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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für Fahrzeuge, insbesondere für Pedelecs, Elektrofahrräder (E-Bikes) oder andere Kleinfahrzeuge, mit Pedalantrieb, wozu hier explizit auch ein Handkurbelantrieb gezählt wird, bei dem die kraftaufnehmende Kurbel eine Tret- oder Handkurbel ist, die von einem Menschen bewegt wird. Als Nebenantrieb wird oft ein Elektromotor eingesetzt.
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Da der Mensch mehr Kraft in den Beinen hat als in den Armen, haben sich Fahrräder mit Pedalantrieb durchgesetzt. Fahrzeuge mit Handkurbel oder einer Art Ruderantrieb sind deutlich in der Minderheit, aber auch hier ist die Erfindung einsetzbar, solange aus einer Hin- und Herbewegung eines Körperteils eines Menschens eine Antriebswelle in Rotation versetzt wird.
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Unter dem Stichwort „Bio-Hybrid“ ist ein E-Bike der Firma Schaeffler mit vier Rädern und zwei hintereinander angeordneten Sitzen bekannt, welches über einen Pedalantrieb mit Muskelkraft oder von einem Elektromotor angetrieben wird. Auch für solche und ähnliche Mikromobile ist die Erfindung geeignet.
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In der
EP 1 126 987 B1 ist in Absatz 1 als Stand der Technik der kupplungsfreie Hybridantrieb des Toyota Prius, 1. Generation, beschrieben. Bei dem als Summiergetriebe bezeichneten Getriebe für ein Hybridfahrzeug ist ein einziges Planetengetriebe vorgesehen. Dessen mit der Ausgangswelle verbundenes Hohlrad ist mit einer ersten Elektromaschine gekoppelt, während das Sonnenrad mit einer zweiten Elektromaschine verbunden ist. Über den mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbundenen Steg wird das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors in das Planetengetriebe eingeleitet. Somit ergibt sich ein leistungsverzweigtes, stufenloses, elektrisch unterstütztes Getriebe (Continuous Variable Transmission, CVT). Ansonsten ist die
EP 1 126 987 B1 nicht relevant, da sie als Hauptantrieb einen Verbrennungsmotor aufweist.
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Aus der
DE 10 2012 216 781 A1 ist ein Antriebsstrang für Diesellokomotiven oder Schwerlastfahrzeuge bekannt, deren Hauptantrieb ein Dieselmotor ist. Dieser Antriebsstrang ist daher auch nicht gattungsbildend für den Anspruch 1.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antriebsstrang für pedalgetriebene Fahrzeuge vorzuschlagen, der kontinuierlich variable Übersetzungen bietet. Dabei soll die Gesamtspreizung der wählbaren Übersetzungen im Bereich heutiger hochwertiger Ketten- oder Nabenschaltungen liegen. Gewünscht ist zudem, dass sich die Übersetzungen sehr dynamisch verstellen lassen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Antriebsstrang vorgeschlagen für ein Fahrzeug mit Pedalantrieb, insbesondere ein Pedelec, mit einer Antriebswelle, die das auf die Pedale aufgebrachte Drehmoment in den Antriebsstrang einleitet, mit zwei parallelen Leistungspfaden, wobei der erste Leistungspfad (High) eine erste Elektromaschine und ein erstes Planetengetriebe enthält, dessen erster Eingang mit der ihm zugeordneten Elektromaschine, dessen zweiter Eingang mit der Antriebswelle und dessen dritter Eingang bevorzugt über eine Übersetzung und eine(n) Freilauf/Kupplung mit einer Abtriebswelle verbunden sind, wobei der zweite Leistungspfad (Low) eine zweite Elektromaschine und ein zweites Planetengetriebe enthält, dessen erster Eingang mit der ihm zugeordneten Elektromaschine, dessen zweiter Eingang mit der Antriebswelle und dessen dritter Eingang bevorzugt über je eine Übersetzung und eine(n) Freilauf/Kupplung mit der Abtriebswelle verbunden sind, wobei die beiden Gesamtübersetzungen der beiden Leistungspfade (High, Low) zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle unterschiedlich sind, wobei die Abtriebswelle entweder direkt mit dem Abtriebsrad verbunden ist oder über ein Übertragungselement auf das Antriebsrad wirkt, und mit einer Steuerungselektronik und/oder Leistungselektronik.
