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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Fahrrad mit elektromotorischem Antrieb.
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Fahrräder mit einem elektromotorischen Antrieb, bei welchen die Antriebskraft aus muskelkraftgetriebenen Pedalarmen einer Tretkurbelwelle sowie aus einem elektromotorischen Antrieb erfolgt, sind allgemein bekannt. Hierbei kann wahlweise die Antriebskraft durch die Pedalbewegung des Fahrers erzeugt werden oder gleichzeitig unterstützend oder alternativ gänzlich die Antriebskraft durch den elektromotorischen Antrieb erfolgen.
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Aus der
DE 196 29 788 A1 ist eine Antriebseinheit bekannt, bei der ein als Außenläufer ausgebildeter Elektromotor das Hohlrad eines Planetengetriebes antreibt, wobei ein feststehender Planetenträger ein Sonnenrad treibt, das über einen Freilauf mit einem Abtrieb gekoppelt ist. Der Abtrieb ist weiterhin über einen weiteren Freilauf mit dem Pedalarm der Tretkurbelwelle gekoppelt, so dass unabhängig voneinander der Abtrieb über ein Kettenrad durch die Pedalarme oder den Elektromotor erfolgen kann. Rotor und Stator des Elektromotors sowie das Planetengetriebe sind koaxial zur Tretkurbelwelle angeordnet, so dass axial ein geringer Bauraum benötigt wird. Die Gestaltung des Elektromotors als um das Planetengetriebe ausgebildeten Außenläufer benötigt erheblichen Bauraum in vertikaler/radialer Richtung um die Tretkurbelwelle. Weiterhin ist bei einem Antrieb über das Hohlrad und feststehenden Planetenrädern die notwendige Untersetzung für den Elektromotor nur schwierig zu erreichen.
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Aus der
DE 40 27 365 A1 ist ein Fahrrad mit einem Zusatzantrieb bekannt, dessen Antriebswelle parallel und axial versetzt zur Tretkurbelwellenachse angeordnet ist, wobei der Antrieb über eine an einem Hohlrad eines Planetengetriebes angeordnete Antriebskette erfolgt. Der Abtrieb erfolgt über den Planetenträger, wobei sich die Antriebsmomente von dem mit der Tretkurbelwelle verbundenen Sonnenrad und vom Elektroantrieb überlagern. Das Planetengetriebe wird in der Art eines Überlagerungsgetriebes genutzt, so dass jeweils das von den Pedalarmen nicht aufgebrachte Drehmoment durch den Elektroantrieb ersetzt wird. Ein pedalkraftabhängiger Zusatzantrieb, bei dem proportional zur erzeugten Pedalkraft ein zusätzliches Antriebsmoment erzeugt wird ist dadurch nicht möglich. Weiterhin werden ein zweiter Kettentrieb sowie ein für eine kompakte Ausführung ungünstiges, umlaufendes Hohlrad benötigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebseinheit für ein Fahrrad mit einem elektromotorischen Antrieb zu schaffen, der sowohl in axialer Erstreckung der Tretlagerwelle als auch radial um diese einen kompakten Aufbau mit geringen Ansprüchen an den Bauraum aufweist.
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Die Aufgabe wird mit einer Antriebseinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst, wobei weitere vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen dargestellt sind.
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Die Antriebseinheit für ein Fahrrad mit einem elektromotorischen Antrieb, bei welchem die Antriebskraft für das Fahrrad ausgehend von Pedalarmen einer Tretkurbelwelle und/oder von dem elektromotorischen Antrieb erzeugt wird, weist ein zwischen dem elektromotorischen Antrieb und dem Abtrieb für die Antriebsbewegung des Fahrrades angeordnetes Planetengetriebe auf. Erfindungsgemäß vorteilhaft ist dessen Sonnenrad mit dem Rotor des elektromotorischen Antriebs drehfest verbunden. Weiterhin ist dessen Planetenträger mit der den Abtrieb tragenden Tretkurbelwelle verbunden, wobei das Planetengetriebe sowie Stator und Rotor des elektromotorischen Antriebs koaxial um die Tretkurbelwelle angeordnet sind. Innerhalb eines die Tretkurbelwellenlagerung bildenden Gehäuses sind das Planetengetriebe und der elektromotorische Hilfsantrieb nebeneinander angeordnet, wobei sich der den Rotor des elektromotorischen Antriebs umgebenden Stator entlang des Innenumfangs des Gehäuses erstreckt. Der Stator besteht in der gezeigten Ausführung aus einem Statorträger mit Spulenwicklungen, die das für den Antrieb des Rotors benötigte Magnetfeld erzeugen. Weiterhin ist am Innenumfang dieses Gehäuses ein Hohlrad des Planetengetriebes ausgebildet. Das Hohlrad kann dabei integral mit dem Gehäuse oder als einzelnes, mit dem Gehäuse fest verbundenes Hohlrad ausgeführt sein. Hohlrad und Außenumfang des Stators sind nahezu umfangsgleich, so dass ein kompakter bauraumoptimaler Aufbau entsteht.
