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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Radantrieb mit einem Elektromotor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
derartiger Radantrieb ist aus der
WO 92/18
344 bekannt und enthält
einen Felgenkörper, der
zwei Felgenhörner
aufnimmt, die der Aufnahme eines Laufrades dienen. Während sich
in dem Felgenkörper
ein Hohlraum zur Aufnahme von elektrischen Kommutierungseinrichtungen
befindet, sind oberhalb des Felgenkörpers Stromverteilerplatten angeordnet,
die über
Kommutierungstransistoren mit Stromversorgungsleitern verbunden
sind. Die Stromverteilerplatten ermöglichen über an einem Kühlkörper vorbeigeführte Zu- bzw. Ableitungen
für Wickelkopfscheiben
die Stromversorgung des Elektromotors, wobei sich zwischen den Wickelkopfscheiben das
Ständerblechpaket
des Elektromotors mit Nuten zur Aufnahme der als Nutstäbe ausgebildeten
Leiter des Wickelkopfes des Elektromotors befindet.
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Bei
dem bekannten Radantrieb ist die gesamte elektrische Kommutierungseinrichtung
im Hohlraum des Felgenkörpers
untergebracht, während
oberhalb des Felgenkörpers
und zwischen den axial beabstandeten Felgenhörnern der Rotor und Stator
des Elektromotors angeordnet und durch einen in axialer Richtung
verlaufenden Luftspalt voneinander getrennt sind.
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Diese
Integration eines Elektromotors in eine Radfelge erfordert zum einen
zusätzliche
Dichtungsmaßnahmen,
um einer Verschmutzung der elektrischen und elektromagnetischen
Teile des Elektromotors vorzubeugen und erlaubt wegen der Integration der
elektronischen, elektrischen und elektromagnetischen Teile des Elektromotors
in den Felgenkörper bzw.
in den zwischen den Felgenhörnern
ausgebildeten Raum keine Trennung zwischen dem Elektromotor und
dem Felgenring oder Felgenkranz. Eine derartige Trennung ist aber
wünschenswert,
um beispielsweise eine unterschiedliche, auf die jeweiligen Funktionen
optimal abgestimmte Materialwahl für den den Elektromotor aufnehmenden
Felgenkörper einerseits
und den den Radreifen aufnehmenden Felgenring oder Felgenkranz andererseits
zu ermöglichen;
denn für
den magnetischen Rückschluss
des Elektromotors ist Eisen optimal, während zur Gewichtsoptimierung
der Felgenring aus einem von Eisen verschiedenen Material, beispielsweise
aus Aluminium, bestehen sollte.
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Weiterhin
beansprucht der bekannte Radantrieb einen erheblichen Raum zwischen
den Felgenhörnern
und dem Felgenkörper
sowie in axialer Richtung innerhalb des Felgenkörpers, der einen flachen und
gegenüber
Verschmutzung bzw. Nässe
geschützten
Aufbau des Elektromotors ausschließt.
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Aus
der
FR-A-15 22 417 ist
ein als Elektromotor ausgebildeter Radnabenmotor bekannt, der einerseits über Federbeine
mit einem Fahrzeugchassis und andererseits über ein Untersetzungsgetriebe und
eine Bremseinrichtung mit dem Achszapfen eines Fahrzeugrades verbunden
ist, wobei der Elektromotor, das Untersetzungsgetriebe, die Bremseinrichtung
und das Fahrzeugrad axial hintereinander angeordnet sind.
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Ein
aus der
US 54 65 806
C bekannter Radnabenmotor ist zwischen der Radaufhängung und dem
Fahrzeugrad in einer durch die Radfelge gebildeten Ausnehmung angeordnet,
während
eine Scheibenbremse auf der dem Fahrzeugrad abgewandten Seite der
Radaufhängung
mit der Radachse verbunden ist.
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Die
aus den beiden vorstehend genannten Dokumenten bekannten Radnabenmotoren
sind jeweils vollständig
getrennt vom Fahrzeugrad angeordnet und mit diesem über die
Radachse bzw. eine Verlängerung
des Achszapfens verbunden. Eine derartige Konfiguration mit als
separate Bauteile angeordnetem Radnabenmotor und Fahrzeugrad bedingt
einen erhöhten
Bauraumbedarf und dementsprechende Abstände zwischen der Radaufhängung und
der Radachse sowie große
ungefederte Massen, da sowohl die Radfelge, als auch das Gehäuse des
Radnabenmotors getrennt von einander vollständig ausgebildet sein müssen. Weiterhin
sind getrennte Lager für
das Fahrzeugrad und dem Radnabenmotor erforderlich und es ist eine
eingeschränkte
Zugänglichkeit zu
den Einzelteilen des Antriebssystems hinzunehmen.