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Erfindungsgemäß sind also zwei Elektromotoren, zwei parallele Leistungspfade (High und Low), eine oder zwei Transmissionen (üblicherweise Ketten) und zwei Freiläufe vorgesehen, die eine hohe Variabilität in den Übersetzungen liefern. Eine Variation der effektiven Gesamtübersetzung des Drehmoments zwischen Tretkurbel und Abtriebsrad erfolgt erfindungsgemäß mittels Aufteilung des Gesamtmoments auf die beiden Leistungspfade mittels geeigneter Ansteuerung der E-Maschinen. Das Übersetzungsverhältnis für das Drehmoment kann von dem Übersetzungsverhältnis für die Drehzahl abweichen. Das Übersetzungsverhältnis für das Drehmoment wird über die Aufteilung der Drehmomente auf die zwei Leistungspfade bestimmt. Das Übersetzungsverhältnis für die Drehzahl ergibt sich aus der Drehzahlansteuerung der Elektromaschinen. Wenn die aufgenommene Leistung beider Elektromaschinen in Summe gleich Null ist, dann sind beide Übersetzungsverhältnisse über deren Kehrwert gekoppelt (bei vernachlässigten Verlusten). Die beiden Leistungspfade haben zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle oder Abtriebsrad unterschiedliche Übersetzungen für das übertragene Drehmoment. Dies kann durch unterschiedliche Übersetzungen in den beiden Pfaden oder durch Verwendung unterschiedlicher Planetengetriebe oder über beides (unterschiedliche Übersetzungen und unterschiedliche Planetengetriebe) erfolgen. Wobei die E-Maschinen so angesteuert werden können, dass bei keiner gewünschten elektrischen Unterstützung die Summe der elektrischen Leistungen der beiden E-Maschinen nahe bei 0 resultiert. Dies wird erreicht, indem die Drehzahlen der E-Maschinen entsprechend angepasst werden. Bei einer gewünschten elektrischen Unterstützung werden die E-Maschinen so angesteuert oder geregelt, dass diese in Summe elektrische Leistung aufnehmen und in Summe eine positive mechanische Leistung an die Summiergetriebe abgeben.
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In den Ansprüchen wird öfter das Wortpaar Freilauf/Kupplung verwendet, was bedeutet, dass dort, wo ein Freilauf eingesetzt ist, auch eine Kupplung, insbesondere eine (von Hand oder über einen Aktor) schaltbare Kupplung eingesetzt werden kann, ohne den Wortlaut der Erfindung zu verlassen und umgekehrt, also dort, wo eine Kupplung gezeigt ist, kann - wenn es sinnvoll ist - auch ein Freilauf eingesetzt werden.
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Die im Anspruch 1 als bevorzugt genannten Übersetzungen in den beiden Leistungspfaden können vorgesehen sein, sie können aber auch ganz weggelassen werden. Entscheidend ist stets, dass die Gesamtübersetzungen zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle über beide Leistungspfade unterschiedlich sind, ob das durch unterschiedliche Planetensätze oder durch unterschiedliche Übersetzungen oder durch beides erreicht wird.
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Die Abtriebswelle kann entweder im Bereich des Abtriebsrades (also normalerweise des Hinterrades) angeordnet sein, dann sind zwei Ketten oder Riemen als Übertragungselemente, die ja auch gleichzeitig Übersetzungen sein können, vorgesehen. Die Antriebswelle kann aber auch im Bereich des Tretlagers angeordnet sein, dann ist nur ein Übertragungselement (Kette, Riemen) zum Abtriebsrad notwendig.
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Die Erfindung funktioniert auch ohne elektrischen Speicher oder Batterie. Ein Elektromotor, der als Generator arbeitet, kann den Strom für den anderen Elektromotor aus Muskelkraft erzeugen. In einer Ausführung der Erfindung ist allerdings zumindest ein Kurzzeitspeicher (Kondensator, der nur Bruchteile einer Sekunde überbrückt) zum Glätten vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung können auch eine elektrische Energiequelle und/oder ein Speicher (z.B. Akku, Speicherbatterie und/oder Kondensator) vorgesehen sein, die zusätzlich den Fahrer unterstützen.
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In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Elektromaschinen und den Planetengetrieben Übersetzungen vorgesehen sind. Die Übersetzungen können fest oder schaltbar sein, so dass die E-Maschinen geringere Leistungen bringen müssen und kleiner ausgelegt sein können.
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Die Übersetzungen in den beiden Leistungspfaden zwischen Tretlager und Abtriebsrad können auch schaltbare Kettenschaltungen sein. In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich zwischen den Freiläufen und der Abtriebswelle schaltbare Übersetzungen im Antriebsstrang vorgesehen sind. Sie können an der Abtriebswelle, vor der Nabe, also zwischen schaltbaren Übersetzungen und Nabe, oder in den Naben des Abtriebsrades vorgesehen sein. Dies erhöht die Variabilität des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
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In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich zwischen den beiden Leistungspfaden ein Strang mit einem weiteren Freilauf und einer weiteren Übersetzung vorgesehen ist. Damit lässt sich der Kraftfluss zwischen den beiden parallelen Leistungspfaden besonders gut regeln und verteilen, so dass sowohl eine langsame Festübersetzung als auch ein Boosten realisierbar sind. Dies ermöglicht ein Boosten bei extremen Übersetzungen ins Langsame. Ein Boosten bei mittleren Übersetzungen oder Übersetzungen ins Schnelle ist auch ohne diese Erweiterung möglich.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den beiden Elektromaschinen eine elektrische Leistungsübertragung vorgesehen ist. Auf diese Weise kann zum Beispiel Bremsleistung von einer Elektromaschine auf die andere Elektromaschine geleitet werden und diesen antreibend ansteuern. Damit ergibt sich ein leistungsverzweigtes CVT ähnlich wie beim Toyota Prius Hybrid.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine steuerbare Kupplung parallel zu einem der beiden Freiläufe vorgesehen ist, wobei bevorzugt auch eine Steuerkulisse und ein Freilauf vorgesehen sind. Damit lässt sich der zugeordnete Freilauf überbrücken und es kann ein elektrisches Bremsen über einen oder beide der Elektromaschinen erfolgen, was zum einen die mechanischen Bremsen schont und zum anderen zur Energierückgewinnung (Laden der Akkus) nutzbar ist.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich zwischen den beiden Leistungspfaden ein Strang mit einem oder zwei Freiläufen und mit einer weiteren Übersetzung vorgesehen ist. Damit kann auch bei sehr hohen Übersetzungen ins Schnelle auch noch elektrisch mittels Drehmoment unterstützt werden. Man kann also im Overdrive nochmals die Antriebsleistung oder die Geschwindigkeit mit einem Boost erhöhen.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Tretlagerbereich ein weiterer Freilauf vorgesehen ist. Mit diesem Freilauf kann ein Rückwärtsdrehen eines Einganges eines Planetengetriebes und damit der zugeordneten Elektromaschine verhindert werden, so dass alternativ ein langsamster Gang implementiert wird.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Abtriebswellenbereich eine oder zwei zusätzliche, manuell gesteuerte oder schaltbare Kupplungen vorgesehen sind. Durch Schließen jeweils einer dieser zwei Kupplungen entstehen zwei Festgänge, die entweder für einen Fahrmodus mit hohem Gesamtwirkungsgrad oder als Notbetrieb, falls die Elektronik komplett ausfällt, verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung können sogar vier Kupplungen vorgesehen sein, 2 im Leistungspfad Low und zwei im Leistungspfad High, und zwar jeweils einmal von Sonne S zu Fahrzeug und einmal von Sonne S zu einem der anderen Ausgänge (T, H).
