
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Es ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, dass der Verschiebemechanismus ein an dem ersten Schaltelement und zweiten Schaltelement ausgebildetes Rampensystem mit Rollmitteln aufweist. Mithilfe des Rampensystems mit den Rollmitteln, vorzugsweise Kugeln, kann das zuvor beschriebene Verdrehen zueinander umgesetzt werden. Dies ist eine besonders bauraumsparende Umsetzung.
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Von Vorteil ist, wenn das Rampensystem an dem ersten und zweiten Schaltelement jeweils ausgebildete Rampenkonturen aufweist, welche sich zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung erstrecken. Bevorzugt weist das erste Schaltelement eine in Umfangsrichtung durchgängige verlaufende abschnittsweise ansteigende und abschnittsweise abfallende erste Rampenkontur auf. Besonders bevorzugt ist die erste Rampenkontur in einem radial inneren Bereich des ersten Schaltelements gebildet. Bevorzugt weist das zweite Schaltelement eine in Umfangsrichtung abschnittsweise verlaufende ansteigenden und abfallende zweite Rampenkontur auf. Besonders bevorzugt ist die zweite Rampenkontur in einem radial äußeren Bereich gebildet. Das zweite Schaltelement kann jeweils eine Vielzahl, vorzugsweise drei, in Umfangsrichtung (abschnittsweise) gebildete zweite Rampenkonturen aufweisen.
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Des Weiteren kann das Schaltsystem einen Haltemechanismus zum Halten zumindest einer Position des ersten Schaltelements relativ zum zweiten Schaltelement aufweisen. Der Haltemechanismus ist dafür vorgesehen, damit das erste Schaltelement relativ zum zweiten Schaltelement in einer Halteposition, auch ohne Bremsmoment, gehalten werden kann. Vorzugsweise sind mithilfe des Haltemechanismus eine Vielzahl von Haltepositionen, insbesondere zwei Haltepositionen, umsetzbar. Eine erste Halteposition beschreibt dabei die zuvor beschriebene zweite Stellung. Eine zweite Halteposition beschreibt dabei die zuvor beschriebene dritte Stellung. In anderen Worten kann die Position in der zweiten Stellung ohne das Bremsmoment gehalten werden.
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Von Vorteil ist, wenn das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement Haltekonturen aufweisen. Bevorzugt sind die Haltekonturen in Axialrichtung erstreckende Vertiefungen. Besonders bevorzugt sind die Haltekonturen am ersten Schaltelement in der Rampenkontur gebildet und/oder die Haltekonturen sind am zweiten Schaltelement in Umfangsrichtung zwischen den zweiten Rampenkonturen angeordnet.
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Von Vorteil ist, wenn die Anzahl an Rollmitteln drei ist.
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Vorzugsweise ist das erste Schaltelement mit dem Hohlrad (drehfest) verbunden und/oder ist in Axialrichtung mit dem Planetenträger gekoppelt. Bei einer Kopplung in Axialrichtung mit dem Planetenträger kann das erste Schaltelement für die axiale Verschiebung des Planetenträgers jeweils in die beiden Bewegungsrichtungen sorgen. Bevorzugt kann das Schaltelement mithilfe eines Lagers mit dem Planetenträger gekoppelt sein. Damit ist eine rotatorische Entkopplung umsetzbar. Mithilfe der Verbindung von dem ersten Schaltelement mit dem Hohlrad kann die Energie für die Verstellung des ersten Schaltelements zum zweiten Schaltelement umgesetzt werden.
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Von Vorteil ist, wenn das erste Schaltelement mithilfe eines Federmechanismus in zumindest einer der beiden Stellungen vorgespannt ist. Durch die voneinander verschiedene Drehrate/Drehgeschwindigkeit des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements zueinander, erfolgt durch das zueinander Verdrehen des ersten Schaltelements zum zweiten Schaltelement eine Vorspannung auf den Federmechanismus. Durch eine Vorspannung kann, bei Deaktivierung der Magnetbremse, ergo ohne Anliegen des Bremsmoments, das erste Schaltelement in Axialrichtung in die zweite Bewegungsrichtung bewegt werden. Vorzugsweise weist der Federmechanismus zumindest eine, vorzugsweise drei Federn, insbesondere Blattfedern auf. Die zuvor beschriebene Verbindung zwischen Hohlrad und erstem Schaltelement erfolgt vorzugsweise mithilfe dieser Federn.
