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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungs-Getriebe-Einheit
für ein
Kraftfahrzeug mit einem Getriebe mit veränderbarem Übersetzungsverhältnis, einer
Kupplung und einer Steuerschaltung zum Einstellen des Getriebes
auf ein mittels des Schalthebels spezifiziertes Übersetzungsverhältnis. Schaltungs-Getriebe-Einheiten
dieser Art, allgemein mit dem Schlagwort „Shift-by-Wire” bezeichnet,
unterdrücken
die Übertragung
von mechanischen Schwingungen aus dem Motorraum in die Fahrgastzelle,
die bei einer herkömmlichen
mechanischen Verbindung zwischen Schalthebel und Getriebe schwierig
zu vermeiden ist, und sie vereinfachen das Schalten, indem sie den
Fahrer vor störenden
Effekten, wie etwa einem temperatur- oder geschwindigkeitsabhängigen Schaltwiderstand
des Getriebes abschirmen.
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Es
sind Shift-by-Wire-Einheiten bekannt, die sowohl automatische als
auch manuelle Gangwahl unterstützen.
Derartige Shift-by-Wire-Einheiten verwenden Tipptasten oder einen
mit einem einzigen Freiheitsgrad beweglichen Hebel, um zwischen
manuellem und automatischem Betriebsmodus umzuschalten und um im
manuellen Betriebsmodus einen Gang zu wählen. Dabei bewirkt eine Betätigung einer Tipptaste
oder ein einmaliges Auslenken des Hebels aus seiner Ruhestellung
ein Heraufschalten um einen Gang, und das Betätigen einer zweiten Taste oder
das Auslenken des Hebels in entgegengesetzter Richtung das Herunterschalten
um einen Gang. Da den Tasten ihre Betätigung nicht anzusehen ist, bzw.
der Hebel, wenn er losgelassen wird, unabhängig vom gewählten Gang
in die gleiche Ruhestellung zurückkehrt,
gewinnt der Fahrer aus der Art der Tasten- oder Schalterbewegung
bzw. der Stellung des Hebels keinerlei Aufschluss über den
gegenwärtig eingelegten
oder soeben neu ausgewählten
Gang. Um sein Fahrzeug korrekt zu steuern, muss der Fahrer daher
ständig über den
gegenwärtig
ausgewählten
Betriebsmodus über
den gegenwärtig
ausgewählten
Gang oder Betriebsmodus Bescheid wissen, oder es muss ein Anzeigeelement
vorgesehen werden, auf dem der Fahrer den jeweils eingelegten Gang
bzw. den aktiven Betriebsmodus ablesen kann. Hierfür muss der
Fahrer jedoch den umgebenden Verkehr aus den Augen lassen, was nicht
zweckmäßig ist.
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Außerdem bieten
die herkömmlichen Shift-by-Wire-Einheiten dem
Fahrer keine Möglichkeit,
den Ablauf eines Schaltvorgangs zu beeinflussen. Sobald ein neuer
Gang durch Betätigen
der Taste oder Schwenken des Hebels gewählt ist, laufen die Schaltbewegungen
im Inneren des Getriebes vollautomatisch ab, und der Fahrer bekommt
weder eine Rückmeldung über den
Ablauf des Schaltvorgangs noch hat er die Möglichkeit, diesen in einer über die Wahl
des Zielgangs hinausgehenden Weise zu beeinflussen. Dies ist ein
Grund dafür,
weswegen viele Fahrer, die seit langem den Umgang mit einem manuellen
Schaltgetriebe gewohnt sind, ein Fahrzeug mit einem automatisierten
Schaltgetriebe mit Shift-by-Wire-Steuerung ablehnen.
