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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Elektrofahrräder und insbesondere einen Mittelmotor, der für Elektrofahrräder verwendbar ist.
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Stand der Technik
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In der Regel werden bei einem Fahrrad zu dessen Vorwärtsbewegung die Kettenblattgarnitur und die Kette durch Treten in die Pedale angetrieben. Elektrofahrräder sind mit einer als Hilfskraft dienenden elektrischen Maschine (Motor) ausgestattet. Nur durch Treten in die Pedale lässt sich die vom Motor bereitgestellte Kraft als Hilfskraft nutzen, wodurch das Fahren einfacher wird und daher weniger arbeitsintensiv ist.
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Bei den meisten bekannten Mittelmotoren für Elektrofahrräder werden Planetenradmechanismen als Untersetzungsmechanismen verwendet. Beispielsweise umfasst ein Planetenradmechanismus ein Hohlrad, wobei ein Sonnenrad im Inneren des Hohlrads eingebaut ist und Planetenräder mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad im Eingriff stehen. In den taiwanischen Gebrauchsmustern TWM 437304 und TWM 384160 sind die Untersetzungsmechanismen eines Mittelmotors für Elektrofahrräder offenbart, wobei die durch die Untersetzungsmechanismen bereitgestellten Planetenradmechanismen kein Sonnenrad aufweisen. Darüber hinaus offenbaren diese Gebrauchsmuster keinen Drehmomentsensor.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mittelmotorstruktur für Elektrofahrräder bereitzustellen, durch die die vorteilhaften Effekte einer Vereinfachung der Struktur und einer Reduzierung des Volumens und ferner einer Reduzierung der Rotationsstörung zwischen dem Elektroantrieb und dem Pedalantrieb erzielt werden können.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgaben und zur Erzielung der vorteilhaften Effekte stellt die vorliegende Erfindung einen Mittelmotor bereit, der zur Übertragung der elektrischen Antriebskraft und der Tretkraft auf ein Kettenrad dient und Folgendes umfasst: einen Zahnradmechanismus, der in einem Gehäuse untergebracht ist und mindestens ein in einem Zahnkranz befindliches und mit ihm in Eingriff stehendes Planetenrad, zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Planetenräder befindliche Planetenträger und mehrere zur Verriegelung der beiden gegenüberliegenden Planetenträger und zum Hindurchführen durch die Planetenräder dienende Verriegelungselemente umfasst; eine Exzenterwelle, die ein Wellenrohr aufweist, wobei ein Ende des Wellenrohrs mit mindestens einem Exzenterabschnitt versehen ist und ein jeweiliger Exzenterabschnitt relativ zum Wellenrohr versetzt angeordnet ist und in den Zahnradmechanismus eingeführt und mit den Planetenrädern gekoppelt ist; eine Elektroantriebseinrichtung, die einen drehbaren Rotor umfasst und fest mit einem Teil des Wellenrohrs der Exzenterwelle verbunden ist; eine Kurbelwelle, die durch den axialen Innenraum der Exzenterwelle hindurchgeführt und über ein lagerndes Rollelement mit dem Exzenterabschnitt der Exzenterwelle gekoppelt ist; einen Spalt, der zwischen der Innenwandfläche des Wellenrohrs der Exzenterwelle und der Außenfläche der Kurbelwelle vorgesehen ist und in dem keine anderen Elemente untergebracht sind; eine Kettenrad-Abtriebswelle, die über eine erste Kupplung mit dem Zahnradmechanismus und über eine zweite Kupplung mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei die Kettenrad-Abtriebswelle mit der Kettenblattgarnitur kombiniert ist; und einen Drehmomentdetektor, der eine speziell geformte Lagerhalterung umfasst und über ein Lager mit der Kettenrad-Abtriebswelle gekoppelt ist, wobei die speziell geformte Lagerhalterung am Gehäuse befestigt ist; wobei der Rotor die Exzenterwelle und die Planetenräder zur Drehung antreibt und die Planetenräder im Zahnkranz eine exzentrische Umlaufbewegung ausführen, wodurch die beiden Planetenträger zur Drehung angetrieben werden, wobei die Antriebskraft über die erste Kupplung auf die Kettenrad-Abtriebswelle übertragen wird, die Drehung der Kurbelwelle über die zweite Kupplung auf die Kettenrad-Abtriebswelle übertragen wird und der Drehmomentdetektor zur Erfassung des Drehmoments der Kettenrad-Abtriebswelle dient.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung im kombinierten Zustand;
- 2 zeigt eine Ansicht des Aussehens der Exzenterwelle des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 zeigt eine Explosionsansicht des Zahnradmechanismus des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 4 zeigt eine schematische Ansicht der Exzenterwelle und der Planetenräder des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung im kombinierten Zustand;
- 5 zeigt eine schematische Ansicht der Planetenräder und des Zahnkranzes des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung im Eingriffszustand.