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine oder beide der Elektromaschinen (EM-High und EM-Low) an beide Planetengetriebe (P-high, P-Low) angebunden sind - mittels Freilauf oder einer weiteren Übersetzung. Dies führt zu einem besonders kompakten, platzsparenden Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: schematisch einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang für ein Pedelec mit Tretlagerbereich und Hinterradnabe,
- 2: eine weitere Ausführungsform der Erfindung,
- 3: eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs,
- 4: eine Ausführung entsprechend 3, aber in einem anderen Betriebsmodus,
- 5: die Ausführung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs der 3 und 4 in einem weiteren Modus,
- 6: die Ausführung der 3 bis 5 in einem anderen Betriebsmodus,
- 7: eine weitere Ausführung der Erfindung,
- 8: eine weitere Ausführung der Erfindung,
- 9: eine weitere Ausführung der Erfindung,
- 10: ein Layout für einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang,
- 11: ein ähnliches Layout wie 10,
- 12: ein weiteres Layout für einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang,
- 13: eine weitere Ausführung der Erfindung, und
- 14: eine weitere Ausführung der Erfindung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang für ein Pedelec mit Tretlagerbereich und Hinterradnabe, sowie mit den beiden parallelen Leistungspfaden (High, Low), die das Drehmoment zur Abtriebswelle AB und dem dort vorgesehenen Abtriebsrad leiten. AN entspricht der Antriebswelle der Tretkurbel, P-High und P-Low sind die beiden parallelen Planetengetriebe, auf die das Drehmoment der Antriebswelle AN geleitet wird.
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Die drei Eingänge sind also folgendermaßen belegt:
- H ist mit dem Hohlrad verbunden,
- S ist mit der Sonne verbunden,
- T ist mit dem Planetenträger verbunden.
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In dieser Ausführung wirkt die Antriebswelle AN auf die beiden Eingänge H (Hohlwellen) von P-High und P-Low. Die beiden Eingänge S (Sonnenrad) der zwei Planetengetriebe P-High und P-Low sind hier mittels der optionalen Übersetzungen (i=c und i=a) mit den jeweils ihnen zugeordneten Elektromaschinen EM-High und EM-Low verbunden. Die Eingänge (oder Ausgänge, je nach Kraftfluss) T der zwei Planetengetriebe P-High und P-Low sind über die Übersetzungen iH und iL über die Nabenfreiläufe KH und KL mit der Hinterradnabe, also der Abtriebswelle AB und dem Abtriebsrad, des Fahrzeugs verbunden. Die Übersetzungen iH und iL sind hier zum Beispiel mittels Kettenblättern und Übertragungsketten ausgeführt. Es sind also in dieser Ausführung zwei parallele Ketten oder Riemen zwischen dem Tretlager und der Abtriebsnabe - meist Hinterradnabe - mit unterschiedlichen festen Übersetzungen vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung, hier aber nicht gezeigt, ist die Ausführung, bei der die Abtriebswelle AB sich im Mittelbereich, also im Tretlagerbereich, befindet und nur eine Kette oder ein Riemen nach hinten führt. Mit XH ist der Eingang des Übersetzungsgetriebes iH bezeichnet, mit YH dessen Ausgang. Mit XL ist der Eingang des Übersetzungsgetriebes iL bezeichnet, mit YL dessen Ausgang. Mit YC ist der Eingang des Übersetzungsgetriebes i=c bezeichnet, sein Ausgang mit XC. Mit YA ist der Eingang des Übersetzungsgetriebes i=a bezeichnet, sein Ausgang mit XA.
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Die Stand-Übersetzungen der Planetengetriebe P-High und P-Low sowie die Übersetzungen iH und iL sind so gewählt, dass die jeweiligen Gesamtübersetzungen für das Drehmoment zwischen AN und AB über die beiden Planetengetriebe P-High und P-Low unterschiedlich sind. Als weiterer Freiheitsgrad zum Abstimmen der Übersetzungsverhältnisse kann auch ein Tauschen verschiedener Eingänge (zum Beispiel H und T) an den Planetengetrieben P-High und P-Low verwendet werden, wie weiter unten gezeigt wird.