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Bevorzugt sind das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement ringförmig ausgestaltet und koaxial zueinander angeordnet. Das erste Schaltelement kann als ein Außenring ausgeführt sein und das zweite Schaltelement kann als ein Innenring ausgeführt sein. Damit ist eine bauraumsparende Gestaltung des Schaltsystems umgesetzt.
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In einer Ausführungsform kann eine Synchronisationsvorrichtung vorhanden sein, welche ein Synchronisationsmoment zur Anpassung der Drehzahl der Planetenräder (zum Sonnenrad) erzeugt. Die Synchronisationsvorrichtung kann eine, vorzugsweise vorgespannte, Feder, insbesondere eine Ringfeder aufweisen. Eine vorgespannte Feder weist den Vorteil auf, dass deren Amplitude (Spannungshub) im Vergleich zu einer nicht vorgespannten Feder kleiner ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass ab dem Zeitpunkt, ab den der Planetenträger frei drehbar ist, bereits ein hohes Moment zum Synchronisieren zur Verfügung steht. Bevorzugt ist die Feder axial zwischen dem Hohlrad und an dem Planetenträger positionierten Planetenrädern positioniert, wobei die Feder dazu vorbereitet ist, ein Synchronisationsmoment zur Anpassung der Drehzahl der Planeten (zum Sonnenrad) zu erzeugen. Mithilfe des Synchronisationsmoment ist die zuvor beschriebene zweite Stellung schneller erreichbar. Durch die axiale Verschiebung des Planetenträgers kann es zu einer Abstützung der Feder am Hohlrad und an den Planetenrädern kommen. Dadurch kann der Planetenträger gegen das Hohlrad angebremst werden sowie gleichfalls die Planetenräder am Planetenträger angebremst werden. Damit kann die Umlaufgeschwindigkeit des Planetenträgers an die Umlaufgeschwindigkeit des Sonnenrads angepasst werden. Dies begünstigt das Ineinandergreifen der Innenverzahnung des Planetenträgers mit dem Sonnenrad.
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Die Erfindung betrifft auch einen elektrischen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein LKW, mit einem zuvor beschriebenen elektrischen Antriebsmodul und einem dem Antriebsmodul nachgeschalteten Getriebe.
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Von Vorteil ist, wenn zwei zuvor beschriebene Antriebsmodule im Antriebsstrang dem Getriebe vorgeschaltet sind. Bevorzugt greifen die beiden elektrischen Antriebsmodule an einem gemeinsamen Zahnrad des elektrischen Antriebsstrangs an. Dies bietet den Vorteil, dass die jeweiligen elektrischen Maschinen der beiden elektrischen Antriebsmodule unterschiedliche Übersetzungssprünge aufweisen können. Dies bringt einen höheren Wirkungsgrad. Darüber hinaus können durch die verschiedenen Übersetzungssprünge die elektrischen Antriebsmodule zu unterschiedlichen / voneinander verschiedenen Zeitpunkten geschaltet werden. Dies ermöglicht wiederum eine Lastauffüllung in dem Zeitraum, in dem an dem anderen elektrischen Antriebsmodul der Übersetzungssprung geschaltet wird. Darüber hinaus kann jeder Motor separat vom elektrischen Antriebsstrang entkoppelt werden.
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In anderen Worten betrifft die Erfindung ein elektrisches Antriebsmodul mit einem einfachen Schaltsystem für zwei Gänge Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines LKWs. Das Antriebsmodul weist eine elektrische Maschine und ein Planetengetriebe auf, wobei der Eingang des Planetengetriebes über ein Sonnenrad verläuft und der Ausgang über ein Hohlrad verläuft. Für die Schaltung ist ein Planetenträger axial verlagerbar ausgeführt.
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In einer ersten Stellung kann der Planetenträger mit einem Gehäuse im Eingriff sein. Dabei ist das Übersetzungsverhältnis kleiner Eins. In einer zweiten Stellung kann der Planetenträger vom Gehäuse gelöst sein. Es erfolgt keine Drehmomentübertragung. In einer dritten Stellung kann der Planetenträger mit dem Sonnenrad im Eingriff stehen. Das Übersetzungsverhältnis ist Eins.