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Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Es wird auf 1 Bezug genommen. Der im Ausführungsbeispiel gezeigte Mittelmotor 100 kann für Elektrofahrräder verwendet werden. Der Mittelmotor 100 umfasst ein aus einem ersten Gehäuseteil 111 und einem mit ihm verbundenen zweiten Gehäuseteil 112 bestehendes Gehäuse 110; eine im Gehäuse 110 untergebrachte Elektroantriebseinrichtung 120; einen im Gehäuse 110 untergebrachten Zahnradmechanismus 130, eine im Gehäuse 110 untergebrachte und mit der Elektroantriebseinrichtung 120 und dem Zahnradmechanismus 130 gekoppelte Exzenterwelle 140 und eine im Gehäuse 110 untergebrachte und durch den axialen Innenraum der Exzenterwelle 140 hindurchgeführte Kurbelwelle 150. Der Mittelmotor 100 umfasst ferner eine Kettenrad-Abtriebswelle 160, die über eine erste Kupplung 171 mit dem Zahnradmechanismus 130 und über eine zweite Kupplung 172 mit der Kurbelwelle 150 gekoppelt ist, und eine im Gehäuse 110 fest verbundene speziell geformte Lagerhalterung 180, wobei die Kettenrad-Abtriebswelle 160 durch die axiale Mitte der speziell geformten Lagerhalterung 180 durchgeführt ist, die Kettenrad-Abtriebswelle 160 mit einem Kettenrad 210 gekoppelt ist und die beiden Enden der Kurbelwelle 150 jeweils mit einer Kurbel 220 verbunden sind.
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Ferner ist die speziell geformte Lagerhalterung 180 mit einem lagernden Rollelement 181 wie einem Lager versehen, das mit der Kettenrad-Abtriebswelle 160 gekoppelt ist. Die speziell geformte Lagerhalterung 180 kann ein Scheibenelement sein und an ihrer Oberfläche kann ein Dehnungsmessstreifen 180a angebracht werden. Dementsprechend kann die gesamte Halterung als Drehmomentdetektor verwendet werden, um das Drehmoment der Kettenrad-Abtriebswelle 160 zu erfassen und somit die Funktion der Erfassung des Drehmoments an der Kettenrad-Abtriebswelle 160 zu gewährleisten. Darüber hinaus ist ein Geschwindigkeitsdetektor 190 mit der Kurbelwelle 150 gekoppelt, der mit der Elektroantriebseinrichtung 120 korrespondiert. Der Geschwindigkeitsdetektor 190 umfasst unter anderem einen Erfassungspunkt und eine aus mehreren Magneten bestehende Scheibe, wobei sich die Scheibe zusammen mit der Kurbelwelle 150 dreht und, wenn die Magneten den Erfassungspunkt passieren, ein Signal an die Steuerung gesendet wird, was der Übertragung eines Echtzeit-Trittfrequenzsignals entspricht, wobei die Trittfrequenz als Grundlage für die Ermittlung der Bewegungsbedingungen verwendet wird.