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Die Elektromaschinen EM-High und EM-Low sind hier mit einer Steuer- und Leistungselektronik elektrisch verbunden und werden von dieser angesteuert. Wobei beide E-Maschinen unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die Steuer- und Leistungselektronik ist in dieser Ausführung mit einer elektrischen Energiequelle oder einem Energiespeicher (z.B. Akku, Batterie, Kondensator) verbunden. Wie bereits ausgeführt, ist ein CVT-Betrieb auch ohne externe Energiequelle/Batterie möglich, dann fehlt allerdings die oft gewünscht elektrische Unterstützung. Aufgrund der einfacheren Darstellung sind in den meisten der folgenden Figuren die Steuerung und die Energiespeicher nicht weiterhin dargestellt. Mittels geeigneter Ansteuerung der E-Maschinen EM-High und EM-Low kann nun die effektive Gesamtübersetzung zwischen AN und AB stufenlos variiert werden.
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Wie bereits vom Toyota Prius, erste Generation, her bekannt, wirken dort die zwei Elektromotoren und der Verbrennungsmotor über das Planetengetriebe zusammen, so dass eine Art elektrisches stufenloses Summiergetriebe entsteht. Wird dort das Drehzahlniveau der beiden Elektromotoren verändert, verändert sich auch bei konstanter Drehzahl des Verbrennungsmotors das Verhältnis zwischen der Motordrehzahl des Verbrennungsmotors und der Drehzahl der Ausgangswelle. Mit anderen Worten gesagt bedeutet das, dass eine Variation des Drehzahlniveaus der Elektromotoren zu einer stufenlosen Variation der Getriebeübersetzung bei fest eingelegten Gängen an der Getriebewelle führt. Das Drehzahlverhältnis und das Momentenverhältnis zwischen Kurbel und Abtriebsrad können also unterschiedlich über die beiden Elektromotoren beeinflusst werden. Das erstes über die Drehzahlen, das zweite über die Momente der Elektromotoren.
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Indem die E-Maschinen EM-High und EM-Low so angesteuert werden, dass diese in Summe elektrische Leistung aufnehmen und eine positive mechanische Leistung abgeben, kann eine elektrische Unterstützung der Antriebsleistung realisiert werden.
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Indem die E-Maschinen EM-High und EM-Low so angesteuert werden, dass diese in Summe elektrische Leistung abgeben, kann zum Beispiel ein weiterer elektrischer Verbraucher versorgt werden, zum Beispiel das Fahrradlicht oder die Ansteuerelektronik bei leerer Batterie, oder einfach die Batterie aufgeladen werden.
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2 erweitert die Grundidee der 1 um zwei weitere Varianten: Zum einen können die in der Ausführungsform der 1 festen Übersetzungen iH und iL durch schaltbare Übersetzungen (klassische Kettenschaltungen) ersetzt sein, also zwei parallele Ketten mit unterschiedlichen Übersetzungen vom Tretlager zur Hinterradnabe, optional mit Kettenschaltung, führen. Zum anderen können alternativ oder zusätzlich auch schaltbare Nabenschaltungen/Übersetzungsstufen iHn, iLn, in die Welle AB oder die Nabe des Abtriebsrades integriert sein. Hier nicht dargestellt, aber ebenso realisierbar, ist auch eine schaltbare Übersetzung im Bereich der Nabe der Tretkurbel. Allen schaltbaren Varianten gemeinsam ist, dass E-Maschinen mit geringeren Leistungen einsetzbar sind, die kleiner bauen.
Die Ansteuerung der Schaltstufen erfolgt vorzugsweise automatisch mittels der Steuer- und Leistungselektronik. Vorzugsweise teilen sich die E-Maschinen und die gezeigten Schaltungen eine gemeinsame Steuer- und Leistungselektronik, welche, wie in 1 dargestellt, auch mit den anzusteuernden Getriebeschaltungen verbunden sein kann.
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3 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, nämlich eine „Erweiterung für den langsamsten Festgang und Boosten“, wobei hier erstmals eine clevere Verbindung zwischen den beiden Leistungspfaden High und Low vorgesehen ist. Neu sind hier ein(e) weitere(r) Freilauf/Kupplung (vorzugsweise Freilauf K1) und die Übersetzung i=d zwischen den beiden Leistungspfaden, hier also zwischen dem Ausgang T von P-Low und dem Eingang S von P-High. Die Komponenten Freilauf K1 und Übersetzung i=d realisieren eine langsamst mögliche Festübersetzung, welche zum Beispiel auch dann wirkt, wenn die E-Maschinen nicht angesteuert werden und frei drehen können. YD bezeichnet den Eingang der Übersetzung i=d und XD den Ausgang.
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Das Summiergetriebe ist in diesem Fall wieder das Planeten-Umlaufgetriebe P-High der 1. Der Leistungspfad mit P-High, iH und KH realisiert eine schnellere Übersetzung als der Leistungspfad mit dem das Planeten-Umlaufgetriebe P-Low. Das bedeutet, dass bei gegebener Drehzahl an AB der Eingang T an P-High langsamer dreht als der Eingang T an P-Low. Wenn sich der Eingang H an P-High schneller vorwärts dreht als der Eingang T an P-High, dann dreht sich der Eingang S an P-High in die entgegengesetzte Richtung, also rückwärts. Der Freilauf K1 sperrt bei Umkehrung der Relativdrehzahlen, welche an seinen Eingängen anliegen. Somit wird XD ebenfalls rückwärts angetrieben. Aufgrund der negativen Übersetzung von Übersetzung i=d erfolgt eine Drehrichtungsumkehr, so dass der Eingang YD vorwärts angetrieben wird. YD treibt dann den Eingang XL der langsamen Übersetzung iL an. Über iL und KL wird nun die Antriebsachse AB in Vorwärtsrichtung angetrieben.
