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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor sowie einem nachgeschalteten Getriebe sowie ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung in einer solchen Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Bei konventionellen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor dienen Kraftfahrzeuggetriebe dazu, die Drehzahl des Verbrennungsmotors in eine entsprechende Drehzahl der Antriebswelle zu übersetzen und das Drehmoment dementsprechend anzupassen. Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen werden Elektromotoren zum direkten Antrieb des Kraftfahrzeuges eingesetzt, bei denen kein Getriebe zwischen dem Elektromotor und dem Antriebsstrang zwischengeschaltet ist. Dies ist möglich, da Elektromotoren über einen weiten Drehzahlbereich betrieben werden können und bereits bei sehr kleinen Drehzahlen ihr maximales Drehmoment abgeben können. Allerdings ermöglicht der Einsatz eines zusätzlichen Getriebes zwischen dem Elektromotor und dem weiteren Antriebsstrang den Verbrauch zu reduzieren und die Fahrcharakteristik des Kraftfahrzeugs zu verändern. Daher werden auch in elektrischen Antriebssträngen Getriebe zur Anpassung der Drehzahl- und Drehmoment-Charakteristik des elektrischen Antriebsmotors an den benötigten Zugkraftbedarf des Kraftfahrzeuges eingesetzt. Durch die Eingriffe der Zähne in den Zahnrädern der einzelnen Getriebestufen kommt es bei der Lastübertragung zu mechanischen Schwingungen, welche in erster Linie die Drehbewegung durch zusätzliche Pulsationen im Drehmoment beeinflussen. Diese Schwingungen führen letztendlich zu unerwünschten Geräuschen, welche vom Fahrer und der Umgebung als störend wahrgenommen werden.
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Durch eine genaue und hochdynamische Drehmomentregelung kann der elektrische Antriebsmotor neben der Erzeugung des Traktionsmoments zusätzlich Oberschwingungsanteile im Drehmoment einprägen. Diese können dann prinzipiell zur Kompensation beziehungsweise zur Dämpfung der durch die Zahneingriffe entstehenden Drehschwingungen eingesetzt werden. Dadurch kann das akustische Verhalten des Getriebes verbessert werden. Diese Technologie wird auch als „Active Vibration Control (AVC)“ oder „Harmonic Current Injection (HCl)“ bezeichnet.
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Damit eine Kompensation der Anregung im Getriebe, welche insbesondere durch ein Abrollen von unter Last ineinander eingreifenden Zahnflanken entsteht, erfolgen kann, muss der eingeprägte Oberschwingungsanteil der Anregung gegenüber phasenversetzt eingeregelt werden.
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Aus der
DE 10 2014 208 384 A1 sind ein Antriebsstrang sowie ein Verfahren zum Reduzieren eines Zahneingriffsgeräusches eines elektrisch antreibbaren Antriebsstands mit einem Zahnradgetriebe und einem Elektromotor bekannt. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines Betriebszustandes des Antriebsstranges, ein Auslesen eines dem ermittelten Betriebszustand zugeordneten Datensatz aus einem Datenspeicher und ein Anpassen eines Drehmoments des Elektromotors entsprechend dem Datensatz.
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Aus der
DE 11 2015 001 522 T5 ist eine Motorantriebsregelungsvorrichtung bekannt, die dazu geeignet ist, in einem Untersetzer erzeugte Getrieberasselgeräusche zu verringern, ohne dabei den Untersetzer zu vergrößern oder die Anzahl von Komponenten zu erhöhen. Ein Motorsteuergerät steuert einen Motor derart, dass er ein Umkehreinstelldrehmoment erzeugt, wenn ein Soll-Drehmoment umgekehrt wird. Das Motorsteuergerät berechnet sequentiell ein Flankenspiel in einem Vorgelegezahnradmechanismus und stellt eine Zeitspanne, in der das Umkehreinstelldrehmoment durch den Motor erzeugt wird und eine Zeitspanne, in der ein Rückkehrdrehmoment durch den Motor erzeugt wird so ein, dass das Flankenspiel zu einem momentanen Zeitpunkt gleich einem zeitintegrierten Wert einer geschätzten Relativgeschwindigkeit bis zum Zeitpunkt der Wieder-Anlage wird. Auf diese Wiese können zu einem Zeitpunkt, zu dem eine Umfangsgeschwindigkeit eines Zahns eines ersten Zahnrads und eine Umfangsgeschwindigkeit eines Zahns eines zweiten Zahnrads in dem Vorgelegezahnradmechanismus gleich sind, die Zähne in Anlage aneinander gebracht werden.
