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Die Erfindung betrifft ein CVT-Getriebe, ein Getriebe für Fahrzeuge zur im Wesentlichen stufenlos einstellbaren Übertragung (Continuosly Variable Transmission, CVT, auch Variator-Getriebe genannt) eines Drehmoments von einem Motor (Verbrenner, Elektromotor oder Hybrid) an das oder die Antriebsräder, besonders für kleinere Leistungen, also für leichte Fahrzeuge mit zwei Rädern, wie Mopeds, Fahrräder mit Hilfsmotor, E-Bikes, Pedelecs, Velo Solex, Motorräder, Roller oder Scooter, mit drei Rädern, wie Rikschas, Apes oder Trikes, mit vier Rädern, wie Kleintransporter, oder mit Kettenantrieb, wie Schneemobile.
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Bei den gebräuchlichsten CVT-Getrieben für leichte Fahrzeuge sind zwei zueinander parallele Wellen mit zwei Kegelscheibenpaaren vorgesehen, zwischen denen ein Umschlingungsmittel, meist ein Riemen mit V-Querschnitt, verläuft. Die Kegelscheibenpaare jeder Welle sind senkrecht zu ihrer Rotationsachse aufgeteilt und in ihrem Abstand variabel. Das Übersetzungsverhältnis wird dadurch geändert, dass die zwei Kegelscheiben einer Welle näher zueinander geführt und die zwei Kegelscheiben der anderen Welle weiter auseinander gebracht werden. Der Riemen wird dann auf einer Welle weiter außen und auf der anderen Welle weiter innen geführt. Das ändert den effektiven Durchmesser beider Kegelscheibenpaare, was die Gesamtübersetzung ändert. Da sich der Abstand der beiden Wellen und die Länge des Riemens nicht ändern, müssen beide Kegelscheibenpaare gleichzeitig gleichmäßig geändert werden, - eins effektiv größer, eins kleiner werdend -, um die korrekte Spannung für den Riemen beizubehalten.
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Die Änderung der Übersetzung erfolgt bei den meisten CVT-Getrieben mit der Drehzahl. Wie auch bei einem üblichen Stufenschaltgetriebe - ob mechanisch oder automatisch geschaltet - wird der nächsthöhere Gang bei Erreichen einer höheren Motordrehzahl eingelegt.
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Als drehzahlabhängige Stellgröße hat sich die Nutzung der Fliehkraft durchgesetzt. Bei höheren Drehzahlen bewegen sich federbelastete Fliehgewichte nach außen und ändern den Übersetzungsgrad. Realisiert wird das zum Beispiel durch die Verwendung von Kugeln oder Rollen, die von der Fliehkraft nach radial außen gedrückt werden, sich dabei auf vorgegebenen geneigten Bahnen bewegen, die deren Radialbewegung in eine Axialbewegung umwandeln, und so die erste Verstellscheibe axial gegenüber ihrer Gegenscheibe bewegen und das Übersetzungsverhältnis verändern. Durch den axialen Druck wird der wirksame Durchmesser des ersten Kegelscheibenpaares vergrößert, der Riemen wird auf eine „höhere Umlaufbahn“ gebracht. So wie sich der Riemen am ersten Kegelscheibenpaar nach außen bewegt, steigt die Spannung auf den Riemen und verkleinert gegen eine Federkraft den Abstand des zweiten Kegelscheibenpaares, wodurch dessen wirksamer Durchmesser verkleinert wird. Durch beide Änderungen im wirksamen Durchmesser wird so das Übersetzungsverhältnis zwischen Motor und Antriebsrad geändert.
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Bei diesen CVT-Getrieben ist die Änderung des Übersetzungsverhältnisses also rein von der Drehzahl des Motors gesteuert und kann nicht auf Laständerungen reagieren. Gerade bei hohen Belastungen, zum Beispiel beim Bergauffahren eines überladenen Fahrzeugs, reicht die niedrigere Motordrehzahl oft nicht, um genug Fliehkraft für die richtige Übersetzung aufzubieten. Dies führt zu Schlupf am Riemen und so zu niedrigerer Effizienz. Das Fahrgefühl leidet, da die die Lage der Fliehgewichte nicht unbedingt dem wunschgemäßen Erhöhen der Leistung durch Gasgeben entspricht. Die Überlastung und der Riemenschlupf beim Bergauffahren führen mit der Zeit zu einer Verlängerung des Riemens und damit zu einem Leistungsverlust.