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Von Vorteil ist, wenn über ein Rampensystem / eine Rampe zwischen einem ersten Bauteil / Schaltelement und einem zweiten Bauteil / Schaltelement die axiale Verlagerung des Planetenträgers umsetzbar ist. Vorzugsweise ist das erste Bauteil mittels Blattfedern mit dem Hohlrad drehfest verbunden und/oder in Axialrichtung mit dem Planetenträger gekoppelt. Das zweite Bauteil kann mithilfe einer Magnetbremse abgebremst werden. In anderen Worten ist das zweite Bauteil abbremsbar. Mithilfe des Abbremsens kann eine Verstellung des Rampensystems umgesetzt werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Rampensystem Taschen aufweist. Bevorzugt können in den Taschen Kugeln angeordnet sein. Über die Kugeln in den Taschen wird das erste Bauteil axial verschoben. Über die Blattfedern kann das erste Bauteil bei fehlender Blockade oder Magnetbremse zurückgedrückt werden.
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Verschiedene vorteilbehaftete Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung mit Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebsmodul in einer ersten Ausführungsform,
- 2 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 1 und ein erstes Schaltelement und zweites Schalelement in einer ersten Verdrehposition,
- 3 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 1 und das erste Schaltelement und das zweite Schalelement in einer zweiten Verdrehposition,
- 4 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 1 und das erste Schaltelement und das zweite Schalelement in einer dritten Verdrehposition,
- 5 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 1 und das erste Schaltelement und das zweite Schalelement in einer vierten Verdrehposition,
- 6 ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebsmodul in einer zweiten Ausführungsform,
- 7 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 6 und das erste Schaltelement und zweite Schalelement in der ersten Verdrehposition,
- 8 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 6 und das erstes Schaltelement und das zweite Schalelement in der zweiten Verdrehposition,
- 9 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 6 und das erstes Schaltelement und das zweite Schalelement in der dritten Verdrehposition,
- 10 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 6 und das erstes Schaltelement und das zweite Schalelement in der vierten Verdrehposition,
- 11 das erfindungsgemäße elektrische Antriebsmodul gemäß 6 und das erstes Schaltelement und das zweite Schalelement in einer fünften Verdrehposition,
- 12 eine Frontansicht des Planetengetriebes mit den verschiedenen Übersetzungsstufen,
- 13 ein elektrischer Antriebsstrang mit einem elektrischen Antriebsmodul in verschiedenen Ausführungsformen.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsformen lassen sich untereinander austauschen und alternativ / kumulativ einsetzen.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebsmodul 1 für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen LKW, mit einer elektrischen Maschine 2 und einem über zwei verschiedenen Übersetzungsstufen 3, 4 / Gänge betreibbaren schaltbaren Planetengetriebe 5, wobei ein als Eingang 6 des Planetengetriebes 5 dienendes Sonnenrad 7 mit einer Rotorwelle 8 der elektrischen Maschine 2 drehmomentübertragend verbunden ist und mit einem Schaltsystem 9 zum Umschalten zwischen den beiden Übersetzungsstufen 3,4, wobei das Schaltsystem 9 derart ausgebildet ist, dass es zum Verstellen der Übersetzungsstufe 3, 4 einen Planetenträger 10 des Planetengetriebes 5 zwischen zwei verschiedenen Stellungen axial verschiebt und dadurch einen Drehmomentübertragungspfad verändert / umstellt. Ein Ausgang 11 des Planetengetriebes 5 ist als ein Hohlrad 12 ausgebildet.
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Die 1 zeigt das erfinderische elektrische Antriebsmodul 1 in einer ersten Ausführungsform in einer ersten Stellung in einer Schnittansicht.
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Anhand von 1 wird der grundsätzliche Aufbau des elektrischen Antriebsmoduls 1 erklärt. Mit Bezug zu den 2 bis 5 sind verschiedene Verdrehpositionen des Schaltsystems 9 dargestellt. Manche Komponenten und Teile sind erst in den Verdrehpositionen erkennbar. Dazu ist auf 2 bis 5 verweisen.
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Zur besseren Verdeutlichung ist eine Axialrichtung 13, eine Radialrichtung 14 und eine Umfangsrichtung 15 definiert. Die Axialrichtung 13 erstreckt sich in Richtung einer Mittelachse 16, auch einer Drehachse der Rotorwelle 8 der elektrischen Maschine 2. Die Radialrichtung 14 ist senkrecht zur Axialrichtung 13 ausgerichtet. Die Umfangsrichtung 15 erstreckt sich in einer Drehrichtung um die Mittelachse 16 der Rotorwelle 8.