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4 entspricht 3, zeigt aber einem anderen Betriebsmodus, nämlich den „Langsamster Gang (fest) ohne/mit E-Unterstützung (P2-Modus)“. Dabei zeigen fett ausgezeichnete Linien, über welche Pfade Drehmomente oder Leistungen übertragen werden. Das gesamte Drehmoment der Tretkurbel AN geht an den Eingang H von P-High. Dort teilt es sich auf: Ein Teil verlässt P-High über den Ausgang T und wirkt über iH und KH auf die Abtriebswelle AB. Der andere Teil oder der Rest verlässt P-High über S, wird über K1, i=d, iL und KL zur Abtriebswelle AB übertragen und wirkt ebenfalls als antreibendes Drehmoment.
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Im Falle der langsamsten Festübersetzung überträgt P-Low kein signifikantes Drehmoment oder keine Leistung. EM-Low sowie die Eingänge von P-Low drehen zwangsweise mit (aufgrund der vorgegebenen Drehzahlen durch die langsamste Festübersetzung). Ausgehend von einer Auslegung, in der die langsame Festübersetzung eine höhere Drehmomentübersetzung zwischen AN und AB hat als die Drehmomentübersetzung zwischen AN und AB über P-Low und iL, wird sich H von P-Low schneller drehen als T von P-Low, so dass sich S von P-Low rückwärts drehen wird.
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Eine elektrische Unterstützung kann realisiert werden, indem EM-High entsprechend angesteuert wird. EM-High wirkt parallel zum Drehmoment bzw. zur Antriebsleistung, welche über S von P-High zu AB übertragen wird.
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5 zeigt die Ausführung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs der 3 und 4 in einem weiteren Modus, nämlich dem „Langsamen CVT-Bereich im Prius-Modus“.
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Es wird angenommen, dass die Drehmomentüberhöhung der „langsamsten Übersetzung“ höher ist als die Drehmomentübersetzung, welche mittels des Leistungspfades über P-Low und iL realisiert ist. In diesem Falle dreht sich S von P-Low zwangsweise rückwärts. Indem EM-Low nun so angesteuert wird, dass diese den Eingang S von P-Low abbremst, wird mit steigender Bremsleistung der Leistungsfluss von AN über P-High umgeleitet nach AN über P-Low. Wird mit der Bremsleistung von EM-Low gleichzeitig EM-High antreibend angesteuert, ergibt sich ein leistungsverzweigtes CVT ähnlich dem oben beschrieben im Toyota Prius-Hybrid, wobei die effektive Übersetzung mittels Ansteuerung der Leistungen an EM-Low und EM-High kontinuierlich variiert werden kann. In diesem Modus „Langsamer CVT-Bereich im Prius-Modus“ überträgt P-High keine relevanten Drehmomente oder Antriebsleistungen. Der Ausgang T von P-High dreht aufgrund der Drehzahlen an H und S so langsam vorwärts, dass der Freilauf KH öffnet und somit T, XH und YH zwangsweise mitdrehen, aber kein Antriebsmoment mehr nach AB übertragen.
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Es ist also zwischen den beiden Elektromaschinen EM-High, EM-Low eine elektrische Leistungsübertragung vorgesehen, was durch die gestrichelte Linie „Elektrische Leistungsübertragung“ zwischen den Elektromaschinen angedeutet ist. Auf diese Weise kann zum Beispiel Bremsleistung von einer Elektromaschine auf die andere Elektromaschine geleitet werden und diesen antreibend ansteuern. Damit ergibt sich ein leistungsverzweigtes CVT ähnlich wie beim Toyota Prius Hybrid. Auch in diesem Modus kann mittels Einspeisen weiterer elektrischer Leistung aus einem elektrischen Energiespeicher zu den E-Maschinen eine Unterstützung der Antriebsleistung realisiert werden.
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6 zeigt die Ausführung der 3 bis 5 in einem anderen Betriebsmodus, nämlich dem Betriebsmodus: „Allgemeiner CVT-Bereich mit parallelen Leistungssträngen“.
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Bei zunehmend schnelleren Übersetzungen im Betriebsmodus „CVT im Prius-Modus“ der 5 nimmt die benötigte elektrische Leistung, die in EM-High eingespeist wird, immer weiter ab. Ab einem gewissen Übersetzungsverhältnis (abhängig von den ausgelegten Übersetzungen und vom Grad der elektrischen Unterstützung) müsste die elektrische Leistung zu EM-High negativ werden. Bei negativer eingespeister Leistung in EM-High arbeitet EM-High als Generator, wird abgebremst und es kehrt sich bei gleicher Drehrichtung das erzeugte Drehmoment um. Der Freilauf K1 öffnet aufgrund der Umkehrung des anliegenden Drehmomentes und EM-High wird abgebremst oder beschleunigt in die entgegensetzte Drehrichtung. Die Beschleunigung in die entgegengesetzte Drehrichtung erfolgt bei extremen Übersetzungen ins Schnelle (schneller als die physikalische Übersetzung von AN zu AB über den Leistungspfad High). Im normalen Betrieb dreht EM-High rückwärts. S von P-High folgt der Drehzahländerung von EM-High, so dass auch T von P-High seine Drehzahl ändert. In Antriebsrichtung betrachtet beschleunigt T von P-High folglich, bis aufgrund einer Umkehr der Drehzahldifferenz, welche an den Eingängen von KH anliegt, der Freilauf KH schließt bzw. sperrt.
