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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Kraftfahrzeuggetriebe. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf ein Getriebe mit einem AOW-Ausgangsdrehmomentsensor (AOW – akustische Oberflächenwelle).
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STAND DER TECHNIK
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Viele Fahrzeuge werden über einen weiten Bereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten hinweg, sowohl bei der Vorwärts- als auch bei der Rückwärtsbewegung, verwendet. Einige Kraftmaschinenarten können jedoch nur innerhalb eines eng gefassten Bereichs von Drehzahlen effizient arbeiten. Folglich werden häufig Getriebe verwendet, die in der Lage sind, Leistung effizient bei den verschiedensten Drehzahlverhältnissen zu übertragen. Wenn das Fahrzeug eine niedrige Geschwindigkeit hat, wird das Getriebe gewöhnlich mit einem hohen Drehzahlverhältnis betrieben, so dass es das Kraftmaschinendrehmoment für eine verbesserte Beschleunigung verstärkt. Bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit ermöglicht ein Betrieb des Getriebes mit einem niedrigen Drehzahlverhältnis eine Kraftmaschinendrehzahl, die mit ruhigem und kraftstoffeffizientem Fahren einhergeht.
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Das Getriebedrehzahlverhältnis kann durch Einstellen des Drucks von verschiedenen Kupplungen zugeführtem Hydraulikfluid gesteuert werden. Während eines Schaltens zwischen Drehzahlverhältnissen kann eine Steuerung den Hydraulikdruck zu einer lastabgebenden Kupplung reduzieren und auf koordinierte Weise den Hydraulikdruck zu einer lastannehmenden Kupplung erhöhen. Wenn die Drücke nicht sorgfältig koordiniert werden, fühlt sich das Schalten für die Fahrzeuginsassen rau an. Mehrere Rauschfaktoren, wie zum Beispiel Umgebungsbedingungen, Komponentenverschleiß und die Variation von Teil zu Teil, beeinflussen die Reaktion des Getriebes auf Steuerungssignale. Um durchweg eine hervorragende Schaltqualität zu erreichen, kann sich die Steuerung unter Verwendung von einer oder mehr Messungen der Getriebereaktion als Rückkopplungssignale während eines Schaltens auf eine Regelung stützen. Eine Messung des Getriebeausgangsdrehmoments ist besonders nützlich.
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KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
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Ein Planetenradsatz enthält einen Träger, mehrere Planetenräder, ein Hohlrad, ein Sonnenrad und einen AOW-Sensor. Der Träger enthält eine mit einer vorderen Platte verschweißte hintere Platte. Die hintere Platte und die vordere Platte stützen mehrere Planetenwellen. Die Planetenräder werden zur Drehung um die Planetenwellen gestützt. Das Hohlrad und das Sonnenrad stehen jeweils mit jedem der Planetenräder in kontinuierlichem Kämmeingriff. Der AOW-Sensor ist zwischen zwei benachbarten Planetenwellen an der hinteren Platte auf einer der vorderen Platte entgegengesetzten Seite angebracht. An dieser Stelle ist das Belastungsniveau für eine genaue Detektion mit dem AOW-Sensor geeignet. Diese Eigenschaft wird weiter verbessert, wenn der Sensor radial innerhalb der Schweißverbindung der vorderen Platte mit der hinteren Platte angebracht ist. Der Planetenradsatz kann ferner einen ersten Signalring enthalten, der an der hinteren Platte angebracht ist und mit dem Sensor in elektrischer Verbindung steht. Der erste Signalring kann dazu konfiguriert sein, über einen Luftspalt mit einem zweiten Signalring zu kommunizieren, der an einem nichtdrehenden Glied, wie zum Beispiel einem Getriebekasten, fixiert ist. Aufgrund der stabilen Ausrichtung und axialen Position des Trägers weist der Luftspalt eine konstante Dicke auf, selbst wenn sich der Träger dreht und Drehmoment überträgt, wodurch die Zuverlässigkeit der Signalübertragung erhöht wird. Eine Ausgangswelle kann an der hinteren Platte fixiert sein, wobei der Sensor dann zur Bestimmung des Getriebeausgangsdrehmoments verwendet werden kann.