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Dies
wiederum zwingt einen Hersteller, der ein Fahrzeugmodell sowohl
mit manuellem Schaltgetriebe als auch mit Automatikgetriebe auf
den Markt bringen will, zwei grundverschiedene Getriebetypen zu
entwickeln, was zu erhöhten
Kosten führt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, eine Schaltungs-Getriebeeinheit
für ein
Kraftfahrzeug anzugeben, die die Erwartungen sowohl der Fahrer von manuell
geschalteten Fahrzeugen als auch derer von Automatikfahrzeugen zu
erfüllen
vermag und die die Verwendung eines einheitlichen Getriebetyps sowohl bei
manuell geschalteten als auch bei Automatikfahrzeugen ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst,
indem bei einer Schaltungs-Getriebe-Einheit für ein Kraftfahrzeug mit einem
Getriebe mit veränderbaren Übersetzungsverhältnis, einer
Kupplung, einem zwischen mehreren Stellungen bewegbaren Schalthebel
und einer Steuerschaltung zum Einstellen des Getriebes auf ein mittels
des Schalthebels spezifiziertes Übersetzungsverhältnis mit
Hilfe von Aktoren jedem mittels des Schalthebels spezifizierbaren Übersetzungsverhältnis eine
der Stellungen zugeordnet ist und die Steuerschaltung zwischen einem
manuellen Betriebsmodus, in welchem sie in dem Getriebe jeweils
dasjenige Übersetzungsverhältnis einstellt,
das durch Platzieren des Schalthebels in einer der Stellungen spezifiziert
ist, und einem automatischen Betriebsmodus umschaltbar ist, in dem
die Steuerschaltung das Übersetzungsverhältnis parameterabhängig festlegt. Die
Getriebeeinheit ist somit sowohl brauchbar für den Automatikbetrieb als
auch für
einen manuellen Schaltbetrieb, bei dem sich der jeweils eingelegte Gang
in der Stellung des Schalthebels widerspiegelt und somit für den Fahrer
im Bedarfsfall nicht nur sichtbar, sondern auch ertastbar ist, und
bei dem der Fahrer durch die Geschwindigkeit, mit der er den Schalthebel
führt,
die Möglichkeit
hat, der Steuerschaltung über
die reine Auswahl des Zielgangs hinaus weitere Informationen über den
gewünschten Ablauf
des Schaltvorgangs zukommen zu lassen.
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Der
Schalthebel (1) kann insbesondere entlang einer Wählgasse
und mehrerer von der Wählgasse
abzweigender Schaltgassen bewegbar sein, wobei jede der Stellungen
der Platzierung des Schalthebels in einer Zielregion einer der Schaltgassen
entspricht.
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Im
automatischen Betriebsmodus besteht normalerweise für den Fahrer
keine Notwendigkeit, den Schalthebel zu betätigen. Die Steuerschaltung kann
daher zweckmäßigerweise
eingerichtet sein, im automatischen Betriebsmodus die Stellung des Schalthebels
zu überwachen
und auf eine Bewegung des Schalthebels mit einem Übergang
in den manuellen Betriebsmodus zu reagieren. So ist sichergestellt,
dass in einer Notfallsituation, in der der Fahrer schnell reagieren
muss und reflexmäßig eine
Schaltbewegung durchführt,
die Schaltbewegung auch dann korrekt entsprechend dem Willen des
Fahrers ausgeführt
werden kann, wenn sich die Schaltungs-Getriebe-Einheit zuvor im
automatischen Betriebsmodus befindet.
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Zweckmäßig ist
auch, wenn die Steuerschaltung bei einem Übergang vom automatischen in
den manuellen Betriebsmodus eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses
erst dann vornimmt, wenn der Schalthebel nach dem Übergang
in den manuellen Betriebsmodus zum ersten Mal in eine Zielregion
eintritt. Dadurch wird erreicht, dass die Einheit zu jeder Zeit
vom manuellen in den automatischen Betriebsmodus umgeschaltet werden
kann, ungeachtet der momentanen Stellung des Schalthebels, da bei
der Rückkehr
in den manuellen Betriebsmodus die Stellung des Schalthebels zum
Zeitpunkt der Rückkehr
unberücksichtigt
bleibt. Das heißt,
der Schalthebel kann sich in der Schaltgasse eines Gangs befinden,
der der aktuellen Fahrsituation völlig unangemessen ist; es wird
nicht dieser Gang eingelegt, sondern erst der nächste vom Fahrer bewusst ausgewählte.
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Die
Zielregion, deren Erreichen den Schaltvorgang auslöst, kann
die gesamte einem Gang zugeordnete Schaltgasse oder auch nur ein
Teil von dieser sein.