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Sobald KH schließt, erfolgt eine Übertragung des Antriebsdrehmomentes und der Antriebsleistung parallel über die beiden fett eingezeichneten Leistungspfade: Leistungspfad High über P-High, iH und KH und Leistungspfad Low über P-Low, iL und KL. Abhängig von der Ansteuerung der beiden E-Maschinen EM-High und EM-Low kann der Anteil der Gesamtleistung, welcher über den Leistungspfad High und dem Leistungspfad Low übertragen wird, kontinuierlich gesteuert bzw. variiert werden. In 6 ist das mit der gestrichelten Linie „Elektrische Leistungsübertragung“ angedeutet. Die Aufteilung der Gesamtleistung auf die beiden Leistungspfade bestimmt die effektive Gesamtübersetzung zwischen AN und AB, so dass diese gezielt kontinuierlich verändert oder moduliert werden kann. Mittels Einspeisung zusätzlicher elektrischer Leistung aus einer elektrischen Energiequelle kann auch hier wieder eine elektrische Unterstützung realisiert werden.
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7 zeigt als weitere Ausführung der Erfindung und als Erweiterung für den langsamsten Festgang und das Boosten eine „Alternative Verwendung der Eingänge der S umm iergetriebe“ .
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Je nach gewünschter Auslegung der Übersetzungen, und um Vorteile beim Packaging des Antriebsstranges zu erreichen, können die Eingänge der Summiergetriebe P-High und P-Low unterschiedlich verwendet werden.
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7 zeigt eine Alternative, bei der die Welle AN des Tretlagers sowohl auf der High-Seite bei P-High als auch auf der Low-Seite bei P-Low jeweils auf den Eingang T (z.B. den Planetenträger) wirkt und der Eingang/Ausgang H (z.B. Hohlrad) in Richtung AB wirkt. Diese Änderung der Belegung der Eingänge der Summiergetriebe P-High und P-Low bewirkt auch, dass weitere Komponenten angepasst werden müssen: Da nun S von P-High bei den Betriebsmodi, welche in den 3 bis 6 beschrieben wurden, seine Drehrichtung umkehrt, muss nun auch die Sperrrichtung des Freilaufes K1 gegenüber den 3 bis 6 umgekehrt werden. Ebenso muss das Vorzeichen der Übersetzung i=d umgekehrt werden.
Es sind auch andere Alternativen oder Kombinationen möglich, was für den Fachmann jedoch selbstverständlich ist.
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8 zeigt als weitere Ausführung der Erfindung eine „Erweiterung für eine Rekuperation und/oder eine elektromotorische Bremsfunktion“.
Beim Stand der Technik ist bei Pedelecs mit Mittelmotor bisher ein Bremsen über die E-Maschine nicht möglich. Hintergrund ist der Freilauf in der Radnabe, welche verhindert, dass die Kette durch die Drehbewegung des Rades mitgeschleppt wird.
Für den hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Antriebsstrang wird eine optionale Erweiterung vorgeschlagen, welche ein Bremsen über einen der Mittelmotoren EM-High oder EM-Low ermöglicht. Hierfür ist vorgesehenen, dass eine steuerbare Kupplung KR parallel zu einem der Freiläufe KH oder KL angeordnet ist. In der Ausführung der 8 erfolgt dies parallel zum Freilauf KH. Bei einer Betätigung der Kupplung KR wird die Kette iH zwangsweise von AB mitgeschleppt, so dass Leistung vom Abtriebsrad AB in Richtung EM-High übertragen wird. Sinnvoll ist dies beim Bergabfahren oder beim Langsamerwerden, denn dann kann Energie zurückgewonnen werden oder die mechanische Bremse durch elektrisches Bremsen entlastet werden.
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In 8 wird die Kupplung KR durch eine Steuerkulisse SK angesteuert. Diese Steuerkulisse SK hat hierfür einen Steuereingang (in 8 unten) und einen Betätigungsausgang (in 8 oben) Zum Abstützen der Steuerkulisse SK ist eine fahrzeugfeste Abstützung vorgesehen. Der Betätigungsausgang wirkt auf die Kupplung KR. Der Steuereingang wird über einen Freilauf BR durch die Kette von iL betätigt, sobald diese sich in Rückwärtsrichtung bewegt. Dies ermöglicht, dass bei einer rückwärts gerichteten Drehbewegung und einem rückwärts gerichteten Drehmoment an AN über die Kette iL, den Freilauf BR und die Steuerkulisse SK die Kupplung KR betätigt wird. KR bewirkt nun ein Mitschleppen der Kette iH, welche den Eingang T von P-High antreibt. Der Eingang H stützt sich an AN ab, so dass der Eingang S angetrieben wird und den Elektromotor EM-High antreibt. Wird nun EM-High generatorisch abgebremst, wird die gewünscht Bremsleistung erreicht. Eine Steuerung der Bremskraft erfolgt mittels des rückwärts gerichteten Drehmoments an AN. Eine Drehbewegung von AN in Vorwärtsrichtung löst die „Rücktrittsbremse“. Dies entspricht dem Verhalten einer konventionellen Rücktrittsbremse.