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Daraus entstand der Wunsch, das Übersetzungsverhältnis anders als über die Drehzahl - also willkürlich - verändern zu können, zum Beispiel mittels elektrischer oder hydraulischer Aktuatoren, die das Übersetzungsverhältnis auf Wunsch des Fahrers oder nach beliebigen Kriterien ändern. Hier ein Beispiel für ein Getriebe mit einer elektrischen Verstellung:
- Aus der WO 2012/051985 A2 ist ein CVT-Getriebe zur im Wesentlichen stufenlos einstellbaren Übertragung eines Drehmoments bekannt, mit einem eingangsseitigen ersten Kegelscheibenpaar, mit einer in axialer Richtung relativ zu einer ersten Gegenscheibe bewegbaren ersten Verstellscheibe, einem ausgangsseitigen zweiten Kegelscheibenpaar mit einer in axialer Richtung relativ zu einer zweiten Gegenscheibe bewegbaren zweiten Verstellscheibe, einem von dem ersten Kegelscheibenpaar und dem zweiten Kegelscheibenpaar aufgenommenen Umschlingungsmittel zur Drehmomentübertragung von dem ersten Kegelscheibenpaar zum zweiten Kegelscheibenpaar, und einer elektrischen Verstelleinrichtung am ersten Kegelscheibenpaar zum Verändern des Abstandes zwischen der ersten Verstellscheibe und der ersten Gegenscheibe. Diese Vorrichtung weist eine zweite elektrische Verstelleinrichtung für das zweite Kegelscheibenpaar auf, die unabhängig von der ersten Verstelleinrichtung arbeitet, wodurch der Gesamtaufbau etwas aufwendiger ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein CVT-Getriebe mit willkürlicher Veränderung der Übersetzung vorzuschlagen, das einfacher aufgebaut ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein CVT-Getriebe 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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Die Erfindung schlägt also ein CVT-Getriebe zur im Wesentlichen stufenlos einstellbaren Übertragung eines Drehmoments vor, mit einem eingangsseitigen ersten Kegelscheibenpaar mit einer in axialer Richtung relativ zu einer ersten Gegenscheibe bewegbaren ersten Verstellscheibe, einem ausgangsseitigen zweiten Kegelscheibenpaar mit einer in axialer Richtung relativ zu einer zweiten Gegenscheibe bewegbaren zweiten Verstellscheibe, einem von dem ersten Kegelscheibenpaar und dem zweiten Kegelscheibenpaar aufgenommenen Umschlingungsmittel zur Drehmomentübertragung von dem ersten Kegelscheibenpaar zum zweiten Kegelscheibenpaar, einer Verstelleinrichtung am ersten Kegelscheibenpaar zum Verändern des Abstandes zwischen der ersten Verstellscheibe und der ersten Gegenscheibe, wobei die Verstelleinrichtung am ersten Kegelscheibenpaar elektrisch oder hydraulisch betrieben wird, wobei die Verstelleinrichtung am ersten Kegelscheibenpaar die einzige Verstelleinrichtung ist und wobei eine Feder am zweiten Kegelscheibenpaar vorgesehen ist, die den Abstand zwischen zweiter Verstellscheibe und zweiter Gegenscheibe selbststätig verstellt.
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Die Erfinder haben erkannt, dass eine einzige Verstelleinrichtung ausreicht und dass die notwendige Verstellung des zweiten Kegelscheibenpaares über eine Feder automatisch erfolgen kann. Eine zweite Verstelleinrichtung (Aufwand, Kosten) kann damit entfallen. Es reicht, einen einzigen Aktuator/Aktor am ersten Kegelscheibenpaar anzubringen. Die korrespondierende Verstellung des zweiten Kegelscheibenpaares erfolgt dann automatisch über eine riemenvermittelte Reaktion auf das federbelastete zweite Kegelscheibenpaar.
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In einer Ausführung der Erfindung ist eine Kupplung am zweiten Kegelscheibenpaar vorgesehen. Die Kupplung kann manuell betätigt sein, von einer Elektronik gesteuert werden, oder als Fliehkraftkupplung arbeiten, die zum Beispiel ab einer bestimmten Drehzahl über dem Leerlauf gegen die Federkraft arbeitet und die Kraftübertragung zum Antriebsrad schließt. Durch Öffnen und Schließen der Kupplung kann so der Kraftschluss vom Motor zum Antriebsrad unterbrochen oder geschaffen werden. So kann zum Beispiel das „Kriechen“ im Leerlauf verhindert werden, wenn die Kupplung offen ist.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird als Verstelleinrichtung ein elektrischer oder elektronischer Aktor eingesetzt. Ein solcher elektrischer Aktor ist beispielsweise aus der
EP 1 806 514 A2 vorbekannt und ist dort als Kupplungsbetätigungsvorrichtung vorgeschlagen. Solche Komponenten werden im Englischsprachigen auch Clutch Release Bearing, CRB, genannt. Die Vorrichtung weist einen Drehhebel auf, der mittels einer Gabel das Ausrücklager einer Kupplung betätigt. Dem Drehhebel ist ein Schneckengetriebe vorgeschaltet, welches von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Erfinder haben erkannt, dass man die Vorrichtung auch als CVT-Getriebe-Betätigung einsetzen kann.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird als Verstelleinrichtung ein hydraulischer Aktor eingesetzt. Ein solcher hydraulischer Aktor ist beispielsweise aus der
DE 11 2005 000 957 B4 bekannt und dort als „Konzentrischer Nehmerzylinder“ bezeichnet. Solche Komponenten werden im Englischsprachigen auch Concentric Cylinder Hydraulic Clutch Actuator oder Concentric Slave Cylinder, CSC, genannt Die Vorrichtung sitzt auf der Antriebswelle eines Fahrzeuggetriebes und betätigt dort die Kupplung.