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Ein Getriebe enthält einen Planetenradsatz, einen AOW-Sensor und einen ersten und einen zweiten Signalring. Ein Träger des Planetenradsatzes wird zur Drehung bezüglich eines Getriebegehäuses gestützt. Der AOW-Sensor ist am Träger befestigt. Der Sensor kann zum Beispiel zwischen benachbarten Planetenrädern angebracht sein. Der erste Sensorring wird zur Drehung mit dem Träger gestützt. Er kann zum Beispiel direkt am Träger angebracht sein oder am Sensor angebracht sein. Der zweite Sensorring ist am Gehäuse fixiert. Die beiden Ringe definieren einen Luftspalt mit einer konstanten Dicke. Dies ist deshalb möglich, weil während des Getriebebetriebs die Drehachse des Trägers nicht variiert und die axiale Position des Trägers bezüglich des Gehäuses nicht variiert. Der zweite Signalring empfängt über den ersten Ring und den Luftspalt Signale vom Sensor. Eine Ausgangswelle kann fest an den Träger gekoppelt sein, wobei dann durch den Sensor detektierte Belastung zur genauen Schätzung des Getriebeausgangsdrehmoments verwendet werden kann. Eine Steuerung kann diese Signale zur Einstellung von Signalen zu einem Ventilkörper zwecks Steuerung des Getriebes verwenden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugantriebsstrangs.
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2 ist ein Querschnitt eines Planetenradsatzes mit einem AOW-Belastungssensor, der zur Messung von Drehmoment konfiguriert ist.
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3 ist eine bildliche Ansicht des Trägers des Planetenradsatzes von 2.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es werden hierin Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder minimiert sein, um Einzelheiten besonderer Komponenten darzustellen. Daher sollen hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art und Weise einzusetzen ist. Für einen Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale liefern repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Es könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
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1 veranschaulicht einen Fahrzeugantriebsstrang 10. Mechanische Leistungsflussverbindungen sind in durchgehenden fettgedruckten Linien angegeben, während der Hydraulikfluidfluss mit gepunkteten Linien angegeben ist. Elektrische Steuersignale sind durch fettgedruckte gestrichelte Linien angegeben. Eine Brennkraftmaschine 12 treibt eine Kurbelwelle 14 an, die Eingangsleistung zu dem Getriebe 16 liefert. Das Getriebe 16 passt die Drehzahl und das Drehmoment an und liefert die Leistung zu einem Differenzial 18. Das Differenzial 18 verteilt die Leistung auf das linke und das rechte Rad 20 und 22, und gestattet dabei leichte Drehzahldifferenzen, wenn das Fahrzeug eine Kurve fährt.
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Innerhalb des Getriebes 16 werden die Drehzahl und das Drehmoment von zwei Komponenten eingestellt, nämlich dem Drehmomentwandler 24 und dem Zahnradgetriebe 26. Der Drehmomentwandler 24 weist ein Pumpenrad und eine Turbine auf, die Leistung hydrodynamisch jedes Mal dann übertragen, wenn das Pumpenrad schneller dreht als die Turbine. Er kann auch einen Stator aufweisen, der das Drehmoment vervielfacht. Der Drehmomentwandler kann auch eine Überbrückungskupplung aufweisen, die, wenn sie eingerückt wird, Leistung mechanisch von dem Pumpenrad zu der Turbine ohne störende Verluste in Zusammenhang mit der hydrodynamischen Leistungsübertragung überträgt. Das Zahnradgetriebe 26 weist Verzahnungs- und Schaltelemente auf, die derart angeordnet sind, dass das Einrücken verschiedener Untergruppen von Kupplungen verschiedene Leistungsflusswege herstellt. Die verschiedenen Leistungsflusswege haben unterschiedliche Drehzahlverhältnisse.
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Der Ventilkörper 28 führt dem Drehmomentwandler 24 und den Zahnradgetriebe 26 Fluid bei gesteuerten Drücken zu, um die Drehmomentkapazität der Schaltelemente zu steuern. Der Ventilkörper liefert Fluid auch zu der hydrodynamischen Kammer des Drehmomentwandlers 24 und liefert Fluid zur Schmierung zu dem Zahnradgetriebe 26. Die Steuerung 30 sendet elektrische Signale an Solenoide im Ventilkörper 28, um die verschiedenen gesteuerten Drücke einzustellen. Die Steuerung 30 bestimmt basierend auf mehreren Eingangssignalen, welche Drücke anzusteuern sind. Diese Eingangssignale können Signale von der Kraftmaschine 12, dem Drehmomentwandler 24 und dem Zahnradgetriebe 26 enthalten. Die Eingangssignale können auch Signale von einem vom Fahrer betätigten Fahrpedal und einem Schalthebel (nicht gezeigt) enthalten.
