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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Fahrrad, mit eine Abtriebswelle, einem Schaltgetriebe, das mit einer Tretlagerkurbelwelle wirkverbindbar ist und das mit der Abtriebswelle wirkverbunden oder wirkverbindbar ist, und einer elektrischen Maschine, die mit der Abtriebswelle wirkverbunden oder wirkverbindbar ist.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Tretlager mit einem solchen Getriebe. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrrad mit dem Tretlager oder dem Getriebe.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Fahrrädern bekannt, bei denen neben einem Schaltgetriebe ein Elektromotor zum Einsatz kommt. Dabei sind unterschiedlichste Anordnungen des Schaltgetriebes und des Elektromotors bekannt. So sind Ausführungen bekannt, bei denen der Elektromotor im Tretlager und das Schaltgetriebe am Hinterrad angeordnet sind. Darüber hinaus sind Ausführungen bekannt, bei denen der E-Motor und das Schaltgetriebe im Tretlager angeordnet sind. In diesen Fällen ist bekannt, den Elektromotor dem Schaltgetriebe triebtechnisch vorzuschalten.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Getrieben besteht meist das Problem, dass das durch den Elektromotor eingeleitete Drehmoment eine Belastung auf die Bauteile des Schaltgetriebes ausübt. Dies führt dazu, dass sich die Lebensdauer der Bauteile des Schaltgetriebes beispielsweise aufgrund eines hohen Verschleißes der Bauteile verkürzt, was in einem hohen Wartungsaufwand des Getriebes resultiert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Getriebe anzugeben, das keinen hohen Wartungsaufwand aufweist.
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Die Aufgabe wird durch ein Getriebe der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektrische Maschine dem Schaltgetriebe triebtechnisch nachgeschaltet ist.
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Das erfindungsgemäße Getriebe weist den Vorteil auf, dass durch die triebtechnische Nachschaltung der elektrischen Maschine keine Belastung der Bauteile des Schaltgetriebes erfolgt. So wird das durch die elektrische Maschine bereitgestellte Drehmoment in die Abtriebswelle eingeleitet, ohne dass dieses die Bauteile des Schaltgetriebes belastet. Infolge der reduzierten Belastung der Bauteile des Schaltgetriebes reduziert sich der Verschleiß der Bauteile wodurch sich die Lebensdauer der Bauteile erhöht. Dies führt zu einer reduzierten Wartung des Getriebes.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Getriebes besteht darin, dass es ein Schaltgetriebe aufweist. Durch das Vorsehen des Schaltgetriebes ist keine Ketten- oder Nabenschaltung mehr notwendig. Darüber hinaus ist durch den nachfolgend näher beschriebenen einfachen Aufbau des Schaltgetriebes ein sehr schmaler Aufbau des Getriebes möglich, was allein deswegen vorteilhaft ist, weil der Platz in einem Tretlager begrenzt ist.
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Das Anordnen des Getriebes in dem Tretlager, anstelle beispielweise an einem Hinterrad, weist den Vorteil auf, dass ein zentraler Schwerpunkt des Fahrrads realisiert werden kann, was sich vorteilhaft auf den Fahrkomfort auswirkt. Darüber hinaus ist eine gute Lagerung der Getriebekomponenten möglich. Ein weiterer Vorteil der Anordnung des Getriebes im Tretlager besteht darin, dass die einzelnen Bauteile des Getriebes einfach miteinander verbunden werden können.
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Im Sinne der Erfindung wird als ein Schaltgetriebe ein Getriebe angesehen, mittels dem verschiedene Gänge mit unterschiedlichen Übersetzungen zwischen der nicht zum Getriebe gehörenden Tretlagerkurbelwelle, die einer Eingangswelle des Schaltgetriebes entspricht, und der Abtriebswelle realisiert werden können. Dabei kann das Schaltgetriebe wenigstens einen Radsatz, insbesondere genau zwei Radsätze, aufweisen. Denkbar sind auch mehr als zwei Radsätze.