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Ein
Bedienelement zum Umschalten der Steuerschaltung in den automatischen
Betriebsmodus ist vorzugsweise vom Schalthebel selbst verschieden
und in jeder Stellung des Schalthebels betätigbar. Ein solches funktionsmäßig vom
Schalthebel unabhängiges
Bedienelement kann insbesondere an dem Schalthebel selbst oder an
einem Armaturenbrett des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
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Alternativ
ist es aber auch möglich,
eine Stellung des Schalthebels dem automatischen Betriebsmodus zuzuordnen
und vorzusehen, dass die Steuerschaltung immer dann den automatischen
Betriebsmodus einnimmt, wenn sich der Schalthebel in der diesem
Modus zugeordneten Stellung befindet.
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Diese
Stellung kann in einer speziell dem automatischen Betriebsmodus
zugeordneten Schaltgasse liegen; es kann aber auch ein Bewegungsfreiheitsgrad
des Schalthebels der Umschaltung zwischen dem automatischen und
dem manuellen Betriebsmodus der Steuerschaltung vorbehalten sein.
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Die
Erfindung ist auf beliebige Getriebetypen anwendbar, sowohl auf
ein Stufengetriebe wie insbesondere ein Schaltmuffen- oder Schaltklauengetriebe
mit Einfach- oder
Doppelkupplung oder ein Planetengetriebe, als auch auf ein stufenloses
Getriebe.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungs-Getriebe-Einheit;
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2 eine
schematische Ansicht des Schalthebels der Schaltungs-Getriebe-Einheit
gemäß einer
zweiten Ausgestaltung; und
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3 eine
Ansicht des Schalthebels gemäß einer
dritten Ausgestaltung.
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In
der schematischen Darstellung der 1 ist ein
Handschalthebel in der Fahrgastzelle eines Fahrzeugs mit 1,
eine den Handschalthebel 1 führende Schaltkulisse mit 2 und
ein Gelenk, an welchem der Handschalthebel 1 mit zwei Freiheitsgraden drehbar
ist, mit 3 bezeichnet. Die Schaltkulisse 2 hat eine
Wählgasse 4,
die sich in einer Ebene erstreckt, die auf einer durch das Gelenk 3 verlaufenden
Welle 5 senkrecht steht. Von der Wählgasse 4 zweigen Schaltgassen 6 rechtwinklig
ab, deren jede einem von sechs Vorwärtsgängen bzw. einem Rückwärtsgang
eines Getriebes 7 zugeordnet ist. Die Welle 5 rotiert
mit der Bewegung des Handschalthebels 1 entlang der Schaltgasse 6,
und eine Drehstellung der Welle 5 wird von einem Winkelsensor 8 abgetastet. Ein
zweiter Sensor 9 dient zur Erfassung einer Drehbewegung
des Handschalthebels 1 um eine zur Welle 5 senkrechte
Achse, in eine der Schaltgassen 6 hinein bzw. aus ihr heraus.
Anstelle einer Drehung kann der zweite Freiheitsgrad des Handschalthebels 1 auch
eine Verschiebung – entlang
der Welle 5 oder gemeinsam mit dieser – in Richtung der Längsachse der
Welle 5 sein, die von dem Sensor 9 erfasst wird.
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Das
Getriebe 7 ist ein Getriebe mit veränderbarem Übersetzungsverhältnis von
im Wesentlichen beliebigen Typ. Es kommen sowohl herkömmlicherweise
im Wesentlichen in Verbindung mit manueller Schaltung eingesetzte
Getriebetypen wie Schaltklauen- oder Schaltmuffengetriebe mit oder
ohne Sperrsynchronisierung, Ziehkeilgetriebe, Schieberadgetriebe,
etc., als auch herkömmlicherweise
meist für automatische
Schaltungen verwendete Typen wie etwa Planetengetriebe in Betracht.
Auch stufenlos einstellbare Getriebe, zum Beispiel mit einem zwischen
zwei verstellbaren Kegelflächenpaaren
umlaufenden Riemen oder einer Kette, Toroid- oder Kegelringgetriebe,
kommen in Betracht.