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Die Drehbewegung des Rotors wird über das Sonnenrad auf die Planetenräder übertragen, welche am gehäusefesten Hohlrad abwälzen und damit den Planetenträger in Bewegung setzen. Dieser ist über einen Freilauf mit der Tretkurbelwelle verbunden, so dass dessen Antriebsbewegung zu einem drehfest auf der Tretkurbelwelle angeordneten Abtrieb übertragen wird. Der Freilauf ist in vorteilhafter Weise so ausgestaltet, dass er in Richtung der Antriebsbewegung des Fahrrades mit der Tretkurbelwelle verrastet, wobei z. B. bei Stillstand des Motors ein Antrieb über die an die Tretkurbelwelle drehfest angekoppelte Pedalarme möglich ist, ohne den Rotor des elektromotorischen Antriebs oder das Planetengetriebe mitzuschleppen. Die Erfindung weist dabei keinen Pedalfreilauf wie im Stand der Technik auf, um eine Rücktrittbremsung zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft sind der Rotor und das Sonnenrad drehbar auf der Tretkurbelwelle gelagert. Die Tretkurbelwelle bildet damit das zentrale Lagerelement, so dass außer ihrer Lagerung im Gehäuse selbst keine weiteren Lagerstellen im Gehäuse ausgebildet werden müssen.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft ist der Planetenträger unter Zwischenschaltung eines Freilaufs trieblich mit der Tretkurbelwelle verbunden, wobei der Freilauf in einer Drehrichtung in Antriebsrichtung des Fahrrades mit der Tretkurbelwelle rastet und somit eine Übertragung der Antriebskraft vom Rotor über das Sonnenrad, die Planetenräder, den Planetenträger auf die Tretkurbelwelle ermöglicht, wobei bei einer höheren Drehzahl der Tretkurbelwelle gegenüber dem Planetenträger durch den Antrieb über an die Tretkurbelwelle angekoppelte Pedalarme das Planetengetriebe sowie der Rotor nicht mitgeschleppt werden müssen. Ein Antrieb des Fahrrades bei Stillstand des elektromotorischen Antriebs ist dadurch ohne weitere mechanische Verluste möglich.
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Der Abtrieb der Antriebseinheit ist ein auf der Tretkurbelwelle angeordnetes, drehfest mit dieser verbundenes Kettenrad, welches wie konventionell üblich über eine Kette ein am Hinterrad ausgebildetes Antriebsritzel und damit das Hinterrad des Fahrrades antreibt. Das Kettenrad kann gleichfalls an einem fest mit der Tretkurbelwelle verbundenen Pedalarm angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft ist das Gehäuse zweiteilig jeweils halbschalenförmig ausgebildet, wobei die Halbschalen an den zueinander gewandten Kontaktflächen einen umlaufenden Bund aufweisen an welchem diese abgedichtet miteinander verbunden sind, wobei im Nabenbereichen der Halbschalen jeweils die Lagerung für die Tretlager/Tretkurbelwelle angeordnet ist. Das Gehäuse ist wenigstens einseitig mit dem Fahrradrahmen verbunden oder ist als integraler Bestandteil des Rahmens ausgeführt.
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Für einen vorteilhaften kompakten Aufbau weist die Tretkurbelwelle der Antriebseinheit jeweils eine Lagerung für den Freilauf des Planetenträgers, für das Sonnenrad und den Rotor der elektromotorischen Antriebseinheit auf. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind diese Lagerungen jeweils nur einseitig ausgeführt. Der Rotor kann dabei topfförmig ausgestaltet werden, so dass um die Tretkurbelwelle verbleibender Bauraum für die Steuer- sowie Leistungselektronik des Antriebs und für die Positionierung einer Drehzahl- und/oder Drehmomentsensorik genutzt werden kann.
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Der Spulenträger ist als Blechpaket ausgeführt und für eine kompakte und montagegünstige Anordnung des Stators vorzugsweise durch Einpressen im Gehäuse befestigt. Der Spulenträger haltert die Einzelspulen des elektromotorischen Antriebs, welche umlaufend um den Rotor angeordnet sind.