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Die
WO 2017 / 220 390 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion mechanischer Belastungen in einem Antriebsstrang. Dabei ist ein Elektromotor als Antriebsaggregat des Antriebsstranges vorgesehen und ein Wechselrichter zur Ausgabe einer mehrphasigen Ausgangsspannung zur Versorgung des Elektromotors. Das Verfahren umfasst eine Bestimmung der mehrphasigen Ausgangsspannung für den Betrieb des Elektromotors, eine Addition einer vorgebbaren Spannung und der bestimmten Ausgangsspannung, und eine Ausgabe der Summe aus mehrphasiger Ausgangsspannung und vorgebbarer Spannung zur Versorgung des Elektromotors.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Geräuschentwicklung bei einer elektrischen Antriebseinheit zu reduzieren und das akustische Verhalten dieser Antriebseinheit zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Antriebseinheit mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Getriebe gelöst, wobei an einem Getriebegehäuse des Getriebes eine Beschleunigungssensorik mit mindestens einem Sensor angeordnet ist. Die Antriebseinheit weist ferner einen Amplituden- und Phasenregler auf, welcher auf Basis der Informationen der Beschleunigungssensorik eine Amplitude und Phase der einzuregelnden Drehmoment-Oberschwingungen einregelt. Ferner ist ein weiterer Regler, welcher über einen separaten Regler oder eine zusätzliche Funktion in einem Gesamtregelkonzept realisiert werden kann, vorgesehen, welcher die Sensorsignale der Sensoren auswertet und die einzustellenden Amplituden- und Phaseninformationen an den Amplituden- und Phasenregler des elektrischen Antriebsmotors weiterleitet, um Oberschwingungsanteile einzubringen, welche durch die Getriebeverzahnung im Getriebe angeregten Schwingungen kompensieren. Bei der Verzahnung in dem Getriebe kommt es in der kraftübertragenden Zahnradstufe zu Wechselmomenten unmittelbar während des Zahneingriffs. Diese Wechselmomente treten auch bei einem völlig gleichmäßigen Drehmoment des elektrischen Antriebsmotors auf. Dabei entstehen durch das Abrollen der Zahnflanken Drehungleichförmigkeiten, welche zu Körperschall in dem Getriebe führen. Die Frequenzen dieses Körperschalls entsprechen dabei stets einem Vielfachen der Drehzahl der Getriebewellen und stehen damit in einem festen Ordnungs-Zusammenhang mit der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors. Durch den Amplituden- und Phasenregler sowie den weiteren Regler können entsprechend Schwingungen mit einem Vielfachen der Grundschwingung in das System eingekoppelt werden, um die Schallanregung durch die GrundSchwingung zu verringern. Dabei verstellt der Amplituden- und Phasenregler auf Basis der Sensorinformationen solange die Amplitude und Phase der einzuregelnden Drehmoment-Oberschwingung, bis ein Minimum an übertragenem Körperschall erreicht wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Antriebseinheit möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Sensor ein Beschleunigungssensor ist. Durch einen Beschleunigungssensor kann der Körperschall am Getriebegehäuse auf besonders einfache Art und Weise erfasst werden. Dabei kann sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der Schwingung ermittelt werden und eine entsprechende Kompensation eingeleitet werden. Alternativ zu einem Beschleunigungssensor kann auch ein akustischer Sensor, insbesondere ein Mikrofon zur Erfassung der akustischen Schwingungen des Getriebegehäuses, genutzt werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Beschleunigungssensor als triaxialer Sensor ausgeführt ist. Da sich der Körperschall