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Der Antriebsstrang der 8 ermöglicht somit eine dritte Bremseinrichtung ähnlich einer Rücktrittsbremse bei konventionellen Fahrrädern, jedoch kann die Bremsenergie hierbei in elektrische Energie umgewandelt werden und z.B. in einer Batterie gespeichert werden. Speziell bei langen Bergabfahrten im Gebirge hat dies auch den Vorteil, dass die mechanischen Bremsen entlastet werden und nicht überhitzen.
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9 zeigt als weitere Ausführung der Erfindung eine „Erweiterung für Boost im Overdrive“, wobei als Basis die Ausführung der 8 mit elektrischer Bremsfunktion dient.
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Um bei sehr hohen Übersetzungen ins Schnelle auch noch elektrisch mittels Drehmoments unterstützen zu können, wird die hier gezeigte Ausführung vorgeschlagen. Hierfür wird der Antriebsstrang um zwei Freiläufe K2 und K3 und um eine weitere Übersetzung i=b ergänzt. In dieser Ausführung ist zum Beispiel ein neuer Pfad vorgesehen, der auf der High-Seite von XH abzweigt, dort mit YB bezeichnet wird, die Übersetzung i=b enthält, deren Ausgang mit XB bezeichnet ist, dann zum Freilauf K3 führt, von dort zu XA und von dort über den Freilauf K2 zum Summiergetriebe P-Low auf der Low-Seite führt. Drehmomente von EM-Low in positiver Richtung werden über K2 an S von P-Low weitergeleitet. Drehmomente von EM-Low in negativer Richtung werden mittels K3 und der Übersetzung i=b dem Leistungsstrang auf der High-Seite eingespeist und wirken parallel zu den Drehmomenten, welche aus T von P-High kommen. Selbstverständlich müssen die Richtungen der Freiläufe angepasst werden, falls die Belegung der Eingänge der Summiergetriebe P-High und P-Low geändert werden.
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Neben der Drehmomentunterstützung ermöglicht diese Erweiterung einen weiteren CVT-Prius-Modus, ähnlich dem der 5, jedoch für Übersetzungen ins Schnelle, hier Boost oder Overdrive genannt.
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10 zeigt ein Layout für die Entflechtung und somit auch die grobe räumliche Anordnung der Bauteile eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges, nämlich des Schemas der 3 - rechts oben klein eingezeichnet.
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Das Abtriebsrad auf der Abtriebswelle AB im Bereich der Hinterradnabe ist zwischen den beiden Leistungspfaden (rechts für die High-Seite und links für die Low-Seite) angeordnet. Somit hat das Abtriebsrad auf beiden Seiten ein Kettenblatt und auf jeder Seite des Abtriebsrades verläuft eine Kette (Kette High, iH und Kette Low iL) zum T retlagerbereich.
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Im Tretlagerbereich mit Tretkurbel Links und Tretkurbel Rechts sind jeweils auf beiden Seiten des Fahrradgestelles ein Planetensatz (Summiergetriebe P-High und P-Low) und ein Kettenblatt für die Ketten iH und iL angeordnet. Die E-Motoren EM-High und EM-Low sind hier im Freiraum zwischen den beiden Tretkurbeln quer zur Fahrrichtung (parallel zur Tretlager-Welle AN) angeordnet. Die E-Motoren EM-High und EM-Low sind mit den jeweiligen benötigten Eingängen der Planetensätze P-High und P-Low mittels Stirnradverzahnungen angebunden. E-Motoren, die an beide Planetensätze angebunden sind, z.B. EM-High in 10, haben vorzugsweise an beiden Enden Ausgangswellen, welche für die Anbindung zu den beiden Planetensätzen P-High und P-Low verwendet werden.
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Als kleinste Übersetzung und als Boost bei niedriger Geschwindigkeit wirkt der Elektromotor EM-Low auf den Eingang S (Sonnenrad) von P-Low und der Elektromotor EM-High einerseits auf den Eingang S (Sonnenrad) von P-High und andererseits (während der kleinsten Übersetzung und während der elektrischen Unterstützung bei niedriger Geschwindigkeit) über den Freilauf K1 und die Übersetzung i=d auf das Kettenblatt Low von P-Low und auf die Kette Low (iL).
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11 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie 10, wobei jedoch die Tretkurbel nicht mehr mit den Hohlrädern H der Planetensätze P-High und P-Low verbunden sind, sondern mit den Planetenträgern T. Hierdurch können vorteilhafte Übersetzungsverhältnisse erreicht werden. Das rechts oben gezeigte Schema ähnelt dem der 7, zeigt aber ein anderes Getriebe i=d und einen anders eingebauten Freilauf K1.
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12 zeigt ein Layout für die Ausführung mit Erweiterung um eine elektromotorische Bremse, wie es das Schema der 8 zeigt. Die 8 ist hier nochmals als Schema rechts oben gezeigt.