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Unter diesen nützlichsten Signalen befindet sich eine Anzeige des Getriebeausgangsdrehmoments. Es sind mehrere Arten von Drehmomentsensoren bekannt. Die meisten Arten von Drehmomentsensoren funktionieren am besten, wenn sie an einem Abschnitt einer Welle platziert werden, durch die das Drehmoment, das von Interesse ist, übertragen wird. Ausgangsdrehmomentsensoren zum Beispiel sind im Allgemeinen auf der Ausgangswelle positioniert. Oftmals ist es erforderlich, irgendeinen Drehmomentsensor an einem Abschnitt der Welle anzubringen, der ausreichend lang ist und ausreichend von Komponenten, wie zum Beispiel Zahnrädern, die sich auf das Drehmoment auswirken, getrennt ist. Folglich kann es erforderlich sein, die Welle zu verlängern, um einen Drehmomentsensor hinzuzufügen, was zu einer Vergrößerung der Gesamtlänge des Getriebes führt. Obgleich eine zusätzliche Getriebelänge bei einigen Fahrzeuganwendungen möglicherweise nur wenige Probleme bereitet, ist sie bei anderen Fahrzeuganwendungen kritisch.
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Eine Technologie zur Messung von Wellendrehmoment ist ein AOW-Belastungssensor (AOW – akustische Oberflächenwelle). Die Belastung ist in bestimmten Getriebekomponenten proportional zu dem durch die Komponente übertragenen Drehmoment. Die Belastung an der Oberfläche einer langen Welle ist zum Beispiel proportional zu dem durch die Welle übertragenen Drehmoment. AOW-Sensoren sind zur Erfassung moderater Belastungsniveaus am genauesten. Die Belastung an der Oberfläche einer Ausgangswelle eines Getriebes ist für eine genaue Messung typischer Getriebeausgangswellendrehmomente zu hoch. Deshalb haben vorherige Versuche der Verwendung von AOW-Sensoren als Getriebeausgangsdrehmomentsensoren einen Bereich der Ausgangswelle dahingehend modifiziert, die Belastung nahe des Sensors lokal zu reduzieren. Zum Beispiel kann der Sensor an einem Zapfen angebracht sein, der radial von der Welle ragt. Als Alternative dazu kann eine Nut in der Welle um den Sensor herum ausgebildet sein. Diese Wellenmodifikationen führen zu einem größeren Gesamtwellendurchmesser als ansonsten erforderlich wäre.
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2 stellt einen Querschnitt eines Planetenradsatzes mit einem an dem Planetenträger angebrachten AOW-Sensor dar. Die obere Hälfte von 2 ist ein Querschnitt durch ein Planetenrad, während die untere Hälfte von 2 ein Querschnitt zwischen Planetenrädern ist. Eine hintere Platte 40 des Trägers ist an der Ausgangswelle 42 fixiert. Sie können integral ausgebildet, durch Keilverzahnung verbunden, verschweißt usw. sein. Die Ausgangswelle 42 und die hintere Platte 40 werden durch Lager bezüglich des Getriebekastens 44 zur Drehung gestützt. Eine vordere Platte 46 des Trägers ist an mehreren Umfangsstellen zwischen den Planetenrädern mit der hinteren Platte verschweißt, wie unten in 2 gezeigt. Mehrere Planetenwellen 48 sind an gleichmäßig beabstandeten Umfangsintervallen zwischen der vorderen Platte 46 und der hinteren Platte 40 fixiert. Mehrere Planetenräder 50 werden durch Lager zur Drehung um die Planetenwellen 48 gestützt. Ein Sonnenrad 52 und ein Hohlrad 54 stehen mit jedem der Planetenräder in kontinuierlichem Kämmeingriff. Drucklager positionieren das Sonnenrad und das Hohlrad axial bezüglich des Trägers.