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Eine
Steuerschaltung 10 ist mit den beiden Winkelsensoren 8, 9 einem
aktuell zum Öffnen
und Schließen
einer Kupplung 12 zwischen dem Getriebe 7 und
einem Motor 13, sowie mit Aktoren 14, 15 verbunden.
Diese dienen zum Antreiben einer Schalt- bzw. Wählbewegung, falls das Getriebe 7 ein
Stufengetriebe ist; im Falle eines stufenlosen Getriebes kann ein
einziger Aktor zum Verstellen des Übersetzungsverhältnisses
ausreichen.
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Die
Steuerschaltung 10 ist ausgelegt, um die Stellung des Schalthebels 1 fortlaufend
in seinen zwei Freiheitsgraden zu erfassen und die diesen Freiheitsgraden
zugeordneten Aktoren 14, 15 jeweils entsprechend
dem Fortschritt der Bewegung des Handschalthebels 1 zu
steuern. Die Geschwindigkeit, mit der ein Schaltvorgang abläuft, ist
daher nicht fest, sondern richtet sich nach der Geschwindigkeit, mit
der der Fahrer den Handschalthebel 1 führt.
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Um
dem Fahrer eine Rückmeldung über den Ablauf
des Schaltvorgangs zu liefern, kann an dem Handschalthebel 1 noch
ein (nicht dargestellter) von der Steuerschaltung 10 gesteuerter
Aktor, insbesondere eine Bremse, angeordnet sein, die der Bewegung
des Handschalthebels 1 einen Widerstand entgegensetzt,
der in jedem Freiheitsgrad dem Widerstand nachgebildet ist, den
die Schaltung 7 der Bewegung der Aktoren 14, 15 entgegensetzt.
So wird dem Fahrer der Eindruck vermittelt, dass er am Handschalthebel 1 den
Schaltwiderstand des Getriebes fühlt,
d. h. der haptische Eindruck, den der Handschalthebel 1 vermittelt,
ist demjenigen eines herkömmlichen
manuellen Schaltgetriebes genau nachgebildet. Für den Fahrer ergeben sich somit
praktisch keine fühlbaren
Unterschiede zwischen der erfindungsgemäßen Schaltung und einer herkömmlichen manuellen
Schaltung, abgesehen davon, dass störende Vibrationen des Getriebes,
die bei einem Handschaltgetriebe über die innere Schaltung bis
in die Fahrgastzelle übertragen
werden, in der erfindungsgemäßen Schaltungs-Getriebe-Einheit
abgefangen werden. Die Schaltungs-Getriebe-Einheit vermittelt somit
einem Fahrer, der ein manuelles Schaltgetriebe gewohnt ist, das
gleiche Fahrgefühl
wie letzteres, so dass er keine Veranlassung hat, ein solches Getriebe
abzulehnen.
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Als
eine mit dem herkömmlichen
manuellen Schaltgetriebe nicht realisierbare Funktion kommt jedoch
hinzu, dass bei der Steuerschaltung 10 ein automatischer
Betriebsmodus einstellbar ist, indem der Schalthebel 1 in
einer diesem Betriebsmodus vorbehaltenen Schaltgasse, mit 6' bezeichnet,
platziert wird. Wenn sich der Schalthebel 1 in dieser Schaltgasse 6' befindet, wählt die
Steuerschaltung 10 das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes 7 in an sich bekannter Weise automatisch anhand
der Motorlast bzw. anhand von Fahrzeugdrehzahl und -geschwindigkeit.
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Auf
diese Weise vereint die erfindungsgemäße Schaltungs-Getriebe-Einheit
die hohe Flexibilität und
das hohe Maß an
Fahrerautonomie, das mit einem manuellen Schaltgetriebe zusammenhängt, mit dem
Komfort und dem Wirkungsgrad eines Automatikgetriebes. Da die Notwendigkeit,
zwischen Getrieben für
Handschaltbetrieb und solchen für
Automatikbetrieb zu differenzieren, wegfällt, kann die Schaltungs-Getriebe-Einheit
in relativ großen
Serien preiswert gefertigt werden. Da kein Fahrer gezwungen ist, einen
Betriebsmodus zu wählen,
den er nicht will, erfüllt
die Schaltungs-Getriebe-Einheit der 1 sowohl
die Anforderungen eines Automatikfahrers als auch die eines Fahrers,
der manuellen Schaltbetrieb wünscht.