Im Bereich der Hinterradnabe verbindet der Freilauf BR das Kettenritzel der Low-Seite mit dem Steuereingang der Steuerkulisse SK. Der Betätigungsausgang der Steuerkulisse SK wird innerhalb der Nabe zur anderen Seite des Rades durchgeleitet und betätigt dort die Kupplung KR. Kupplung KR überbrückt den Freilauf KH und erzwingt somit, dass das Ritzel vom Abtriebsrad in Vorwärtsrichtung angetrieben wird. Über die Kette der High-Seite (iH) wird die Drehbewegung zu P-High weitergeleitet. Zusammen mit der vom Fahrradfahrer abgestützten Tretkurbel wird somit EM-High angetrieben und kann generatorisch (abbremsend) betrieben werden. Weiterhin stützt sich die Steuerkulisse über einen 3. Eingang gegen Stehend ab (z.B. gegen den Fahrradrahmen).
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In 12 sind für die kleinste Übersetzung und für einen Boost bei niedriger Geschwindigkeit vorgesehen, dass der Elektromotor EM-High mit seinem linken Ausgang über den Freilauf K1 und das Getriebe i=d auf das Summiergetriebe P-Low und auf das Kettenblatt Low wirkt. Im Bereich der Hinterradnabe ist wiederum die Rekuperationsbremse mit KR, SK und BR gezeigt.
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13 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung mit den neuen Bauteilen Freilauf K5 und den Kupplungen K7 und K8 - hier alle im Tretlagerbereich. Mittels des Freilaufes K5 kann alternativ zur Umsetzung mittels K1 und der Übersetzung i=d ein langsamster Gang als alternative kleinste Übersetzung implementiert werden, indem ein „Rückwärtsdrehen“ von EM-Low bzw. des Einganges S von P-Low verhindert wird.
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Die Kupplungen K7 und K8 können z.B. als manuell gesteuerte / schaltbare Kupplungen ausgeführt sein. Durch ein Schließen von K7 oder K8 entstehen 2 Festgänge. Diese können entweder für einen Fahrmodus mit hohem Gesamtwirkungsgrad oder als Notbetrieb, manchmal als Limp-Home bezeichnet, falls die Elektronik komplett ausfällt, verwendet werden.
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Bei einer Verwendung als Festgangübersetzungen können K7 und K8 auch automatisch betätigt werden, und so für den Fahrradfahrer transparent verwendet werden. Wobei, wie bei der unterschiedlichen Ausführung von K7 und K8 gezeigt, die Kupplungen zwischen zwei Eingängen eines Planetensatzes angeordnet sein können oder alternativ den Eingang zur E-Maschine gegen Fest blockieren.
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14 zeigt rechts oben im Schema und links in der technischen Ausführung eine weitere Ausgestaltung der Erfindung für den Fall, dass zusätzlich oder alternativ zu EM-High die E-Maschine EM-Low an beide Planetensätze angebunden werden soll. Hierfür sind die Freiläufe / Kupplungen K2 und K3 ergänzt worden, ähnlich wie bereits anhand von 9 beschrieben.
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Ganz allgemein gilt, dass in allen gezeigten Ausführungen die Freiläufe auch durch schaltbare Kupplungen (formschlüssig oder reibschlüssig) ersetzt werden können.
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Die Begriffe Vorwärtsdrehen und Rückwärtsdrehen sind so zu verstehen: Vorwärtsdrehen bedeutet, dass eine Drehbewegung einer Welle oder Komponente mit diesem Drehsinn eine Bewegung des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung unterstützt. Eine Beschleunigung der Drehbewegung einer Welle oder Komponente in diese Drehrichtung korreliert mit einer steigenden Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung.
Rückwärtsdrehen ist dann das Gegenteil.
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Bezugszeichenliste
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- AB
- Abtriebswelle
- AN
- Antriebswelle
- BR
- Freilauf
- EM-High
- Elektromaschine
- EM-Low
- Elektromaschine
- H
- Eingang Hohlrad
- iH
- Übersetzung/Kette/Riemen
- iHn
- Übersetzung/Nabenschaltung
- iL
- Übersetzung/Kette/Riemen
- iLn
- Übersetzung/Nabenschaltung
- i=a
- Übersetzung
- i=b
- Übersetzung
- i=c
- Übersetzung
- i=d
- Übersetzung
- i=x, X, 2X
- Übersetzungen
- i=y, Y, 2Y
- Übersetzungen
- KH
- Freilauf
- KL
- Freilauf
- KR
- steuerbare Kupplung
- K1
- Freilauf
- K2
- Freilauf
- K3
- Freilauf
- K4
- Freilauf
- K5
- Freilauf
- K7
- Kupplung
- K8
- Kupplung
- S
- Eingang Sonnenrad
- SK
- Steuerkulisse
- P-High
- Planetengetriebe
- P-Low
- Planetengetriebe
- T
- Eingang Träger
- XA
- Eingang/Ausgang
- XB
- Eingang/Ausgang
- XC
- Eingang/Ausgang
- XD
- Eingang/Ausgang
- XH
- Eingang/Ausgang
- XL
- Eingang/Ausgang
- YA
- Eingang/Ausgang
- YB
- Eingang/Ausgang
- YC
- Eingang/Ausgang
- YD
- Eingang/Ausgang
- YH
- Eingang/Ausgang
- YL
- Eingang/Ausgang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1126987 B1 [0004]
- DE 102012216781 A1 [0005]