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Bei
einer aus der
JP 6210 8048 bekannten Anordnung
ist eine zwischen einer gabelförmigen Radaufhängung angeordnete
feststehende Achse über
Radlager mit einer koaxialen, rotierenden Achswelle verbunden, die
unmittelbar mit dem Motorgehäuse
eines Radnabenmotors verbunden ist, dessen Umfang ein Felgenhorn
und dieses wiederum den Reifen des Fahrzeugrades trägt. Im Inneren
des Motorgehäuses
sind mit der rotierenden Achswelle mitdrehende Spulen angeordnet.
Auch bei dieser Anordnung ist eine Trennung zwischen den Teilen
des Fahrzeugrades und den Teilen des Radnabenmotors vorgesehen.
Aufgrund der rotierenden Spulen weist der Rotor des Radnabenmotors
eine erhebliche Masse auf, die die Rotorgeschwindigkeiten begrenzt
und eine erhöhte
Störanfälligkeit
aufgrund der stark beanspruchten Spulen aufweist.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt dem Gegenstand der vorliegenden
Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, einen Radantrieb der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, der mit minimalem
Platzbedarf insbesondere in axialer Richtung in ein Fahrzeugrad
zu integrieren und geschützt
anzuordnen ist, eine einfache Trennung von Elektromotor und Felgenring
bzw. Felgenkranz sowie eine optimale Materialwahl für die Funktionsteile
des Radantriebs und des Fahrzeugrades ermöglicht und sich durch geringe
ungefederte Massen und einen guten Wirkungsgrad sowie geringe Herstellungskosten
auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lösung zeichnet
sich wegen des hohen Integrationsgrades und großer synergetischer Effekte
des Fahrzeugrad-Radantrieb-Systems durch einen minimalem Platzbedarf insbesondere
in axialer Richtung aus und ist mit einfachen Mitteln in ein Fahrzeugrad
zu integrieren und geschützt
anzuordnen, ermöglicht
eine einfache Trennung von Elektromotor und Felgenring bzw. Felgenkranz
sowie eine optimale Materialwahl für die Funktionsteile des Radantriebs
und des Fahrzeugrades und zeichnet sich durch geringe ungefederte Massen
und einen guten Wirkungsgrad sowie geringe Herstellungskosten aus.
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Durch
die Teilung der Radfelge zur Bildung eines aus geteilten Felgenplatten
zusammengesetzten Hohlkörpers,
in dem ein den Stator des Radantriebs bildender scheibenförmiger Spulenring
mit Erregerwicklungen und den Rotor des Elektromotors bildende Magnete
bzw. alternativ den Stator des Elektromotors bildende Magnete und
ein den Rotor des Elektromo tors bildendes scheibenförmiges Spulensystem
angeordnet sind, so daß die
Felgenplatten sowohl Teil der Radbefestigung sind als auch den magnetischen
Rückschluß für den Elektromotor
bilden und den Elektromotor vor dem Eindringen von Feuchtigkeit
und Schmutz und damit vor Korrosion schiltzen, wird der hohe Integrationsgrad
mit Synergismuseffekt erzielt.
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Da
weiterhin die Möglichkeit
besteht, die Radfelge vom Felgenhorn zu trennen bzw. zu verschrauben,
wird ein einfaches Baukastensystem realisiert, da verschiedene Radreifen
und Felgenabmessungen mit demselben Radantrieb verbunden werden
können.
Darüber
hinaus ermöglicht
die aus den Felgenplatten zusammengesetzte, geteilte Radfelge eine
einfache Montage.
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Infolge
des den Stator bildenden und damit stationären scheibenförmigen Spulenrings
mit Erregerwicklungen kann in bevorzugter Ausgestaltung die Stromzufuhr
zu den Erregerwicklungen über
eine als stationäre
Hohlachse ausgebildete Radachse erfolgen, durch die ein Stromführungskabel
des Elektromotors gelegt und mit einem elektronischen Kommutator
verbunden ist.