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Unter einer Welle ist nicht ausschließlich ein beispielsweise zylindrisches, drehbar gelagertes Maschinenelement zur Übertragung von Drehmomenten zu verstehen, sondern vielmehr sind hierunter auch allgemeine Verbindungselemente zu verstehen, die einzelne Bauteile oder Elemente miteinander verbinden, insbesondere Verbindungselemente, die mehrere Elemente drehfest miteinander verbinden.
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Die elektrische Maschine besteht zumindest aus einem drehfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor und ist in einem motorischen Betrieb dazu eingerichtet, elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Drehzahl und Drehmoment zu wandeln, sowie in einem generatorischen Betrieb mechanische Energie in elektrische Energie in Form von Strom und Spannung zu wandeln.
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Bei einer besonderen Ausführung kann das Schaltgetriebe einen ersten Planetensatz und ein dem ersten Planetensatz zugeordnetes erstes Schaltelement aufweisen. Darüber hinaus kann das Schaltgetriebe einen zweiten Planetensatz und ein dem zweiten Planetensatz zugeordnetes zweites Schaltelement aufweisen. Die Planetensätze können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie dieselbe Standübersetzung aufweisen. Dabei kann in einem Kraftfluss zwischen der Tretlagerkurbelwelle und der Abtriebswelle, insbesondere bei einem Zugbetrieb des Fahrrads, der erste Planetensatz vor dem zweiten Planetensatz angeordnet sein. Außerdem kann das Schaltgetriebe eine erste und/oder eine zweite Welle aufweisen.
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Das Schaltgetriebe kann koaxial zu der Tretlagerkurbelwelle angeordnet sein. Darüber hinaus kann das Schaltgetriebe derart ausgebildet sein, dass eine Schaltung ohne Unterbrechung der Zugkraft erfolgen kann.
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Dabei kann die erste Welle mit dem ersten Planetensatz und dem zweiten Planetensatz wirkverbunden sein. Darüber hinaus kann die erste Welle mittels des ersten Schaltelements mit einem Getriebegehäuse drehfest verbindbar sein. Das Schaltgetriebe kann ein drittes Schaltelement aufweisen, wobei die erste Welle mittels des dritten Schaltelements mit der Abtriebswelle drehfest verbindbar ist.
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Das Getriebegehäuse kann einem Tretlagergehäuse entsprechen. Dies bedeutet, dass das Tretlagergehäuse und das Getriebegehäuse einstückig ausgebildet sein können. Alternativ kann das Getriebegehäuse ein von dem Tretlagergehäuse separates Gehäuse sein, das in einen Hohlraum des Tretlagergehäuses eingebracht werden kann.
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Die zweite Welle kann mit dem ersten Planetensatz und dem zweiten Planetensatz wirkverbunden sein. Dabei kann das Schaltgetriebe ein viertes Schaltelement aufweisen, wobei die zweite Welle mittels des vierten Schaltelements mit der Abtriebswelle drehfest verbindbar ist. Im Ergebnis wird ein einfach aufgebautes Schaltgetriebe realisiert, mittels dem eine vordefinierte Anzahl an Gängen mit festen Übersetzungsverhältnissen realisiert werden kann.
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Bei einer ganz besonderen Ausführung kann das Schaltgetriebe derart ausgeführt sein, dass der erste Planetensatz mit der Tretlagerkurbelwelle wirkverbindbar ist und mittels des dritten Schaltelements mit der Abtriebswelle wirkverbindbar ist. Der zweite Planetensatz kann mit dem ersten Planetensatz wirkverbunden werden und kann mittels des vierten Schaltelements mit der Abtriebswelle wirkverbindbar sein.
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Das erste und zweite Schaltelement können jeweils als ein Einzelschaltelement ausgebildet sein, wobei jedem Schaltelement jeweils ein Aktuator zugeordnet ist. Natürlich ist auch vorstellbar, dass das erste und zweite Schaltelement zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst sind. Als Doppelschaltelement wird eine Schalteinrichtung verstanden, bei der ein einziger Aktuator zwei Schaltelementen zugeordnet ist. Das dritte und vierte Schaltelement können als Einzelschaltelemente ausgeführt sein. Alternativ können das dritte und vierte Schaltelement zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst sein.