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In der ersten Ausführungsform in 1 ist das elektrische Antriebsmodul 1 in einer ersten Stellung dargestellt. Hierbei ist eine erste Übersetzungsstufe 3 im Eingriff abgebildet. Vorliegend ist axial endseitig der Rotorwelle 8, in einem gehäusefernen Bereich (eines Gehäuses 27a der elektrischen Maschine 2), das Sonnenrad 7 drehmomentübertragend mit der Rotorwelle 8 verbunden. Das Sonnenrad 7 ist axial beidseitig mittels eines Sicherungsrings 17, 18 gesichert. Der Planetenträger 10 ist ein Hohlkörper und weist axial endseitig einen Abschnitt mit einer Innenverzahnung 45 auf.
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Axial anfangsseitig der Rotorwelle 8, in einem gehäusenahen Bereich (des Gehäuses 27a der elektrischen Maschine 2), ist ein axialer Vorsprung in Form einer hohlförmigen Hülse 19 an der Rotorwelle ausgebildet/ausgeformt. Radial zur Hülse 19 ist der Planetenträger 10 positioniert, welcher sich zumindest in Axialrichtung 13 entlang eines Abschnitts der Rotorwelle 8 erstreckt. Radial zwischen dem Planetenträger 10 und der Hülse 19 ist ein erstes Lager 67 angeordnet.
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Axial anfangsseitig ist der Planetenträger an einem gehäusefesten Abstützbereich 28 gehalten. Hierbei ist zwischen der Hülse 19 und dem Planetenträger 10 eine Formschlussverbindung 29 gebildet.
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An dem Planetenträger 10 sind axial endseitig Planetenräder 20 drehbar angeordnet. Die Planetenräder 20 sind mit dem Sonnenrad 7 im Eingriff. In der vorliegenden Schnittansicht sind zwei Planetenräder 20 erkennbar. Das Planetengetriebe 5 weist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung 15 zueinander gleichmäßig beabstandete Planetenräder 20 auf. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Anzahl der Planetenräder 20 drei (siehe 12). Die Planetenräder 20 sind mit dem Hohlrad 12 im Eingriff. Damit verläuft der Drehmomentpfad über das Sonnenrad 7 auf die Planetenräder 20, welche das Drehmoment an das Hohlrad 12 weiterleiten.
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Das Hohlrad 12 ist axial endseitig drehmomentfest mit einem Flansch 21 einer Hohlwelle 22 über axiale Befestigungsmittel, vorliegend einer Vielzahl von Schrauben 23, die in Umfangsrichtung 15 zueinander beabstandet sind, befestigt. Die Hohlwelle 22 ist axial endseitig der Rotorwelle 8 angeordnet. An einer flanschfreien Außenseite 24 der Hohlwelle 22 ist eine Außenverzahnung 25 gebildet, welche dazu vorbereitet ist, über eine weitere Übersetzungsstufe drehmomentübertragend mit weiteren Komponenten eines elektrischen Antriebsstrangs 26 verbunden zu werden.
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In Axialrichtung 13 zwischen dem Hohlrad 12 und dem Gehäuse 27a ist das Schaltsystem 9 angeordnet. Das Schaltsystem 9 weist ein erstes Schaltelement 30 und ein zweites Schaltelement 31 sowie eine Bremse 32, vorliegend in Form einer Magnetbremse ausgeführt, auf. Das erste Schaltelement 30 ist in Form eines Außenrings gebildet und das zweite Schaltelement 31 ist in Form eines Innenrings gebildet. An der zum Flansch 21 abgewandten Seite des Hohlrads 12 ist das erste Schaltelement 30 mittels eines Federmechanismus mit dem Hohlrad 12 kraftschlüssig und momentenschlüssig verbunden. Das erste Schaltelement 30 weist radial außenseitig Laschen 33 mit jeweils axialen Durchgangslöchern 34 auf, wobei mithilfe von Nieten 35 das erste Schaltelement 30 über eine Blattfeder 36 pro Lasche 33 mit dem Hohlrad 12 mittels Schrauben 64 verbunden ist (siehe 2a und 2b).
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Die beiden Schaltelemente 30, 31 sind über ein Verschiebemechanismus und ein Haltemechanismus miteinander gekoppelt. Für den Verschiebemechanismus weisen das erste Schaltelement 30 und das zweite Schaltelement 31 ein Rampensystem 37 auf, welches durch jeweils Rampenkonturen 39, 40 in dem ersten Schaltelement 30 und dem zweiten Schaltelement 31 gebildet ist und Rollmittel 41 aufweist. Das erste Schaltelement 30 weist radial innen eine in Umfangsrichtung 15 verlaufende in Axialrichtung 13 gebildete ansteigende und abfallende erste Rampenkontur 39 auf. Das zweite Schaltelement 31 weist in Umfangsrichtung 15 abschnittsweise verlaufende ansteigende und abfallende zweite Rampenkonturen 40 auf. Das erste Schaltelement 30 und das zweite Schaltelement 31 sind koaxial zueinander positioniert. Das zweite Schaltelement 31 ist im inneren, radialen freien Bereich des ersten Schaltelements 30 positioniert.