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Die
Steuerschaltung 10 kann ausgelegt sein, um bei jedem Start
des Fahrzeugs den Betriebsmodus wieder einzustellen, in dem es zuvor
ausgeschaltet wurde. Es kann aber auch wünschenswert sein, den Automatikmodus
als einen Default-Betriebsmodus für den Start vorzugeben. Da
eine automatische Gangwahl meist einen kraftstoffsparenderen Fahrbetrieb
ermöglicht
als manuelle Gangwahl, ist es zweckmäßig, den Automatikmodus immer
dann zu nutzen, wenn der Fahrer nicht ausdrücklich den manuellen Modus
auswählt.
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Falls
ein Fahrzeugkäufer
den Automatikmodus oder den manuellen Betriebsmodus ausdrücklich nicht
wünscht,
kann eine auf einen einzigen Betriebsmodus festgelegte Einheit auf
einfache Weise erhalten werden, indem an Stelle der Schaltkulisse 2 eine modifizierte
Schaltkulisse eingebaut wird, in der Schaltgassen der nicht gewünschten
Schaltzustände verschlossen
sind.
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Die
Steuerschaltung 10 ist ferner mit einem Kickdown-Schalter 11 am
Fahrpedal verbunden, der immer dann betätigt wird, wenn das Fahrpedal
bis zum Anschlag durchgetreten wird. Bei einem Fahrzeug mit automatischer
Gangwahl ist es bekannt, bei Betätigung
des Kickdown-Schalters
einen Gang herunterzuschalten, um eine höhere Beschleunigung zu ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Schaltungs-Getriebe-Einheit
ermöglicht
die Nutzung des Kickdown-Schalters 11 auch im manuellen
Modus: Einer ersten Variante zufolge reagiert die Steuerschaltung auf
die Betätigung
des Kickdown-Schalters 11 im manuellen Modus durch gleichzeitiges
Herunterschalten und Übergang
in den automatischen Modus. Einer zweiten Variante zufolge reagiert
die Steuerschaltung 10 durch Herunterschalten unter Beibehaltung
des manuellen Modus. Sobald die Betriebsparameter des Fahrzeugs
es zulassen, kehrt sie in den nächsthöheren Gang
zurück.
Betätigt
der Fahrer den Schalthebel 1, bevor ein Zurückschalten
möglich
ist, so bleibt dies ohne Folgen, wenn der am Schalthebel neu eingestellte
Gang der gegenwärtig
im Getriebe eingelegte ist; jeder andere Gang wird so wie am Schalthebel 1 eingestellt
auch im Getriebe eingelegt, soweit nicht eine Getriebeschutzfunktion
dies verhindert.
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Eine
solche in der Steuerschaltung 10 implementierte Getriebeschutzfunktion
kann ausgelegt sein, um bei jedem Gangwechsel im manuellen Modus
zu überprüfen, ob
der ausgewählte
Zielgang mit den aktuellen Betriebsparametern des Fahrzeugs vereinbar
ist, oder ob insbesondere der Gangwechsel zu einer zu hohen oder
zu niedrigen Drehzahl führen
würde.
Darüber
hinaus kann sie kontinuierlich, auch ohne Gangwechsel, die Motordrehzahl
darauf überprüfen, ob
sie sich in einem zulässigen
Werteintervall befindet. Ist die Drehzahl zu niedrig, so dass ein
Abwürgen
des Motors möglich
ist, dann veranlasst die Getriebeschutzfunktion ein Herunterschalten;
ist die Drehzahl so hoch, dass eine Schädigung des Getriebes möglich ist,
veranlasst sie ein Heraufschalten. Wie im Falle des Kickdown-Schalters 11 kann
die Intervention der Getriebeschutzfunktion dazu führen, dass
der manuelle Modus verlassen wird, oder der manuelle Modus kann
aufrecht erhalten bleiben und der der Schalthebelstellung entsprechende
Gang wird im Getriebe wieder eingelegt, sobald er mit den Betriebsparametern
des Fahrzeugs wieder kompatibel ist.