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In einer alternativen Ausgestaltung mit einem nicht koaxial zur Tretkurbelwelle ausgeführten elektromotorischen Antrieb ist für dessen Ankopplung an die Tretkurbelwelle ebenfalls ein Planetengetriebe angeordnet, wobei dessen Sonnenrad unter Zwischenschaltung einer Antriebsstufe mit einer Antriebswelle des elektromotorischen Antriebs verbunden ist. Der die Planetenräder tragende Planetenträger ist mit der den Abtrieb tragenden Tretkurbelwelle verbunden und das Planetengetriebe ist konzentrisch um die Tretkurbelwelle angeordnet. Innerhalb eines die Tretkurbelwellenlagerung bildenden Gehäuses sind das Planetengetriebe sowie dessen vom elektromotorischen Antrieb angetriebene Antriebsstufe nebeneinander angeordnet ausgeführt. Der elektromotorische Antrieb weist dabei eine zur Tretkurbelwelle axial versetzt und vorzugsweise parallel angeordnete Antriebswelle auf, wobei der elektromotorische Antrieb innerhalb des sich radial um die Tretkurbelwelle erstreckenden Bauraums des Abtriebs angeordnet ist. Der Bauraum einer nahe dem Tretkurbelwellenlager angeordneten Antriebseinheit wird in axialer Richtung durch den Abstand der Pedalarme bestimmt, welcher ergonomisch durch die Fahrposition definiert im Bereich um 200 mm liegt. Weiterhin ist der radiale Bauraum aufgrund der Rahmenkonstruktion so kompakt als möglich zu wählen. Er soll, insbesondere bei Rädern ohne oberes Rahmenquerrohr, den Durchstieg im Tretlagerbereich nicht einschränken und innerhalb des durch den Abtrieb über das Kettenblatt definierten Bauraums verbleiben. Es ergibt sich daher die Notwendigkeit sowohl radial als auch axial eine kompakte Anordnung von Tretlager, Getriebe und elektromotorischem Antrieb zu erhalten.
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Die koaxiale Anordnung des Planetengetriebes sowie die anschließend nebeneinander angeordnete Antriebsstufe und wiederum neben dieser angeordnete Antriebseinheit ermöglichen einen solchen kompakten Aufbau. Eine versetzt zur Tretkurbelwelle angeordnete Antriebswelle des elektromotorischen Antriebs ermöglicht in Kombination mit der Drehmomenteinleitung auf das zentral um die Tretkurbelwelle angeordnete Sonnenrad die Zwischenschaltung einer weiteren Untersetzungs-Antriebsstufe. Trotz der Nutzung einer weiteren Untersetzung verbleibt der Antrieb im Bauraum des Kettenblattes ohne die Durchstiegshöhe zu beeinflussen. Der elektromotorische Antrieb kann dabei als einzelnes Bauteil innerhalb der Antriebseinheit realisiert und damit als vormontiertes Zulieferteil eingebaut werden. Hieraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich der elektrischen Kapselung vom mechanischen Getriebe. Weiterhin birgt die Verwendung einer als Standardteil verfügbaren Antriebseinheit einen Kostenvorteil.
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Der Antrieb wird dabei innerhalb des radialen Bauraums des Planetengetriebes, dessen am Innenumfang des Gehäuses angeordnetes Hohlrad die maximale radiale Erstreckung bildet, seitlich von diesem angeordnet. Der Antrieb kann dabei in einer nicht dargestellten Alternative gemeinsamen innerhalb des Gehäuses mit dem Planetengetriebe angeordnet werden oder, wie in der dargestellten Alternative, außerhalb von diesem, mit seiner Antriebswelle das Gehäuse durchdringend, ausgeführt sein.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltung werden in der Zeichnung anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Hierbei zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung der Antriebseinheit 1.
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2 eine alternative Ausgestaltung der Antriebseinheit 1.