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Das erste und zweite Schaltelement können als Bremse ausgeführt sein. Dagegen können das dritte und vierte Schaltelement als Kupplung ausgeführt sein. Das Schaltgetriebe kann einen einzigen Aktuator aufweisen, der beispielsweise als Schaltwalze ausgeführt ist und eine Aktuierung wenigstens eines Schaltelements, insbesondere mehrerer Schaltelemente, bewirkt. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Getriebes besteht darin, dass eine Außenaktuierung der einzelnen Bestandteile des Schaltgetriebes möglich ist. Dadurch lässt sich die Aktuierung auf ganz besonders einfache Weise realisieren.
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Ein Steg des ersten Planetenradsatzes kann mit der Tretlagerkurbelwelle drehfest verbindbar sein und ein Hohlrad des ersten Planetenradsatzes kann mit der ersten Welle drehfest verbunden sein und ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes kann mit der zweiten Welle drehfest verbunden sein. Darüber hinaus kann ein Steg des zweiten Planetenradsatzes mit der ersten Welle drehfest verbunden sein und ein Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes kann mittels des zweiten Schaltelements mit dem Getriebegehäuse drehfest verbindbar sein und ein Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes kann mit der zweiten Welle drehfest verbunden sein.
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Das dritte und/oder vierte Schaltelement können einem Koppelabschnitt der elektrischen Maschine mit der Abtriebswelle triebtechnisch vorgeschaltet sein. Dies bedeutet, dass das dritte und/oder vierte Schaltelement derart angeordnet sind, dass die Kopplung der ersten Welle mittels des dritten Schaltelements mit der Abtriebswelle und/oder die Kopplung der zweiten Welle mittels des vierten Schaltelements mit der Abtriebswelle triebtechnisch vor der Kopplung der elektrischen Maschine mit der Abtriebswelle erfolgt. Im Ergebnis lässt sich ein besonders kompakt ausgebildetes Getriebe realisieren.
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Bei einer ganz besonderen Ausführung kann die elektrische Maschine mittels eines Übersetzungsgetriebes mit der Abtriebswelle wirkverbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine mittels wenigstens eines Zahnrads und/oder eines Riemens mit der Abtriebswelle wirkverbunden sein. Die Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes und/oder eines Zahnrads und/oder eines Riemens ermöglicht, dass eine elektrische Maschine, insbesondere ein Elektromotor, eingesetzt werden kann, die ein kleines Gewicht hat und hohe Drehzahlen bereitstellen kann.
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Die elektrische Maschine kann versetzt zu einer Mittelachse des Getriebes angeordnet sein. Insbesondere kann die elektrische Maschine derart versetzt sein, dass eine Mittelachse der elektrischen Maschine parallel zu einer Mittelachse der Tretlagerkurbelwelle verläuft. Dies bietet den Vorteil, dass die elektrische Maschine in einem Bereich des Getriebes angeordnet werden kann, bei dem keine weiteren Bauteile vorhanden sind. Daher kann der in einem Tretlager zur Verfügung stehende Bauraum gut ausgenutzt werden.
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Das Getriebe kann einen Drehmomentsensor aufweisen, der das an der Tretlagerkurbelwelle anliegende Drehmoment misst. Insbesondere kann der Drehmomentsensor derart angeordnet sein, dass mittels ihm das an den Steg des ersten Planetensatzes wirkende Drehmoment ermittelt werden kann.
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Das Getriebe kann einen Zugmittelträger aufweisen, der mit der Abtriebswelle drehfest verbunden ist. Der Zugmittelträger kann ein Ketten- oder Riemenrad sein. Eine mit dem Zugmittelträger wirkverbundene Kette oder ein mit dem Zugmittelträger wirkverbundener Riemen dienen zum Übertragen des Drehmoments von der Abtriebswelle auf beispielsweise das Hinterrad eines Fahrrads.