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2 zeigt
eine Ansicht einer alternativen Ausgestaltung der Schaltkulisse 2 und
des Schalthebels 1. Die Schaltkulisse 2 unterscheidet
sich hier nicht von derjenigen eines herkömmlichen Handschaltgetriebes;
Schaltgassen 6 sind lediglich für die Vorwärtsgänge und den Rückwärtsgang
vorhanden. Zum Umschalten zwischen manuellem und automatischem Betriebsmodus
ist ein (nicht dargestellter) Schalter im Handgriff des Schalthebels 1 oder
am Gelenk 3 untergebracht, der auf eine Drehung des Handgriffs
um die Längsachse
des Schalthebels anspricht. So ist es durch Drehen des Schalthebels 1 möglich, in
jeder beliebigen Hebelstellung zwischen automatischem und manuellem
Betriebsmodus hin und her zu schalten.
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Nach
einiger Zeit des Betriebs im automatischen Modus ist die Wahrscheinlichkeit
groß,
dass die Stellung des Schalthebels 1 mit dem aktuell eingelegten
Gang nicht mehr in Einklang steht. Ein einfaches Zurückschalten
in den manuellen Modus unter Beibehaltung der Stellung des Schalthebels 1 würde in einem
solchen Fall dazu führen,
dass die Steuerschaltung versucht, einen unangemessenen Gang einzulegen.
Um dieses Problem zu vermeiden, ist einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung zufolge vorgesehen, dass ein Zurückschalten in den manuellen
Betriebsmodus – vorzugsweise
durch erneutes Drehen des Griffs des Schalthebels – nicht unmittelbar
dazu führt, dass
der der aktuellen Schalthebelstellung entsprechende Gang eingelegt
wird, sondern dass die Steuerschaltung 10 einen Gangwechsel
erst dann vornimmt, wenn der Fahrer den Handschalthebel 1 aus
der aktuellen Schaltgasse 6 heraus und in eine andere Schaltgasse 6 einführt. Erst
zu diesem Zeitpunkt kann angenommen werden, dass der am Schalthebel 1 eingestellte
Gang vom Fahrer tatsächlich
gewünscht
und der aktuellen Fahrsituation angemessen ist.
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Einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung zufolge kann vorgesehen werden,
dass zum Zurückschalten
in den automatischen Betriebsmodus keine neuerliche Drehung des
Handgriffs erforderlich ist, sondern dass es genügt, wenn der Fahrer den Schalthebel 1 in
eine neue Schaltgasse 6 einführt. Auf diese Weise ist sichergestellt,
dass ein vom Fahrer gewünschter
Gang auch dann korrekt eingelegt wird, wenn sich das Fahrzeug zuvor
im automatischen Betriebsmodus befindet und der Fahrer, zum Beispiel
in einer Notfallsituation, vor dem Verstellen des Hebels 1 nicht
daran denkt, den automatischen Betriebsmodus aufzuheben.
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Selbstverständlich können auch
andere Freiheitsgrade des Schalthebels 1 als die Drehung
um seine Achse zum Umschalten des Betriebsmodus genutzt werden.
So ist es zum Beispiel möglich,
wie in 3 angedeutet, zum Umschalten in den automatischen
Betriebsmodus den Griff des Handschalthebels einzudrücken oder
herauszuziehen. Denkbar ist auch, eine Drehung des Griffs mit einer
axialen Verschiebung zu kombinieren, um ein versehentliches Umschalten
des Betriebsmodus auszuschließen.
Es ist auch möglich,
die Umschaltung der Betriebsmodi räumlich vom Handschalthebel 1 völlig zu trennen
und zum Beispiel eine Taste zum Aktivieren des automatischen Betriebsmodus
am Armaturenbrett des Fahrzeugs anzubringen.
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- 1
- Handschalthebel
- 2
- Schaltkulisse
- 3
- Gelenk
- 4
- Wählgasse
- 5
- Welle
- 6
- Schaltgasse
- 7
- Getriebe
- 8
- Winkelsensor
- 9
- Winkelsensor
- 10
- Steuerschaltung
- 11
- Kickdown-Schalter
- 12
- Kupplung
- 13
- Motor
- 14
- Aktor
- 15
- Aktor
- 16
- Griff