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In den Rampenkonturen 39, 40 sind Rollmittel, vorliegend in Form von Kugeln, angeordnet. Insgesamt sind in Umfangsrichtung 15 drei zueinander in 120° Schritten positionierte Rollmittel 41 vorhanden. Das erste Schaltelement 30 ist drehfest mit dem Hohlrad 12 verbunden.
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Das Schaltsystem 9 weist weiterhin den Haltemechanismus auf. Der Haltemechanismus ist durch in dem ersten Schaltelement 30 und zweiten Schaltelement 31 eingebrachte Haltekonturen 42, 43 und den in diesen Haltekonturen 42, 43 positionierbaren Rollmitteln 41 umgesetzt. Die Haltekonturen 42, 43 sind jeweils axiale Einkerbungen in dem ersten Schaltelement 30 und zweiten Schaltelement 31, damit die relative Position des ersten Schaltelements 30 zum zweiten Schaltelement 31 mittels der Rollmittel 41 gehalten werden kann. Die Haltekonturen 42, 43 sind ebenfalls in Form einer Rampe ausgeführt. Erste Haltekonturen 42 sind in der ersten Rampenkontur 39 gebildet. Zweite Haltekonturen 43 sind in Umfangsrichtung 15 jeweils zwischen den zweiten Rampenkonturen 40 gebildet.
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Radial zum Planetenträger 10 beabstandet und axial anfangsseitig ist die Bremse 32 positioniert, so dass das erste Schaltelement 30 und das zweite Schaltelement 31 in Axialrichtung 13 zwischen Hohlrad 12 und Bremse 32 angeordnet sind. Mithilfe der Bremse 32 ist ein Bremsmoment erzeugbar, welches ein relatives Verdrehen in Umfangsrichtung 15 vom ersten Schaltelement 30 zum zweiten Schaltelement 31 ermöglicht.
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In Axialrichtung 13 ist zwischen dem ersten Schaltelement 30 und dem Planetenträger 10 ein zweites Lager 68 positioniert. Mithilfe des zweiten Lagers 68 ist der Planetenträger 10 vom Rampensystem 37 drehentkoppelbar.
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In den 2a bis 5a ist das Schaltsystems 9 betätigt und es sind die verschiedenen Einzelstellungen zum Wechsel von der ersten Übersetzungsstufe 3 in die zweite Übersetzungsstufe 4 dargestellt. In den 2b bis 5b ist simultan die Verdrehung des ersten Schaltelements 30 und des zweiten Schaltelements 31 zueinander dargestellt. Insgesamt sind drei (Haupt-) Stellungen, eine erste Stellung, eine zweite Stellung und eine dritte Stellung, abbildbar, welche die zwei Übersetzungsstufen 3, 4 und eine (Drehmoment) freie Stellung abbilden.
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In 2a und 2b beträgt die Verdrehung vom ersten Schaltelement 30 zum zweiten Schaltelement 31 30° in einer ersten Verdrehposition. Mithilfe der Bremse 32 ist ein Bremsmoment erzeugt worden, welches das zweite Schaltelement 31 in seiner Drehbewegung abbremst. Das erste Schaltelement 30 und das zweite Schaltelement 31 drehen mit voneinander verschiedenen Drehgeschwindigkeiten. Durch die Verdrehung rollen die Rollmittel 41 in Umfangsrichtung 15 entlang der Rampenkonturen 39, 40 und sorgen für eine axiale Verschiebung des ersten Schaltelements 30 relativ zum zweiten Schaltelement 31. Da das erste Schaltelement 30 in Axialrichtung 13 mit dem Planetenträger 10 gekoppelt ist, wird der Planetenträger 10 in Axialrichtung 13 gemäß einer ersten Bewegungsrichtung 44 verschoben und ist nicht mehr am Abstützbereich 28 gehalten. Sobald der Planetenträger 10 von dem Abstützbereich 28 gelöst ist, ist die elektrische Maschine 2 abgekoppelt und es erfolgt keine Drehmomentübertragung mehr. Der Planetenträger 10 dreht frei. Das Planetengetriebe 5 befindet sich ein der dritten Stellung.