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Die in 1 gezeigte Antriebseinheit 1 besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse 11, in welchem koaxial um eine Tretkurbelwelle 2 nebeneinander liegend ein elektromotorischer Antrieb 9 sowie ein Planetengetriebe mit Sonnenrad 3, Planetenrädern 4, Planetenträger 5 und Hohlrad 6 angeordnet sind. Die Antriebseinheit 1 für ein Fahrrad dient hierbei dazu zusätzlich eine Antriebskraft auf einen Abtrieb 9 zum Vortrieb des Fahrrades zu übertragen. Diese Antriebskraft kann mittels an der Tretkurbelwelle 2 angeordneten – nicht dargestellten – Pedalarmen und/oder vom elektromotorischen Antrieb 9 erzeugt werden. Der elektromotorische Antrieb 9 ist dabei vorzugsweise ein Zusatzantrieb, welcher zusätzlich zur Antriebskraft über die Pedalarme die Tretkurbelwelle antreibt. Der Antrieb kann jedoch gleichfalls allein vom elektromotorischen Antrieb 9 oder ohne dessen Zuschaltung erfolgen. In der dargestellten Konfiguration mit einem Freilauf 12 zwischen Planetenträger und Tretkurbelwelle 2 mit Verrastung des Freilaufs 12 in Antriebsrichtung kann ein isolierter, lediglich vom elektromotorischen Antrieb 9 generierter Vortrieb nur dann erfolgen, wenn die Pedalarme mit der Tretkurbelwelle 2 mitdrehen. Ein alleiniger elektromotorischer Antrieb ist als Antriebsvariante möglich, wobei hierfür weitere Freiläufe für die angekoppelten Pedalarme oder ein in seiner Sperrrichtung schaltbarer Freilauf verwendet werden kann. Bei der bevorzugten Ausgestaltung der Antriebseinheit 1 als über die Pedalkraft gesteuerten Zusatzantrieb erfolgt keine Antrieb ohne Pedalbetätigung, so dass ein einfacher Freilauf 12, dessen Sperrrichtung so gewählt ist, dass eine Antriebsbewegung der Tretkurbelwelle 2 vom elektromotorischen Antrieb 9 möglich ist, verwendet werden kann. Mit dieser Konfiguration des Freilaufs 12 ist es möglich über eine Drehzahl-/Drehmomenterfassung an der Tretkurbelwelle 2 ein angefordertes Drehmoment, welches der Fahrer auf die Pedale ausübt, zu ermitteln. Damit kann eine Pedalkraftabhängige Steuerung des Antriebs genutzt werden, die – z. B. proportional – zusätzlich zu dem vom Fahrer erbrachten Drehmoment ein Antriebsmoment aus dem elektromotorischen Antrieb 9 erbringt.
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Die Antriebskraft von den Pedalarmen und vom elektromotorischen Antrieb 9 bzw. das durch diese erzeugte Drehmoment überlagert sich an der Tretkurbelwelle 2, an welcher zum einen direkt die Pedalarme und zum anderen der elektromotorische Antrieb 9 über das Planetengetriebe und den Freilauf 12 angreifen. Die Pedalarme werden in üblicher Weise direkt an der Tretkurbelwelle angeordnet und sind drehfest mit dieser verbunden. Der elektromotorische Antrieb 9 wird durch das Planetengetriebe in seiner Drehzahl untersetzt. Der elektromotorische Antrieb 9 besteht aus eine Stator 7, der drehfest mit dem Gehäuse 11 verbunden ist und einem drehbar auf der Tretkurbelwelle 2 gelagerten Rotor 8.
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Vorzugsweise ist der elektromotorische Antrieb 9 ein permanent erregter Synchronmotor, der für die Erzeugung des Statormagnetfeldes auf einem Träger 13 angeordnete Spulen 14 aufweist. Der Träger 13 ist dabei als Blechpaket ausgeführt, welches in das Gehäuse 11 eingepresst ist. Der Rotor 8 ist einseitig auf der Tretkurbelwelle 2 gelagert und hat eine topfförmige Gestalt. In einer nicht dargestellten Ausgestaltung ist der entstehende Freiraum innerhalb des Rotors 9 für ein Messsystem zur Drehmomenten- und/oder Drehzahlmessung nutzbar. Gleichfalls kann hier ein Teil oder die gesamte Leistungs- und Steuerelektronik für. den elektromotorischen Antrieb 9 untergebracht werden. Der Rotor 8 ist im Bereich seiner Lagerung drehfest mit dem Sonnenrad 3 des Planetengetriebes verbunden. Das Sonnenrad 3 ist dabei ebenfalls einseitig auf der Tretkurbelwelle 2 gelagert und kämmt mit den dieses umgebenden Planetenrädern 4. Die Planetenräder 4 sind drehbar am Planetenträger 5 gelagert, der