in dem Getriebegehäuse in alle Richtungen ausbreitet und dabei unterschiedliche Frequenzen angeregt werden können, bieten triaxiale Beschleunigungssensoren den Vorteil, hier sämtliche Anregungen des Getriebegehäuses mit einem Sensor erfassen zu können. Alternativ können auch ein- oder zweidimensional messende Beschleunigungssensoren verwendet werden, was jedoch die Anzahl der zu verwendenden Sensoren oder den möglichen Betriebs- bzw. Auswertebereich erhöht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Antriebseinheit ist vorgesehen, dass in das Getriebegehäuse mindestens eine Aufnahmebohrung zur Aufnahme eines Sensors eingebracht ist. Durch eine Aufnahmebohrung ist eine besonders einfache Fixierung des Sensors, insbesondere des Beschleunigungssensors, an dem Getriebegehäuse möglich. Dabei wird der Sensor vorzugsweise in die Bohrung eingepresst oder eingeschraubt, um eine dauerhafte und betriebssichere Verbindung herzustellen. Alternativ kann der Sensor auch in die Bohrung eingeklebt werden, jedoch ist eine Klebeverbindung weniger günstig und weniger stabil als eine kraftschlüssige Verbindung.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Beschleunigungssensoren an dem Getriebegehäuse des Getriebes angeordnet sind. Durch zwei oder mehrere Beschleunigungssensoren können die Anregungen des Getriebegehäuses an unterschiedlichen Orten erfasst werden. Zudem kann mindestens ein weiterer Beschleunigungssensor an dem Gehäuse des elektrischen Antriebsmotors angeordnet sein, um die Schwingungen dieses Gehäuses ebenfalls zu erfassen. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn das Getriebegehäuse und das Gehäuse des elektrischen Antriebsmotors miteinander verbunden sind und der Körperschall auf einfache Art und Weise von dem Getriebegehäuse auf das Gehäuse des elektrischen Antriebsmotors übertragen wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit durch mindestens einen Achsschemel, vorzugsweise durch zwei Achsschemel, aufgenommen ist, wobei die Achsschemel über mehrere Verbindungsstellen, vorzugsweise über vier Verbindungsstellen an einer Karosserie eines Kraftfahrzeuges fixierbar sind. Dadurch ist eine besonders einfache Montage der Antriebeinheit an einem Kraftfahrzeug möglich, zudem können an den Verbindungsstellen weitere Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung unternommen werden, um eine Übertragung von Schwingungen und Körperschall von der Antriebseinheit auf die Karosserie des Kraftfahrzeuges zu unterbinden.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit mittels mehrerer Lagerstellen, insbesondere mittels drei oder vier Lagerstellen an den Achsschemeln gelagert ist. Durch die Lagerstellen ist eine stabile und betriebssichere Lagerung der elektrischen Antriebseinheit an den Achsschemeln möglich. Diese Lagerstellen können entsprechend steif ausgelegt werden, um die Kräfte und Momente aus der elektrischen Antriebseinheit in die Achsschemel und weiter in die Karosserie abzuleiten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit zwei Antriebswellen zum Antrieb jeweils eines Kraftfahrzeugrades aufweist, wobei die Antriebswellen mit einer Abtriebswelle des Getriebes verbunden sind. Dadurch kann eine einfach zu montierende elektrische Antriebseinheit geschaffen werden, welche eine vollständige elektrische Antriebsachse abbildet. Bei dieser elektrischen Antriebsachse können die auftretenden Körperschallwellen auf die beschriebene Art und Weise gedämpft werden, um die Geräuschentwicklung des Antriebs zu minimieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Antriebseinheit ist vorgesehen, dass der