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Durch
die Integration des Radantriebs in die Radbefestigung kann weiterhin
eine gemeinsame Lagerung für
den Elektromotor und die Radbefestigung dadurch realisiert werden,
daß zwischen
der stationären
Hohlachse und den Felgenplatten mit Dichtungen versehene, kombinierte
Rad-/Motorlager angeordnet sind, die als Wälzlager ausgebildet werden
können.
Desweiteren kann das kombinierte Rad-/Motorlager eine zwischen der
Radfelge und einer Radaufhängung
angeordnete Bremsscheibe abstützen.
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Der
Elektromotor kann wahlweise und nach Leistungsbedarf, Baugröße und Kostenvorgaben
aus einer Asynchronmaschine, einer permanentmagneterregten Synchronmaschine,
einer Reluktanzmaschine oder einem Klauenpolmotor bestehen.
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Um
eine lästige
und verlustbehaftete Zugkraftunterbrechung infolge von Schaltvorgängen in manuellen
oder automatischen Getrieben zu vermeiden, kann der Radantrieb mit
automatisierten Schaltgetrieben und nichtschaltbaren Getrieben kombiniert werden.
Eine bevorzugte Variante ist ein getriebeloser Antrieb.
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Durch
Rekuperation bzw. Bremsenergierückgewinnung
kann erheblich Kraftstoff eingespart werden. Ein Anlasser und ein
Generator werden nicht benötigt,
die Leistung für
andere Verbraucher des Fahrzeugs werden über eine Batterie oder Brennstoffzelle
bereitgestellt. Die anfallende Rekuperationsenergie kann zur Ladung
der Traktionsbatterie verwen det werden, da nach einer Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Lösung eine
mit dem Elektromotor und einer Stromversorgungseinrichtung verbundene
Radsteuereinrichtung den Elektromotor zum Abbremsen des Fahrzeuges
in den Generatorbetrieb zur Ladung der Traktionsbatterie umsteuert.
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Schließlich kann
eine mit der Radsteuereinrichtung verbundene Steuerelektronik die
Radsteuereinrichtungen eines mehrrädrigen Fahrzeuges so ansteuern,
daß zumindest
eine der folgenden Funktionen realisiert wird:
- – Einstellung
unterschiedlicher Radgeschwindigkeiten der Einzelräder bei
Kurvenfahrten
- – elektronische
Differenzialsperre
- – Antiblockiersystem
- – elektronische
Fahrzeugstabilisierung
- – Allradantrieb
- – Stromsparmodus,
d. h. Zuschalten der einzelnen Radantrieben nach Bedarf
- – unterschiedliche Übersetzungen
an den einzelnen Fahrzeugrädern
durch separate Geschwindigkeitsteuerungen
- – Notlauffunktion
bei Ausfall von bis zu drei Motoren
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Anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der
Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 – einen
Schnitt durch ein Fahrzeugrad-Radantrieb-System mit in die Radfelge
integriertem Elektromotor;
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2 und 3 – Explosionsdarstellungen des
Systems gemäß
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1 aus
verschiedenen Blickrichtungen und
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4 und 5 – eine perspektivische
Ansicht des Fahrzeugrad-Radantrieb-Systems aus verschiedenen Blickrichtungen.
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Das
in den 1 bis 3 bezüglich der einzelnen Bauteile
und in den 4 bis 5 im kompletten
Zustand dargestellte Fahrzeugrad-Radantrieb-System besteht aus einem
Fahrzeugrad 1, das über
eine Radaufhängung 2 mit
dem Chassis eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Die Radaufhängung 2 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als Doppelquerlenkerachse ausgebildet und weist einen Stoßdämpfer 20 und
einen Achsschenkel 21 auf, der mit dem Achszapfen bzw.
der Radachse 5 des Fahrzeugrades 1 verbunden ist.
Das Fahrzeugrad 1 enthält eine
Radfelge 3, deren Felgenhorn 30 einen Radreifen 10 trägt und mit
einem Felgenring 33 verbunden ist.