über einen Freilauf 12 mit der Tretkurbelwelle 2 verbunden ist. Die Planetenräder 4 kämmen mit dem am Innenumfang des Gehäuses 11 angeordneten Hohlrad 6, welches fest mit diesem verbunden ist. Das Drehmoment wird somit vom Rotor 8 über das Sonnenrad 3 auf die durch das Sonnenrad 3 angetriebenen Planetenräder 4 übertragen, welche sich am Hohlrad 6 abstützen. Das Drehmoment wird damit auf den Planetenträger 5 und dem dort auf der Tretkurbelwelle 2 angeordneten Freilauf 12 übertragen, welcher in Sperrrichtung die Kraft auf den Abtrieb 9 überträgt. Die Freilaufrichtung des Freilaufs 12 ist so gewählt, dass bei einer geringeren Drehzahl des Planetenträgers 5, verglichen mit der Antriebsdrehzahl der Tretkurbelwelle 2, welche durch die Pedalarme erzielt wird, das Planetengetriebe und die elektromotorische Antriebseinheit 9 leer mitlaufen, also nicht von der Tretkurbelwelle aus angetrieben werden. Beispielsweise bei Stillstand der elektromotorischen Antriebseinheit 9 wird die Tretkurbelwelle 2 von den Pedalarmen angetrieben und das erzeugte Drehmoment wird zum Abtrieb 10 übertragen ohne den Widerstand des Planetengetriebes oder der elektromotorischen Antriebseinheit mitzuschleppen. Im umgekehrten Fall stützt sich der Planetenträger an der Tretkurbelwelle 2 ab und das Drehmoment des elektromotorischen Antriebs 9 wird dem über die Pedalarme erzeugten Drehmoment überlagert. Diese Freilaufkonfiguration ist insbesondere bei einer pedalkraftgesteuerten Zuschaltung des elektromotorischen Antriebs 9 vorteilhaft, da mit einer detektierten Pedalkraft die elektromotorische Unterstützung freigegeben werden kann. Im Falle eines Antriebs ausschließlich von den Pedalarmen, beispielsweise bei einem entladenen Akkumulator, muss kein unnötiger mechanischer Widerstand mitgetrieben werden. Die Antriebskraft wird über einen Abtrieb 10, der ein drehfest mit der Tretkurbelwelle 2 verbundenes Kettenrad ist, auf das Hinterrad übertragen. Wenn ein Abtrieb ohne weitere konventionelle Schaltstufen an dem Hinterrad erfolgt ist eine Rücktrittbremsung des Fahrrades möglich.
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Das Gehäuse 11 ist zweiteiliges und vorzugsweise durch Verschrauben zusammengefügt. Das Gehäuse ist einseitig mit dem Fahrradrahmen verbunden, wobei vorzugsweise die linksseitig dargestellte Halbschale des Gehäuses 11, welche den elektromotorischen Antriebt 9 trägt, mit dem Rahmen verbunden ist.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Antriebseinheit 1 mit einer abweichenden Anordnung des elektromotorischen Antriebs 9. Dieser ist Abweichend von der in 1 gezeigten Ausgestaltung nicht koaxial zur Tretkurbelwelle 2 angeordnet. Der elektromotorische Antrieb 9 greift wie zu 1 gezeigt am Sonnenrad 3 des Planetengetriebes an, weist jedoch eine von der Mittelachse der Tretkurbelwelle 2 abweichende Lage von dessen Antriebswelle 15 auf. Der Antrieb des Sonnenrades 3 vom elektromotorischen Antrieb 9 erfolgt über eine Antriebsstufe 16, welche hier als einer Zahnradpaarung eines koaxial zur Tretkurbelwellenachse und drehfest mit dem Sonnenrad 3 verbundenen Zahnrad 18 und einem auf der Antriebswelle 15 drehfest angeordneten Zahnrad 17 ausgebildet ist. Die abtriebsseitige Ausgestaltung der Antriebseinheit 1 ist identisch wie zur 1 beschrieben. In Richtung Abtrieb 9 gesehen ist ausgehend vom Sonnenrad 3 die Antriebseinheit zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung identisch. Auf diese Beschreibung wird hiermit Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Tretkurbelwelle
- 3
- Sonnenrad
- 4
- Planetenräder
- 5
- Planetenträger
- 6
- Hohlrad
- 7
- Stator
- 8
- Rotor
- 9
- elektromotorischer Antrieb (Rotor 8 u. Stator 7)
- 10
- Abtrieb
- 11
- Gehäuse
- 12
- Freilauf
- 13
- Träger
- 14
- Spulen
- 15
- Antriebswelle
- 16
- Antriebsstufe (bestehend aus Zahnrädern 17 und 18)
- 17
- Zahnrad (auf Antriebswelle 15)
- 18
- Zahnrad (drehfest mit dem Sonnenrad 3 verbunden)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19629788 A1 [0003]
- DE 4027365 A1 [0004]