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In 3a und 3b beträgt die Verdrehung vom ersten Schaltelement 30 zum zweiten Schaltelement 31 63° in einer zweiten Verdrehposition. Nachdem der Planetenträger 10 vom Abstützbereich 28 gelöst ist und sich axial verschiebt, greift der Planetenträger 10 mit seiner Innenverzahnung 45 an dem Sonnenrad 7 an. Durch die im Vergleich zu 2a weiteren axialen Verschiebung wird die Drehzahl des Planetenträgers 10 an die Drehzahl des Sonnenrad 7 angepasst. Sobald die Drehzahlen miteinander übereinstimmen, greift der Planetenträger 10 an das Sonnenrad 7 an. Der Planetenträger 10 ist damit mit dem Sonnenrad 7 drehmomentübertragend direkt verbunden. Mithilfe der axialen Verschiebung in die erste Bewegungsrichtung 44 werden die Blattfedern 36 gespannt. Die Blattfedern 36 können, sofern kein Bremsmoment mehr anliegt, dafür sorgen, dass der Verschiebemechanismus zurückgesetzt wird.
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In 4a und 4b beträgt die Verdrehung vom ersten Schaltelement 30 zum zweiten Schaltelement 31 120° in einer dritten Verdrehposition. In der vorliegenden Verdrehposition sind die Rollmittel 41 in den Haltekonturen 42, 43 des ersten Schaltelementes 30 und des zweiten Schaltelements 31 positioniert. In dieser Position kann die Position ohne Bremsmoment gehalten werden. Um die Rollmittel 41 aus den Haltekonturen 42, 43 wieder zu lösen, ist ein erhöhtes Bremsmoment bevorzugt. In dieser zweiten Stellung ist die zweite Übersetzungsstufe 4, ergo die zweite Stellung, erreicht und das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 wird über die zweite Übersetzungsstufe 4 übertragen.
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In 5a und 5b beträgt die Verdrehung vom ersten Schaltelement 30 zum zweiten Schaltelement 31 240° in einer vierten Verdrehposition. Durch die Gestaltung der Rampenkonturen 39, 40 hat sich das erste Schalelement 30 gemäß einer zweiten Bewegungsrichtung 52 zurückbewegt und das Planetengetriebe 5 ist wieder in der ersten Stellung. Dabei hat sich das erste Schaltelement 30 in die gleiche Drehrichtung verdreht.
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In 6 ist eine zweite Ausführungsform des elektrischen Antriebsmoduls 1 dargestellt. Die Funktionsweise des Schaltsystems 9 entspricht gemäß der ersten Ausführungsform gemäß den 2 bis 5. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anordnung des Planetengetriebes 5 und des Schaltsystems 9 sowie der Hohlwelle 22 um 180° gedreht, so dass die erste Bewegungsrichtung 44 in Axialrichtung 13 in Richtung des Gehäuses 27a der elektrischen Maschine 2 verläuft und die zweite Bewegungsrichtung 52 in die axial entgegengesetzte Richtung. Der Abstützbereich 28 ist vorliegend an einem Gehäuse 27b (des Planetengetriebes 5) gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Hülse 19 gehäusefest an dem Gehäuse 27b mittels einer Schraubenverbindung gehalten.
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In der vorliegenden Ausführungsform weist das elektrische Antriebsmodul 1 eine Synchronisationsvorrichtung 46 auf. Dazu ist axial zwischen der Hohlwelle 22 und den Planetenrädern 20 eine Feder 47 angeordnet. Die Feder 47 ist in Axialrichtung 13 an einer zweiten Hohlwelle 48 angeordnet. Die zweite Hohlwelle 48 weist einen Flansch 49 auf, an dem die Feder 47 mit einer axialen Seite anliegt. An einer zweiten axialen Seite der Feder 47 ist diese von einem Sicherungsring 50 gehalten und vorgespannt.
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In den 7a bis 11a ist das Schaltsystem 9 für die zweite Ausführungsform des elektrischen Antriebsmoduls 1 betätigt und es sind die verschiedenen Einzelstellungen zum Wechsel der ersten Übersetzungsstufe 3 in die zweite Übersetzungsstufe 4 dargestellt, wobei das elektrische Antriebsmodul 1 und die Schaltelemente 30, 31 in den verschiedenen Verdrehpositionen gezeigt sind. In den 7b bis 11b ist simultan die Verdrehung des ersten Schaltelements 30 und des zweiten Schaltelements 31 zueinander dargestellt.