elektrische Antriebsmotor und das Getriebe koaxial zueinander angeordnet sind, wobei das Getriebegehäuse des Getriebes an dem Gehäuse des elektrischen Antriebsmotors befestigt ist. Durch eine koaxiale Anordnung ist eine besonders kompakte Bauweise der elektrischen Antriebseinheit möglich. Dabei kann das Getriebe mit dem elektrischen Antriebsmotor derart verbunden werden, dass die Abtriebswelle des elektrischen Antriebsmotors und die Getriebewelle zueinander fluchten. Dies ermöglicht auch bei sehr begrenztem Bauraum die Anordnung zwischen den Achsschemeln und den Antriebswellen für die angetriebenen Kraftfahrzeugräder, wodurch eine sehr kompakte elektrische Antriebsachse dargestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung in einer solchen Antriebseinheit vorgeschlagen, wobei eine Schwingung des Getriebegehäuses erfasst wird und durch den Amplituden- und Phasenregler auf Basis der erfassten Schwingungen eine harmonische Schwingung erzeugt wird, um die Schwingungen des Getriebegehäuses zu minimieren. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann die Körperschallentwicklung bei einer elektrischen Antriebseinheit mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Getriebe minimiert werden, wodurch der Fahrkomfort des Kraftfahrzeugs erhöht werden kann und die Insassen nicht vom Getriebegeräusch belästigt werden.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert. Dabei zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Getriebe in einem schematischen Schaltbild.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 1 für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor 2 und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor 2 verbundenen Getriebe 3 in einem schematischen Schaltbild dargestellt. Dabei ist an dem Getriebe 3 eine Beschleunigungssensorik 18 mit mehreren Beschleunigungssensoren 24, 25 vorgesehen, über welche das Schwingungsverhalten eines Getriebegehäuses 19 des Getriebes 3 erfasst werden kann. Der elektrische Antriebsmotor 2 ist über eine Getriebeeingangswelle mit einer ersten Welle des Getriebes 3 verbunden, welche ein erstes Zahnrad trägt. Das Getriebe 3 ist über eine zweite Welle, welche ein zweites Zahnrad trägt, welches mit dem ersten Zahnrad in Eingriff steht, und eine Antriebswelle 4 mit einem angetriebenen Kraftfahrzeugrad 23 verbunden. Zwischen der zweiten Getriebewelle und der Antriebswelle 4 kann ein Differenzial zwischengeschaltet sein, um das Drehmoment des Getriebes 3 auf die zwei angetriebenen Kraftfahrzeugräder 23 der Antriebsachse 4, 5 zu verteilen. Zur Einregelung eines Oberschwingungsanteils des Getriebes 3 auf das Soll-Drehmoment des elektrischen Antriebsmotors 2 ist ein hochdynamischer Regler 15 vorgesehen, welcher Bestandteil der Regelung des elektrischen Antriebsmotors 2 ist. Ferner ist eine Beschleunigungssensorik 18 vorgesehen, welche mehrere Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 an dem Getriebe 3 und/oder an dem elektrischen Antriebsmotor 2 umfasst. Die Signale aus den Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 beschreiben eine Zielgröße, welche durch eine Regelung zur aktiven Geräuschreduzierung minimiert werden soll. Zusätzlich ist ein weitere Regelfunktion, welche über einen weiteren Regler 27 oder eine zusätzliche Funktion in einem Gesamtregelkonzept realisiert werden kann, vorgesehen, welche die Sensorsignale der Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 auswertet und die einzustellenden Amplituden und Phaseninformationen der einzuregelnden Oberschwingungsanteile für den hochdynamischen Regler 15 des elektrischen Antriebsmotor 15 bereitstellt.