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Im Ausführungsbeispiel sind die erste Kupplung 171 und die zweite Kupplung 172 unidirektionale Elemente, zu denen unter anderem Überholkupplungen oder Sperrklinkenkupplungen gehören können, wobei bei einer Überholkupplung die selbstkuppelnde Funktion durch die Geschwindigkeitsänderung oder Drehrichtungsänderung des Antriebsteils und des Abtriebsteils erzielt wird. Darüber hinaus können in Bezug auf die Konfiguration lagernde Rollelemente 182, 183, 184, 185, 186, 187 wie Lager in geeigneter Form und Anzahl an den vorgegebenen Positionen aller Elemente angeordnet werden, um sie somit mit den entsprechenden Elementen zu koppeln. Beispielsweise sind die lagernden Rollelemente 182 bis 184 zwischen der Exzenterwelle 140 und dem Zahnradmechanismus 130 angeordnet, wobei das lagernde Rollelement 185 zwischen der Exzenterwelle 140 und der Kurbelwelle 150, das lagernde Rollelement 186 zwischen dem Zahnradmechanismus 130 und der Kettenrad-Abtriebswelle 160 und das lagernde Rollelement 187 zwischen der Kettenrad-Abtriebswelle 160 und der Kurbelwelle 150 angeordnet ist.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine Ansicht des Aussehens der Exzenterwelle 140 gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt. Der axiale Innenraum der Exzenterwelle 140 ist ein durch die Struktur verlaufender Durchgang. Ferner umfasst die Exzenterwelle 140 ein Wellenrohr 141 mit einer vorgegebenen Länge, wobei ein erster Exzenterabschnitt 142 und ein zweiter Exzenterabschnitt 143 an einem Ende des Wellenrohrs 141 ausgebildet oder damit verbunden sind und der erste Exzenterabschnitt 142 und der zweite Exzenterabschnitt 143 aneinander angrenzen und zueinander versetzt angeordnet sind. Darüber hinaus sind sowohl der erste Exzenterabschnitt 142 als auch der zweite Exzenterabschnitt 143 relativ zum Wellenrohr 141 exzentrisch angeordnet. Darüber hinaus sind der erste Exzenterabschnitt 142 und der zweite Exzenterabschnitt 143 zylindrisch und haben Außendurchmesser, die größer als der Außendurchmesser des Wellenrohrs 141 sind.
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Es wird erneut auf 1 Bezug genommen. Die Elektroantriebseinrichtung 120 umfasst einen Stator 121 und einen Rotor 122, wobei der Stator 121 im Gehäuse 110 befestigt ist, sich der Rotor 122 in der Mitte des Stators 121 befindet und, nachdem die Elektroantriebseinrichtung 120 eingeschaltet wurde, der Rotor 122 angetrieben werden kann, um sich relativ zum Stator 121 zu drehen. Ferner ist ein Teil des Wellenrohrs 141 der Exzenterwelle 140 in den Rotor 122 eingeführt, wobei das Wellenrohr 141 in geeigneter Weise fest mit dem Rotor 122 verbunden ist, wodurch der Rotor 122 die Exzenterwelle 140 in Drehung versetzen kann. Ferner ist die Kurbelwelle 150 durch den axialen Innenraum der Exzenterwelle 140 hindurchgeführt, wobei ein Spalt 200 zwischen der Kurbelwelle 150 und der axialen Innenwand der Exzenterwelle 140, insbesondere zwischen der Außenfläche der Kurbelwelle 150 und der Innenwand des Wellenrohrs 141, besteht und keine weiteren Elemente im Spalt 200 untergebracht sind.
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Es wird auf 3 Bezug genommen, die eine Explosionsansicht des Zahnradmechanismus 130 gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt. Der Zahnradmechanismus 130 umfasst einen Zahnkranz 131, ein erstes Planetenrad 132, ein zweites Planetenrad 133, einen ersten Planetenträger 134 und einen zweiten Planetenträger 135, die mit einem Rollelement 138 verbunden sind, wobei die Innenumfangsfläche des Zahnkranzes 131 mit einer Innenverzahnung 131a versehen ist, die Außenumfangsfläche des ersten Planetenrads 132 mit einer Außenverzahnung 132a versehen ist, die Außenumfangsfläche des zweiten Planetenrads 133 mit einer Außenverzahnung 133a versehen ist und das erste Planetenrad 132 und das zweite Planetenrad 133 sich gegenüberliegen und im Zahnkranz 131 untergebracht sind und jeweils durch die Außenverzahnung 132a, 133a mit der Innenverzahnung 131a in Eingriff stehen. Darüber hinaus ist ein Distanzring 139 zwischen den beiden gegenüberliegenden Planetenrädern 132, 133 angeordnet, wodurch eine gegenseitige Störung im Betrieb der beiden Planetenräder 132, 133 vermieden wird. Es ist erwähnenswert, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung 131a größer als die Anzahl der Zähne der Außenverzahnung 132a, 133a ist, damit sich die Anzahl der Zähne zwischen ihnen nicht zu stark unterscheidet.