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Für den Bewegungsablauf des Schaltsystem 9 ist auf die 2a bis 5a verwiesen. Nachfolgend ist die Funktionsweise der Synchronisierungsvorrichtung 46 erklärt.
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In 7a und 7b beträgt die Verdrehung vom ersten Schaltelement 30 zum zweiten Schaltelement 31 30° in der ersten Verdrehposition. Durch die axiale Verschiebung in der ersten Bewegungsrichtung 44 wird die Feder 47 axial mitverschoben. Bei der vorliegenden Position ist die Feder 47 an dem Sicherungsring 50 weiterhin gehalten.
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In 8a und 8b beträgt die Verdrehung vom ersten Schaltelement zum zweiten Schaltelement 31° in einer fünften Verdrehposition. In dieser Position ist die Feder 47 nun einerseits an einer inneren Stirnseite 51 der Hohlwelle 22 abgestützt und andererseits an den Planetenrädern 20, genauer dem Flansch 49 der zweiten Hohlwelle 49.
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Ab dieser Position wird ein Synchronisationsmoment erzeugt, welches eine Anpassung der Drehzahl des Planetenträgers 10 auf die Drehzahl des Sonnenrads 7 unterstützt. Weiterhin ermöglicht das Synchronisationsmoment ein Abbremsen der Planetenräder 20. Dies ermöglicht ein schnelleres Wechseln in die zweite Übersetzungsstufe 4, damit der Planetenträger 10 mit seiner Innenverzahnung 45 mit dem Sonnenrad 7 in Eingriff bringbar ist.
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In den 12a bis 12d sind die verschiedenen Gänge, die mit dem Planetengetriebe 5 umsetzbar sind, dargestellt. Dazu ist das Planetengetriebe 5 in einer Frontansicht dargestellt. In 12a ist der erste Gang, ein erster Vorwärtsgang, dargestellt. Hierbei dreht die Rotorwelle 8 mit einem Drehmoment und somit auch das Sonnenrad 7 darstellungsgemäß gegen den Uhrzeigesinn. Der Planetenträger 10 ist gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungen an dem Abstützbereich 28 gehalten. Damit ist der Planetenträger 10 drehfest und führt keine Rotationsbewegung aus. Die Planetenräder 20, die mit dem Sonnenrad 7 im Eingriff stehen, drehen an einem Steg des Planetenträgers 10 mit dem Uhrzeigersinn. Das mit den Planetenrädern 20 im Eingriff befindliche Hohlrad 12 dreht ebenfalls in Uhrzeigersinn. Dies ist ein erster Drehmomentübertragungspfad und die erste Übersetzungsstufe 3.
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12b zeigt den zweiten Gang, ein zweiter Vorwärtsgang. In dieser Ausführungsform ist der Planetenträger 10 drehmomentübertragend über die Innenverzahnung 45 mit dem Sonnenrad 7 verbunden (siehe 4a). Das Drehmoment verläuft über das Sonnenrad 7 direkt auf den Planetenträger10, welcher das Drehmoment über die Planetenräder 20 an das Hohlrad 12 weiterleitet. Die Rotorwelle 8 dreht sich im Uhrzeigersinn, wodurch die mit dem Sonnenrad 7 im Eingriff stehenden Planetenräder 20 das Drehmoment direkt an das Hohlrad 12 weiterleiten. Das Hohlrad 12 dreht ebenfalls mit dem Uhrzeigersinn. Dies ist ein zweiter Drehmomentübertragungspfad und die zweite Übersetzungsstufe 4.
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12c zeigt nun den ersten Rückwärtsgang. Hierbei dreht die Rotorwelle 8 in die in 12a dargestellte entgegengesetzte Richtung. Somit ändern das Sonnenrad 7, die Planetenräder 20 und das Hohlrad 12 ebenfalls ihre Drehrichtung. Dies ist eine dritte Übersetzungsstufe 65.
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12d zeigt nun den zweiten Rückwärtsgang. Hierbei dreht die Rotorwelle 8 in die in 12b dargestellte entgegengesetzte Richtung. Somit ändern das Sonnenrad 7 und das Hohlrad 12 ebenfalls ihre Drehrichtung. Dies ist eine vierte Übersetzungsstufe 66.