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Ein AOW-Belastungssensor 56 ist an der Rückseite der hinteren Platte 40 angebracht. Der Sensor ist ungefähr in der Mitte zwischen zwei der Planetenwellen 48 und in ungefähr dem gleichen radialen Abstand von der Mittellinie wie die Planetenwellen angebracht. Wahlweise können zusätzliche AOW-Sensoren zwischen anderen Paaren benachbarter Planetenwellen angebracht sein. In einigen Fällen kann die hintere Platte Merkmale zum Entgegenwirken der Masse des Sensors, um zu gewährleisten, dass der Träger ordnungsgemäß ausgewuchtet ist, enthalten. Ein Drehsignalring 58 ist ebenfalls zur Drehung mit dem Träger fixiert. Zum Beispiel kann der Drehsignalring 58 direkt am AOW-Sensor 56 fixiert oder getrennt an der hinteren Platte angebracht sein. Ein stationärer Signalring 60 ist neben dem Drehsignalring 58 am Getriebekasten 44 angebracht. Ein kleiner Luftspalt trennt den Drehsignalring 58 von dem stationären Signalring 60. Die Leistung für den Betrieb des Sensors 56 wird über den Luftspalt vom Ring 60 zum Ring 58 übertragen und dann durch Schaltungsanordnungen auf der Drehsignalplatte 58 zum Sensor 56 geleitet. Analog dazu werden Ausgangssignale vom Sensor 56 vom Drehsignalring 58 über den Luftspalt zum stationären Signalring 60 übertragen.
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3 ist eine bildliche Ansicht des Trägers und der Ausgangswelle von 2. Während der Montage des Planetenradsatzes wird eine Planetenwelle 48 in jedes der Löcher 62 eingesetzt. Ein Teil des durch das Hohlrad und das Sonnenrad auf den Träger ausgeübten Drehmoments wird durch die Planetenräder und die Planetenwellen zu den Rändern dieser Löcher übertragen. Der Rest des Drehmoments wird zu der vorderen Platte und dann durch die Schweißverbindungen zu der hinteren Platte 40 übertragen. Der AOW-Sensor 56 ist an einer Rückseite der hinteren Platte 40 ungefähr in der Mitte zwischen zwei der Löcher 62 und ungefähr im gleichen radialen Abstand von der Mittellinie angebracht. Dadurch wird der AOW-Sensor näher an der Mittellinie als die Schweißverbindungen zwischen der hinteren Platte und der vorderen Platte platziert. Bei typischen Getriebeausgangsdrehmomentniveaus ist die Belastung an dieser Stelle für einen AOW-Belastungssensor geeignet.
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Das Platzieren eines AOW-Belastungssensors an dieser Stelle bietet verschiedene Vorteile im Vergleich zu anderen potentiellen Drehmomentsensorstellen in einem Getriebe. Das Positionieren eines Drehmomentsensors auf einer Welle führt im Allgemeinen zu einer Vergrößerung der Getriebelänge. Das Anbringen des Sensors an einer Fläche des Trägers, die sich neben einer festgelegten Struktur befindet, ist oftmals mit geringer oder ohne Vergrößerung der Getriebelänge durchführbar. Wie zuvor besprochen, ist die Belastung an der Oberfläche einer Ausgangswelle für einen AOW-Sensor nicht geeignet. Das Modifizieren der Welle zur lokalen Reduzierung der Belastung bewirkt eine Zunahme des erforderlichen radialen Raums. Einige Komponenten, wie zum Beispiel Mitnehmerscheiben, sind dazu ausgeführt, sich bezüglich der benachbarten festgelegten Struktur axial zu bewegen. Folglich ist es schwierig, einen kleinen, gleichbleibenden Luftspalt zwischen einem Drehsignalring und einem stationären Signalring bereitzustellen, um eine effiziente Verbindung mit dem Sensor zu ermöglichen. Einige Getriebekomponenten haben eine uneinheitliche Beziehung zwischen Belastung und Drehmoment, was sie weniger geeignet für Drehmomentsensoren macht. Zum Beispiel hängt die Belastung an einer bestimmten Stelle an einem Hohlrad von der relativen Position der kämmenden Planetenräder zu dem Zeitpunkt ab.