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Ferner sind das erste Planetenrad 132 und das zweite Planetenrad 133 jeweils mit mehreren Durchgangsbohrungen 132b, 133b versehen, wobei mehrere Hülsen 136a und mehrere mit ihnen kombinierte Wellenbuchsen 136b in den entsprechenden Durchgangsbohrungen 132b, 133b aufgenommen sind und die Wellenbuchsen 136b in den entsprechenden Wellenbuchsen 136a aufgenommen sind. Der erste Planetenträger 134 dient zur Anordnung auf einer Seite (der Außenseite) des ersten Planetenrads 132 und der zweite Planetenträger 135 dient zur Anordnung auf einer Seite (der Außenseite) des zweiten Planetenrads 133, wobei mehrere Verriegelungselemente 137 jeweils durch den ersten Planetenträger 134, nämlich durch die Hülsen 136a und die mit ihnen kombinierten Wellenbuchsen 136b, hindurchgeführt und mit dem zweiten Planetenträger 135 verriegelt sind. Auf diese Weise werden die beiden Planetenträger 134, 135 und die beiden Planetenräder 132, 133 mittels der entsprechenden Verriegelungselemente 137 einstückig miteinander kombiniert. Ferner ist der Außendurchmesser einer jeweiligen Hülse 136a kleiner als der Innendurchmesser einer entsprechenden Durchgangsbohrung 132b, 133b. Gemäß der Beschreibung der Kombination der obigen Elemente können die beiden Endflächen einer jeweiligen Wellenbuchse 136b jeweils mit dem Planetenträger 134, 135 in Kontakt stehen, wodurch die Vorspannung eines jeweiligen auf dem Planetenträger 134, 135 befindlichen Rollelements (Lager) 138 eingestellt wird. Ferner liegt eine lockere Passung zwischen einer jeweiligen Wellenbuchse 136b und dem entsprechenden Verriegelungselement 137 vor.
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Es wird auf 4 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht gemäß dem Ausführungsbeispiel, in der die Exzenterwelle 140 mit dem ersten Planetenrad 132 und dem zweiten Planetenrad 133 gekoppelt ist, zeigt. Das erste Planetenrad 132 ist am ersten Exzenterabschnitt 142 und das zweite Planetenrad 133 am zweiten Exzenterabschnitt 143 angebracht. Da der erste Exzenterabschnitt 142 und der zweite Exzenterabschnitt 143 zueinander versetzt sind, sind das erste Planetenrad 132 und das zweite Planetenrad 133 relativ zum Wellenrohr 141 exzentrisch.
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Es wird auf 5 Bezug genommen. Gemäß der Beschreibung des obigen Ausführungsbeispiels sind das erste Planetenrad 132 und das zweite Planetenrad 133 zueinander versetzt, daher weisen die Eingriffspositionen des ersten Planetenrads 132 und des zweiten Planetenrads 133, die jeweils mit dem Zahnkranz 131 in Eingriff stehen, eine Phasendifferenz auf. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Planetenrädern 132, 133, die jeweils mit dem Zahnkranz 131 in Eingriff stehen, beträgt vorzugsweise 180°. Ferner kann die Zahnform der Innenverzahnungsstruktur des Zahnkranzes 131 eine Evolventenzahnform oder eine Zykloidenzahnform und die Zahnform der Außenverzahnungsstruktur eines jeweiligen Planetenrads 132, 133 eine Evolventenzahnform oder eine Zykloidenzahnform sein. Wenn die Planetenräder 132, 133 gedreht werden, stehen die Hülsen 136a und die entsprechenden Durchgangsbohrungen 132b, 133b in Rollkontakt miteinander. Ferner sind die Hülsen 136a und die entsprechenden Durchgangsbohrungen 132b, 133b zur Bildung einer Drehpassung relativ zueinander drehbar.
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Es wird erneut auf 1 Bezug genommen. Die Elektroantriebseinrichtung 120 stellt ein Drehmoment bereit, wodurch der Rotor 122 die Exzenterwelle 140 zur Drehung antreibt. Da ein Spalt 200 zwischen dem axialen Innenraum der Exzenterwelle 140 und der Kurbelwelle 150 besteht und die Exzenterwelle mit dem lagernden Rollelement 185 gekoppelt ist, wird die Betätigungskraft der Elektroantriebseinrichtung 120 nicht auf die Kurbelwelle 150 übertragen. Ferner treiben die beiden Exzenterabschnitte 142, 143 der Exzenterwelle 140 jeweils die beiden Planetenräder 132, 133 so an, dass sie im Zahnkranz 131 eine exzentrische Umlaufbewegung ausführen, wodurch der erste Planetenträger 134 und der zweite Planetenträger 135 angetrieben werden, wobei das Betätigungsdrehmoment des zweiten Planetenträgers 135 über die erste Kupplung 171 auf die Kettenrad-Abtriebswelle 160 übertragen wird.