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Von besonderem Vorteil ist ein Tretlager mit der Tretlagerkurbelwelle, wobei das Schaltgetriebe mit der Tretlagerkurbelwelle wirkverbunden ist. Insbesondere ist der Steg des ersten Planetensatzes mit der Tretlagerkurbelwelle drehfest verbunden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist ein Tretlager, das ein Tretlagergehäuse aufweist, wobei das Getriebe in einem Hohlraum des Tretlagergehäuses angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass das Getriebe vollständig in dem Tretlagergehäuse angeordnet ist und somit ein kompaktes Tretlager bereitgestellt werden kann.
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Von ganz besonderem Vorteil ist ein Fahrrad mit dem Getriebe oder dem Tretlager.
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In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Getriebes,
- 2 eine Vorderansicht auf das erfindungsgemäße Getriebe,
- 3 eine Seitenschnittansicht durch das erfindungsgemäße Getriebe,
- 4 die Standübersetzungen eines ersten und eines zweiten Planetensatzes,
- 5 eine Schaltmatrix des erfindungsgemäßen Getriebes.
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Das in 1 dargestellte Getriebe weist eine Abtriebswelle 1 und ein Schaltgetriebe 2 auf, das mit einer Tretlagerkurbelwelle 3 wirkverbunden ist und mit der Abtriebswelle 1 drehfest verbunden ist. Darüber hinaus weist das Getriebe eine elektrische Maschine 5 auf, die mit der Abtriebswelle 1 wirkverbunden oder wirkverbindbar ist. Die elektrische Maschine ist dem Schaltgetriebe 2 triebtechnisch nachgeschaltet. Das Getriebe weist eine Spreizung von 4,24 auf.
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Das Schaltgetriebe 2 ist koaxial zu der Tretlagerkurbelwelle 3 angeordnet und weist einen ersten Planetensatz PS1 und einen zweiten Planetensatz PS2 auf. Darüber hinaus weist das Schaltgetriebe 2 ein erstes Schaltelement S1, ein zweites Schaltelement S2, ein drittes Schaltelement S3 und ein viertes Schaltelement S4 auf. Außerdem weist das Schaltgetriebe eine Schaltwalze 4 auf, die als Aktuator für die Schaltelement S1-S4 dient. Dabei können das erste und zweite Schaltelement S1, S2 jeweils als Bremse ausgeführt sein. Das dritte und vierte Schaltelement S3, S4 können jeweils als Kupplung ausgeführt sein.
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Ein Steg des ersten Planetensatzes PS1 ist mit der Tretlagerkurbelwelle 3 drehfest verbunden. Dabei ist ein Drehmomentsensor 15 vorhanden, der das an dem Steg des ersten Planetensatzes PS1 und/oder der ersten Tretlagerkurbelwelle 3 anliegende Drehmoment misst. Die Tretlagerkurbelwelle 3 weist an ihren beiden Enden jeweils eine Pedale 11 auf. Ein Hohlrad des ersten Planetenradsatzes PS1 ist mit einer ersten Welle 6 drehfest verbunden. Das Sonnenrad des ersten Planetensatzes PS1 ist mit einer zweiten Welle 7 drehfest verbunden.
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Ein Sonnenrad des zweiten Planetensatzes PS2 ist mit der zweiten Welle 7 drehfest verbunden. Ein Steg des zweiten Planetensatzes PS2 ist mit der ersten Welle 6 drehfest verbunden. Die erste Welle 6 ist mittels des ersten Schaltelements S1 mit einem Getriebegehäuse 9 drehfest verbindbar und mittels des dritten Schaltelements S3 mit der Abtriebswelle 1 drehfest verbindbar. Ein Hohlrad des zweiten Planetensatzes PS2 ist mittels des zweiten Schaltelements S2 mit dem Getriebegehäuse 9 drehfest verbindbar. Die zweite Welle 7 ist mittels des vierten Schaltelements S4 mit der Abtriebswelle 1 drehfest verbindbar. Die Abtriebswelle 1 ist an dem von dem Tretlagergehäuse 9 abgewandten Ende mit einem Zugmittelträger 10 drehfest verbunden.