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Die elektrische Antriebseinheit 1 ist mit drei Motor-Getriebelagern an den Achsschemeln eines Kraftfahrzeuges gelagert. Die Achsschemel weisen Verbindungsstellen auf, mit welchen die Achsschemel an einer Karosserie des Kraftfahrzeuges fixiert werden können. Ferner ist ein Kabelbaum vorgesehen, welcher den elektrischen Antriebsmotor 2 mit einer nicht dargestellten Batterie verbindet. An dem elektrischen Antriebsmotor 2 ist ein Amplituden- und Phasenregler 15 vorgesehen, um das Drehmoment und die Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors 2 mittels eines hochdynamischen Reglers zu regeln. Durch das Abrollen der Verzahnung der Zahnräder des Getriebes 3 werden Schwingungen erzeugt, welche auf die Getriebewellen und von dort über die Lagerung der Getriebewelle auf das Getriebegehäuse übertragen werden. Dabei wird das Getriebegehäuse selbst angeregt. Der Körperschall wird von dem Getriebegehäuse auf die mit dem Getriebegehäuse verbundenen Maschinenkomponenten, insbesondere das Gehäuse des elektrischen Antriebsmotors 2 und das Chassis eines Kraftfahrzeuges übertragen. An dem Getriebegehäuse des Getriebes 3 sind mehrere Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 einer Beschleunigungssensorik 18 angeordnet, welche die Schwingungen des Getriebegehäuses und die dazugehörigen Körperschallwellen erfasst. Grundsätzlich kann der Körperschall des Getriebes 3 auf zwei Arten zu Geräuschen führen. Zum einen kann der Körperschall von dem Getriebegehäuse in Form von Luftschall an die Umgebung abgestrahlt werden. Zum anderen kann der Körperschall über die Motor-Getriebelager in die Fahrzeugstruktur eingeleitet werden. Dieser in die Fahrzeugstruktur eingeleitete Körperschall kann bis in den Fahrzeuginnenraum weitergeleitet werden, wo er von diversen Bauteilen als Luftschall abgegeben wird und für den Fahrer oder die Passagiere hörbar wird oder in Form von Vibrationen spürbar ist. Der Körperschall wird dabei vom Getriebegehäuse als Aktivseite über die Motor-Getriebelager auf die Achsschemel als Passivseite übertragen und von dort in die Fahrzeugstruktur eingeleitet.
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Die Beschleunigungssensorik 18 wird dazu verwendet, um bewerten zu können, welcher Körperschallpegel auf dem Getriebegehäuse anliegt. Der Amplituden- und Phasenregler 15 verstellt nun auf Basis dieser Sensorinformationen die Amplitude und Phase der einzuregelnden Drehmoment-Oberschwingung. Die Amplitude und Phase wird von dem Amplituden- und Phasenregler 15 so lange verstellt und/oder nachgeregelt, bis ein Minimum an übertragenem Körperschall erreicht wird. Alternativ zu den bevorzugt verwendeten Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 können als Sensoren auch akustische Sensoren, insbesondere Innenraummikrofone oder Mikrofone in der Nähe der elektrischen Antriebseinheit 2 verwendet werden.
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Die Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 sind idealerweise genau dort anzubringen, wo der Körperschall in die Fahrzeugstruktur eingeleitet wird. Diese Einleitung erfolgt an den Anbindungsstellen der Achsschemel sowie in der Nähe der Motor-Getriebelager und am Getriebegehäuse. Grundsätzlich können in das Sensorkonzept der Beschleunigungssensorik 18 natürlich auch weitere Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 am Getriebegehäuse oder an einem Gehäuse des elektrischen Antriebsmotors 2 eingebunden werden. Dies erfolgt vorzugsweise dann, wenn die Gehäuseoberfläche des jeweiligen Gehäuses zur Abstrahlung von Luftschall neigt. In diesem Fall kann durch eine geschickte Wahl der Position des Beschleunigungssensors 22, 24, 25 auf der Oberfläche auch dieses Akustikproblem verbessert werden. Als Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 werden vorzugsweise triaxiale Sensoren verwendet. Die Bauform und benötigte Raumrichtung der Orientierung des Beschleunigungssensors 22, 24, 25 hängen vom jeweiligen Einsatzfall ab. Da die Beschleunigungssensoren 22, 24, 25 dauerhaft an dem Getriebegehäuse verbleiben, werden diese vorzugsweise in Öffnungen in dem Getriebegehäuse eingepresst oder eingeschraubt. Die Verkabelung der Beschleunigungssensoren wird einem zentralen Steuergerät zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Getriebe
- 4
- Antriebswelle
- 15
- Amplituden- und Phasenregler
- 18
- Beschleunigungssensorik
- 22
- Beschleunigungssensor
- 23
- Kraftfahrzeugrad
- 24
- Beschleunigungssensor
- 25
- Beschleunigungssensor
- 27
- weiterer Regler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014208384 A1 [0005]
- DE 112015001522 T5 [0006]
- WO 2017220390 A1 [0007]