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Die Kurbelwelle 150 wird durch die auf die Kurbel aufgebrachte Tretkraft gedreht. Da ein Spalt 200 zwischen dem axialen Innenraum der Exzenterwelle 140 und der Kurbelwelle 150 besteht und die Exzenterwelle mit dem lagernden Rollelement 185 gekoppelt ist, wird die Betätigungskraft der Kurbelwelle 150 nicht auf die Exzenterwelle 140 übertragen. Ferner wird die von der Kurbelwelle 150 aufgenommene Tretkraft über die zweite Kupplung 172 auf die Kettenrad-Abtriebswelle 160 übertragen.
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In der strukturellen Konfiguration des vorliegenden Ausführungsbeispiels tragen bei der Kettenrad-Abtriebswelle 160 die erste Kupplung 171 und die zweite Kupplung 172 das Ausgangsdrehmoment der Elektroantriebseinrichtung 120 und der Kurbelwelle 150 allein oder gemeinsam. Ferner kann im Zahnradmechanismus 30 allein durch die Verwendung eines einzigen Planetenrads 132 oder 133 schon die gewünschte Antriebswirkung erzielt werden. Wird aber eine Struktur verwendet, bei der die Phasendifferenz zwischen den beiden Planetenrädern 132, 133 und dem mit den beiden in Eingriff stehenden Zahnkranz 131180° beträgt, sorgt dies bei den beiden Planetenrädern 132, 133 für ein stabileres Umlaufen und bei den Planetenträgern 134, 135, die jeweils durch die beiden Planetenräder 132, 133 angetrieben werden, für eine stabilere Drehung. Darüber hinaus befinden sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel die beiden Planetenträger 134, 135 auf gegenüberliegenden Seiten des Zahnradmechanismus 130. Diese Konfiguration sorgt nicht nur dafür, dass der gesamte Zahnradmechanismus 130 eine hohe strukturelle Steifigkeit aufweist, sondern sorgt außerdem für den Effekt eines ausgewogeneren und stabileren Betriebs, wenn der Zahnradmechanismus 130 in Betrieb ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kurbelwelle 150 durch den axialen Innenraum der Exzenterwelle 140 hindurchgeführt, wobei ein Spalt 200 zwischen dem axialen Innenraum der Exzenterwelle 140 und der Kurbelwelle 150 besteht, sodass die die Tretkraft aufnehmende Kurbelwelle 150 und die die elektrische Antriebskraft aufnehmende Exzenterwelle 140 eine koaxiale kombinierte Struktur bilden und somit der Effekt einer Straffung der Struktur und einer Reduzierung des Volumens erzielt und die Anzahl der lagernden Rollelemente reduziert werden kann, um die Rotationsstörung zwischen dem Elektroantrieb und dem Pedalantrieb zu verringern. Darüber hinaus sind die speziell geformte Lagerhalterung 180 und der Geschwindigkeitsdetektor 190 im Gehäuse 110 untergebracht und mit der Kettenrad-Abtriebswelle 160 und der Kurbelwelle 150 gekoppelt, sodass der Mittelmotor 100 insgesamt kleiner dimensioniert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Mittelmotor
- 110
- Gehäuse
- 111
- erstes Gehäuseteil
- 112
- zweites Gehäuseteil
- 120
- Elektroantriebseinrichtung
- 121
- Stator
- 122
- Rotor
- 130
- Zahnradmechanismus
- 131
- Zahnkranz
- 131a
- Innenverzahnung
- 132
- erstes Planetenrad
- 132a
- Außenverzahnung
- 132b
- Durchgangsbohrung
- 133
- zweites Planetenrad
- 133a
- Außenverzahnung
- 133b
- Durchgangsbohrung
- 134
- erster Planetenträger
- 135
- zweiter Planetenträger
- 136a
- Hülse
- 136b
- Wellenbuchse
- 137
- Verriegelungselement
- 138
- Rollelement
- 139
- Distanzring
- 140
- Exzenterwelle
- 141
- Wellenrohr
- 142
- erster Exzenterabschnitt
- 143
- zweiter Exzenterabschnitt
- 150
- Kurbelwelle
- 160
- Kettenrad-Abtriebswelle
- 171
- erste Kupplung
- 172
- zweite Kupplung
- 180
- speziell geformte Lagerhalterung
- 180a
- Dehnungsmessstreifen
- 181, 182, 183, 184, 185, 186, 187
- lagerndes Rollelement
- 190
- Geschwindigkeitsdetektor
- 200
- Spalt
- 210
- Kettenrad