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Der
Felgenring 33 ist über
Felgenbolzen 34 mit zwei Felgenplatten 31, 32 verbunden,
die zum einen einen Hohlraum zur Aufnahme von Teilen eines als Elektromotor 3 realisierten
Radantriebs formen und zum anderen den magnetischen Rück schluß für den Elektromotor 3 bilden.
Die Felgenplatten 31, 32 sind auf ihrer in den
Hohlraum gerichteten Seite mit Magneten 41, 42 versehen,
zwischen denen ein scheibenförmiger
Spulenring 40 mit Erregerwicklungen 400 als Stator
des Elektromotors 3 angeordnet ist. Durch die Verbindung
der Magnete 41, 42 mit den Felgenplatten 31, 32 bilden
die Magnete 41, 42 den Rotor des Elektromotors 3 und
sind vorzugsweise als Permanentmagnete ausgebildet.
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Wie
den Explosionsdarstellungen gemäß den 2 und 3 zu
entnehmen ist, sind die Magnete 41, 42 kreisringabschnittförmig ausgebildet und
mit geringem Abstand zueinander auf den Felgenplatten 31, 32 befestigt.
Der scheibenförmige Spulenring 40 trägt die miteinander
verschalteten Erregerwicklungen 400 als Einzelspulen.
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Die
Felgenplatten 31, 32 sind über Wälzlager mit Dichtung 8, 9 gegenüber der
Radachse 5 abgestützt,
die als Hohlachse ausgebildet ist. Durch einen Hohlraum des Achsschenkels 21 und
der Radachse 5 ist ein Stromversorgungskabel 6 geführt, das
mit dem scheibenförmigen
Spulenring 40 mit Erregerwicklungen 400 verbunden
ist. Der scheibenförmige Spulenring 40 ist
auf einen Isolationskörper 43 aufgeschoben,
in dessen Boden Kontakte vorgesehen sind, über die beim Aufschieben des
scheibenförmigen
Spulenrings 40 mit den Erregerwicklungen 400 auf
die Radachse 5 und den Isolationskörper 43 die einzelnen
Erregerwicklungen 400 kontaktiert und miteinander verschaltet
werden. Um ein Mitdrehen des Spulenringes 40 zu vermeiden,
ist der Spulenring 40 durch Verdrehen gesichert mit der
Radachse 5 verbunden.
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Auf
der der Radaufhängung 2 entgegengesetzten
Seite ist das Fahrzeugrad 1 über eine Radmutter 50 auf
der Radachse 5 gesichert. Zur verbesserten Wärmeabfuhr
des Radantriebs 4 weisen die Felgenplatten 31, 32 Rippen
auf bzw. sind die drehenden Teile des Radantriebes 4 mit
Windflügeln ausgestattet.
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Zwischen
der der Radaufhängung 2 zugewandten
Felgenplatte 31 und der Radaufhängung 2 ist eine Bremsscheibe 7 angeordnet
und über
Befestigungsschrauben 70 mit der Felgenplatte 31 verbunden,
sowie über
das eine Wälzlager
mit Dichtung 8 an der Radachse 5 abgestützt.
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte Radantrieb weist
durch die Verwendung eines feststehenden scheibenförmigen Spulenringes 40 mit
Erregerwicklungen 400 als Stator und rotierenden Permanentmagneten
als Rotor eine geringe, Rotormasse auf, so daß höhere Rotorgeschwindigkeiten,
eine höhere
Dynamik und eine geringere Störanfälligkeit erzielt
wird.
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Alternativ
können
natürlich
in den aus den geteilten Felgenplatten 31, 32 zusammengesetzten Hohlkörper den
Stator des Elektromotors 4 bildende Magnete und ein den
Rotor des Elektromotors 4 bildendes, vorzugsweise scheibenförmiges Spulensystem
angeordnet werden, so daß das
Spulensystem anstelle der Magnete mit dem Fahrzeugrad 1 rotiert.
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Da
die den magnetischen Rückschluss
bildende Radfelge 3 üblicherweise
nicht aus geschichteten Eisenblechen zur Vermeidung von Wirbelströmen sondern
aus einem Tiefziehblech besteht, wird die Radfelge 3 vorzugsweise
aus einem Wirbelströme
unterdrückenden
Gusswerkstoff hergestellt, der dieselben elektrischen und magnetischen
Eigenschaften aufweist wie geblechtes Eisen und dementsprechend
das Auftreten von Wirbelströmen
unterdrückt.