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Die elektrische Maschine 5 ist versetzt zu einer Mittelachse M des Getriebes, insbesondere in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse M des Getriebes, angeordnet. Insbesondere ist die elektrische Maschine 5 parallel zur Mittelachse M angeordnet. Dabei ist die elektrische Maschine 5 mittels eines Riemens 13 mit der Abtriebswelle 1 wirkverbunden, wobei in der 1 der Riemen gestrichelt dargestellt ist.
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Die elektrische Maschine 5 und das Schaltgetriebe 2 sind innerhalb eines Hohlraums 8 des Tretlagergehäuses 16 angeordnet. Dabei erfolgt die Kopplung der elektrischen Maschine 5 mit der Abtriebswelle 1 innerhalb des Hohlraums 8.
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2 zeigt eine Vorderansicht auf das Getriebe. Aus 2 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 5 mittels eines Riemens 13 mit der Abtriebswelle 1 wirkverbunden ist. Darüber hinaus ist aus 2 ersichtlich, dass die Schaltwalze 4 nicht in einer Ebene angeordnet ist, die die Mittelachse der elektrischen Maschine 5 und des Getriebes aufweist. In 2 ist beispielhaft die Schaltwalze 4 in der Vorderansicht außerhalb des Riemens 13 angeordnet. Alternativ kann sie auch innerhalb des Riemens 13 angeordnet sein.
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3 zeigt eine Seitenschnittansicht des erfindungsgemäßen Getriebes. Das Tretlagergehäuse 16 ist an einer Seite durch einen Deckel 14 geschlossen. Beim Zusammenbau des Tretlagers wird das Getriebe zuerst in den Hohlraum 8 des Tretlagergehäuses 9 eingebracht und danach der Deckel 14 geschlossen.
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4 zeigt Werte für die Standübersetzung des ersten und zweiten Planetensatzes PS1, PS2. Wie aus 4 ersichtlich ist, weist sowohl der erste Planetensatz PS1 als auch der zweite PS2 eine Standübersetzung von -1,62 auf. Die Standübersetzung entspricht einem negativen Zähnezahlverhältnis von Hohlrad und Sonnenrad.
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5 zeigt die Schaltmatrix des erfindungsgemäßen Getriebes. Darüber hinaus zeigt die Schaltmatrix die Werte für die Übersetzung „i“ und die Gangsprünge „phi“ auf. Mit dem Buchstaben „x“ wird gekennzeichnet, dass das jeweilige Schaltelement geschlossen ist.
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Das Getriebe weist vier Gänge auf. Ein erster Gang lässt sich dadurch realisieren, dass das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 geschlossen sind, wobei die restlichen Schaltelemente geöffnet sind. Ein Umschalten von dem ersten Gang in den zweiten Gang erfolgt durch Öffnen des zweiten Schaltelements S2 und Schließen des vierten Schaltelements S4, wobei die restlichen Schaltelemente geöffnet sind. Der zweite Gang ist ein Direktgang, also ein Gang mit einer Übersetzung von 1. Ein Umschalten von dem zweiten in den dritten Gang erfolgt durch Öffnen des dritten Schaltelements S3 und Schließen des zweiten Schaltelements S1, wobei die restlichen Schaltelemente geöffnet sind. Ein Gangwechsel von dem dritten in den vierten Gang erfolgt durch Öffnen des zweiten Schaltelements S2 und Schließen des ersten Schaltelements S1, wobei die restlichen Schaltelemente geöffnet sind.
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Bezugszeichen
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- 1
- Abtriebswelle
- 2
- Radsatz
- 3
- Tretlagerkurbelwelle
- 4
- Schaltwalze
- 5
- elektrische Maschine
- 6
- erste Welle
- 7
- zweite Welle
- 8
- Hohlraum
- 9
- Tretlagergehäuse
- 10
- Zugmittelträger
- 11
- Pedale
- 12
- Koppelabschnitt
- 13
- Riemen
- 14
- Deckel
- 15
- Drehmomentsensor
- 16
- Tretlagergehäuse
- M
- Mittelachse
- S1
- erstes Schaltelement
- S2
- zweites Schaltelement
- S3
- drittes Schaltelement
- S4
- viertes Schaltelement
- PS1
- erster Planetensatz
- PS2
- zweiter Planetensatz