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In 13a ist der elektrische Antriebsstrang 26 mit dem elektrischen Antriebsmodul 1 der ersten Ausführungsform dargestellt.
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Der elektrische Antriebsstrang 26 weist in Richtung des ersten Drehmomentübertragungspfad nach dem elektrischen Antriebsmodul 1 eine Zwischenwelle 53 mit einer Zahnradstufe 54, einem weiteren (zweiten) Planetengetriebe 55 und drei Synchronisierungseinheiten 56, 57, 58 auf. Das Drehmoment wird über die Außenverzahnung 25 der ersten Hohlwelle 22 über die Zahnradstufe 54 an ein frei drehbares Zahnrad 59 an der Zwischenwelle 53 übertragen. Über insgesamt zwei Synchronisierungseinheiten 56, 57 ist das Drehmoment weiterleitbar. Mithilfe einer ersten Synchronisierungseinheit 56 kann das Zahnrad 59 direkt mit der Zwischenwelle 53 drehmomentübertragend verbunden werden. Mithilfe einer zweiten Synchronisierungseinheit 57 ist das Drehmoment an das weitere Planetengetriebe 55 übertragbar. Mit einer dritten Synchronisierungseinheit 58 kann das über das weitere Planetengetriebe 55 weitergeleitete Drehmoment an die Zwischenwelle 53 übertragen werden. Dabei kann ein Planetenträger 60 des Planetengetriebes 55 mit der Zwischenwelle 53 verbunden werden.
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Das elektrische Antriebsmodul 1 ist zweimal in dem elektrischen Antriebsstrang 26angeordnet. Beide elektrische Antriebsmodule sind mit dem Zahnrad 59 der Zahnradstufe 54 im Eingriff.
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Die Zwischenwelle 53 ist drehmomentübertragen mit einem Differentialgetriebe 61 in Eingriff, welche das Drehmoment an jeweils ein Abtriebsrad 62, 63 weiterleitet.
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In 13b ist der elektrische Antriebsstrang 26 mit dem elektrischen Antriebsmodul 1 in der zweiten Ausführungsform dargestellt. Die zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des elektrischen Antriebsstrangs 26 gelten hier ebenfalls.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrisches Antriebsmodul
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- erste Übersetzungsstufe
- 4
- zweite Übersetzungsstufe
- 5
- Planetengetriebe
- 6
- Eingang
- 7
- Sonnenrad
- 8
- Rotorwelle
- 9
- Schaltsystem
- 10
- Planetenträger
- 11
- Ausgang
- 12
- Hohlrad
- 13
- Axialrichtung
- 14
- Radialrichtung
- 15
- Umfangsrichtung
- 16
- Mittelachse
- 17
- Sicherungsring
- 18
- Sicherungsring
- 19
- Hülse
- 20
- Planetenrad
- 21
- Flansch
- 22
- Hohlwelle
- 23
- Schraube
- 24
- Außenseite
- 25
- Außenverzahnung
- 26
- elektrischer Antriebsstrang
- 27a
- Gehäuse
- 27b
- Gehäuse
- 28
- Abstützbereich
- 29
- Formschlussverbindung
- 30
- erstes Schaltelement
- 31
- zweites Schaltelement
- 32
- Bremse
- 33
- Lasche
- 34
- Durchgangsloch
- 35
- Niet
- 36
- Blattfeder
- 37
- Rampensystem
- 38
- Haltemechanismus
- 39
- erste Rampenkontur
- 40
- zweite Rampenkontur
- 41
- Rollmittel
- 42
- erste Haltekontur
- 43
- zweite Haltekontur
- 44
- erste Bewegungsrichtung
- 45
- Innenverzahnung
- 46
- Synchronisierungsvorrichtung
- 47
- Feder
- 48
- Hohlwelle
- 49
- Flansch
- 50
- Sicherungsring
- 51
- Stirnseite
- 52
- zweite Bewegungsrichtung
- 53
- Zwischenwelle
- 54
- Zahnradstufe
- 55
- Planetengetriebe
- 56
- erste Synchronisierungseinheit
- 57
- zweite Synchronisierungseinheit
- 58
- dritte Synchronisierungseinheit
- 59
- Zahnrad
- 60
- Planetenträger
- 61
- Differentialgetriebe
- 62
- erstes Abtriebsrad
- 63
- zweites Abtriebsrad
- 64
- Schraube
- 65
- dritte Übersetzungsstufe
- 66
- vierte Übersetzungsstufe
- 67
- erstes Lager
- 68
- zweites Lager