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Da
die Wälzlager 8, 9 sowohl
als Radlager als auch als Motorlager und die Radfelge 3 sowohl als
Radbefestigung als auch als magnetischer Rückschluß des Radantriebs 4 dienen,
das Rad- und Motorgehäuses
gemeinsam abgedichtet und die Bremsscheibe 7 mit der Radfelge 3 verbunden
werden, wird eine vollständige
Integration von Fahrzeugrad 1, Radlager 8, 9,
Radaufhängung 2,
Federung 20, Anlenkung 21, Radfelge 3 und
Radantrieb 4 erzielt.
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Als
Antriebssysteme können
sowohl Gleich- als auch Wechselstrommaschinen eingesetzt werden.
Es besteht auch die Möglichkeit
die Radfelge 3 vom Felgenhorn 30 zu trennen bzw.
zu verschrauben. Das ermöglicht
ein einfaches Baukastensystem, da verschiedene Radreifen und Felgenabmessungen mit
demselben Radantrieb verbunden werden können. Die aus den beiden Felgenplatten 31, 32 zusammengesetzte,
geteilte Radfelge 3 ermöglicht
eine einfache Montage und schützt
in dem durch die Felgenplatten 31, 32 gebildeten
Innenraum den Radantrieb bzw. Elektromotor 4 vor Spritzwasser,
Schmutz und Korrosion.
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Der
Elektromotor 4 soll bevorzugt für höhere Spannungen als 12 Volt
eingesetzt werden. Als Maschinentypen können Asynchronmaschinen, permanentmagneterregte
Synchronmaschinen, Reluktanzmaschinen und Klauenpolmotoren eingesetzt
werden.
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Weiterhin
kann der Radantrieb mit automatisierten Schaltgetrieben und nichtschaltbaren
Getrieben kombiniert werden. Eine bevorzugte Variante ist ein getriebeloser
Antrieb. Durch intelligente Kombination von Antrieb und Getriebe
läßt sich
eine lästige und
verlustbehaftete Zugkraftunterbrechung beseitigen.
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Durch
Rekuperation bzw. Bremsenergierückgewinnung
kann erheblich Kraftstoff eingespart werden. Ein Anlasser und ein
Generator werden nicht benötigt,
Leistung für
andere Verbraucher des Fahrzeugs werden über eine Batterie oder Brennstoffzelle bereitgestellt.
Die anfallende Rekuperationsenergie kann zur Ladung der Traktionsbatterie
verwendet werden.
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Die
separate elektrische Ansteuerung durch die Elektronik ermöglicht die
Nutzung folgender Funktionen:
- – Kurvenfahrt
mit unterschiedlicher Radgeschwindigkeit
- – elektronische
Differenzialsperre
- – Antiblockiersystem
- – Allradantrieb
- – Elektronische
Stabilitätsregelung
- – Stromsparmodus
durch den Einsatz von jeweils ein bis vier Motoren bei einem vierrädrigen Kraftfahrzeug,
wobei bei Einsatz eines einzelnen Radantriebs wenig Energiebedarf
und beim Einsatz aller vier Radantriebe ein größerer Energiebedarf besteht,
- – unterschiedliche Übersetzungen
an den verschiedenen Rädern,
die separat angesteuert werden,
- – Notlauffunktion
bei Ausfall von bis zu drei Motoren, so daß das Fahrzeugs bei zumindest
einem vollfunktionsfähigen
Radantrieb angetrieben werden kann.
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Die
Restfelge mit dem Felgenhorn 30 kann zum Radwechsel ohne
Demontage des Radantriebs bzw. Elektromotors 4 wie üblich abgeschraubt
werden.
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Möglich ist
auch ein Einsatz des Fahrzeugrad-Radantrieb-Systems bei Zweiradfahrzeugen, wenn
der Felgenring 33 mit Felgenhorn 30 am Elektromotor 4 angeschraubt
werden kann.
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Obwohl
die erfindungsgemäße Lösung am Beispiel
eines Kraftfahrzeugrades dargestellt wurde, läßt sie sich ohne Weiteres auch
auf ein schienengebundenes Radsystem übertragen, da in diesem Falle lediglich
die Verbindung des Felgenringes mit der Lauffläche und dem Spurkranz eines
Schienenrades erforderlich ist.