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Obgleich oben Ausführungsformen beschrieben werden, wird nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen, durch die Ansprüche erfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke dienen eher der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht sind. Obgleich verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschte Eigenschaften bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, liegt für den Durchschnittsfachmann auf der Hand, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Eigenschaften eingegangen werden können, um gewünschte Gesamtsystemeigenschaften zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzungsform abhängig sind. Daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen beziehungsweise als Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik beschrieben wurden, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für spezielle Anwendungen wünschenswert sein.
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Es ist ferner beschrieben:
- A. Planetenradsatz, umfassend:
einen Träger mit einer hinteren Platte, die mit einer vorderen Platte verschweißt ist, wobei die hintere Platte und die vordere Platte mehrere Planetenwellen stützen;
mehrere Planetenräder, die zur Drehung um die mehreren Planetenwellen gestützt werden;
ein Hohlrad und ein Sonnenrad, die jeweils mit jedem der mehreren Planetenräder in kontinuierlichem Kämmeingriff stehen; und
einen AOW-Sensor, der zwischen benachbarten Planetenwellen an der hinteren Platte auf einer der vorderen Platte entgegengesetzten Seite angebracht ist.
- B. Planetenradsatz nach A, wobei der Sensor radial innerhalb der Schweißverbindung der vorderen Platte mit der hinteren Platte angebracht ist.
- C. Planetenradsatz nach B, ferner umfassend einen ersten Signalring, der an der hinteren Platte angebracht ist und mit dem Sensor in elektrischer Verbindung steht.
- D. Planetenradsatz nach C, wobei der erste Signalring dazu konfiguriert ist, über einen Luftspalt mit einem an einem nichtdrehenden Glied fixierten zweiten Signalring zu kommunizieren.
- E. Planetenradsatz nach A, ferner umfassend eine an der hinteren Platte fixierte Ausgangswelle.
- F. Planetenträger, umfassend:
eine hintere Platte, die zum Stützen erster Enden mehrerer Planetenwellen konfiguriert ist;
eine vordere Platte, die zum Stützen zweiter Enden der mehreren Planetenwellen konfiguriert ist; und
einen AOW-Sensor, der an der hinteren Platte zwischen benachbarten Planetenwellen auf einer der vorderen Platte entgegengesetzten Seite und radial innerhalb einer die vordere und die hintere Platte verbindenden Schweißung angebracht ist.
- G. Planetenträger nach F, ferner umfassend einen ersten Signalring, der an der hinteren Platte angebracht ist und mit dem Sensor in elektrischer Verbindung steht.
- H. Planetenträger nach G, wobei der erste Signalring dazu konfiguriert ist, über einen Luftspalt mit einem an einem nichtdrehenden Glied fixierten zweiten Signalring zu kommunizieren.
- I. Planetenträger nach F, ferner umfassend mehrere Planetenräder, die zur Drehung um die mehreren Planetenwellen gestützt werden.
- J. Planetenträger nach F, ferner umfassend eine an der hinteren Platte fixierte Ausgangswelle.
- K. Getriebe, umfassend:
einen Planetenradsatz mit einem zur Drehung bezüglich eines Gehäuses gestützten Träger;
einen am Träger befestigten AOW-Sensor; und
einen ersten und einen zweiten Signalring, die einen Luftspalt mit einer konstanten Dicke definieren, wobei der erste Ring zur Drehung mit dem Träger gestützt wird und der zweite Ring am Gehäuse fixiert und dazu konfiguriert ist, Signale vom Sensor über den ersten Ring und den Luftspalt zu empfangen.
- L. Getriebe nach K, ferner umfassend eine fest mit dem Träger gekoppelte Ausgangswelle.
- M. Getriebe nach K, wobei der Planetenradsatz ferner Folgendes umfasst:
mehrere Planetenräder, die zur Drehung bezüglich des Trägers gestützt werden; ein Sonnenrad, das mit jedem der mehreren Planetenräder in kontinuierlichem Kämmeingriff steht; und
ein Hohlrad, das mit jedem der Planetenräder in kontinuierlichem Kämmeingriff steht.
- N. Getriebe nach M, wobei der Sensor zwischen Drehachsen von zwei benachbarten Planetenrädern der mehreren Planetenräder an einer Trägerfläche fixiert ist.
- O. Getriebe nach K, ferner umfassend eine Steuerung, die zum Empfang von elektrischen Signalen von dem Sensor über den zweiten Ring und zur Einstellung von Signalen zu einem Ventilkörper als Reaktion darauf konfiguriert ist.