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Die beiden eben genannten Ausführungen der Erfindung haben den großen Vorteil gemeinsam, dass sie auf bewährte, vielfach eingesetzte und preisgünstige Komponenten der Fahrzeugtechnik zurückgreifen. Die Erfinder haben erkannt, dass man für das Verstellen von CVT-Getrieben auf bereits vorhandene Technik zurückgreifen kann, die zur Betätigung von Fahrzeugkupplungen entwickelt wurde.
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Den Erfindern gelang die Übertragung von bewährten Kupplungsbetätigungstechniken wie CRB und CSC auf das Verstellen von CVT-Getrieben in Scootern oder anderen Leichtfahrzeugen. Das erlaubt anstelle der starr an die Drehzahl gekoppelten Verstellung eine hohe Variabilität und Freiheit in der elektronischen Steuerung (Electronic Control Unit, ECU) der Übersetzung des Getriebes ganz nach dem Wunsch des Fahrers. Die Steuerung kann so eingestellt werden, dass im Leerlauf kein axialer Zug auf den Riemen wirkt, so dass das Fahrzeug im Leerlauf in Ruhe stehen bleibt und nicht „kriecht“. Auch lässt sich der Beschleunigungsvorgang so gut regeln.
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Damit erreicht man die Flexibilität, den Motor unter verschiedenen Betriebsbedingungen immer in seinem effizientesten Drehzahlbereich laufen zu lassen. So kann die Steuerung sowohl für kraftstoffsparendes Fahren als auch für gute Beschleunigung, Fahrbarkeit und Fahrkultur eingestellt werden. Der Riemenschlupf beim Bergauffahren kann über die elektronische Kontrolle verhindert werden. Das elektrische oder elektronische CVT-Getriebe (E-CVT) kann so kalibriert werden, dass der Antriebsmotor nicht immer und bei allen Geschwindigkeiten hochdrehen muss, so dass vor allem der Anfahrvorgang mit einem Verbrennungsmotor leiser erfolgen kann.
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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: ein CVT-Getriebe von außen,
- 2: den Aufbau einer Ausführung eines CVT-Getriebes,
- 3: eine Schnittdarstellung der Hauptkomponenten eines CVT-Getriebes,
- 4: ein erstes Kegelscheibenpaar,
- 5: eine Teilansicht eines CVT-Getriebes von außen,
- 6: den inneren Aufbau eines CVT-Getriebes,
- 7: ein CVT-Getriebe bei niedriger Geschwindigkeit,
- 8: das gleiche Getriebe bei hoher Geschwindigkeit,
- 9: eine Verstelleinrichtung für das erste Kegelscheibenpaar bei niedriger und bei hoher Geschwindigkeit,
- 10: den Aufbau einer Ausführung einer elektromechanischen Verstelleinrichtung,
- 11: den Aufbau einer weiteren Ausführung einer elektromechanischen Verstelleinrichtung,
- 12: ein CVT-Getriebe mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung und
- 13: ein weiteres CVT-Getriebe mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung.
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1 zeigt ein CVT-Getriebe 10 von außen. Es weist hier ein weitgehend geschlossenes Gehäuse 30 auf, an dessen einem Ende sich eine Verstelleinrichtung 26 befindet.
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2 zeigt den Aufbau einer Ausführung eines CVT-Getriebes 10. Von einem Verbrennungsmotor 32, von dem hier symbolisch ein Zylinder und eine Kurbelwelle gezeichnet sind, wird ein erstes Kegelscheibenpaar 12 als antreibendes System angetrieben, das aus der ersten Gegenscheibe 14 und der ersten Verstellscheibe 16 besteht. Parallel dazu ist ein zweites Kegelscheibenpaar 18 als angetriebenes System angeordnet, das aus der zweiten Gegenscheibe 20 und der zweiten Verstellscheibe 22 besteht. Das Drehmoment wird über das Umschlingungsmittel 24, hier ein Keilriemen mit V-Querschnitt, übertragen. Am zweiten Kegelscheibenpaar 18 befindet sich eine Kupplung 46.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung der Hauptkomponenten eines CVT-Getriebes 10. Auf einer Eingangswelle 34 befindet sich das erste Kegelscheibenpaar 12 mit Gegenscheibe 14 und Verstellscheibe 16. Auf diese Verstellscheibe wirkt eine Verstelleinrichtung 26 - hier durch zwei Pfeile angedeutet. Auf einer Ausgangswelle 36 befindet sich das zweite Kegelscheibenpaar 18 mit der Gegenscheibe 20 und der Verstellscheibe 22. Diese wird von einer Feder 28 gegen ihre Gegenscheibe 20 gedrückt. Auf der Ausgangswelle 36 befindet sich auch die Kupplung 46. Zwischen den Kegelscheibenpaaren 12 und 18 läuft das Umschlingungsmittel 24.
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4 zeigt eine Ausführung eines ersten Kegelscheibenpaares 12 als antreibendes Systemmit der ersten Gegenscheibe 14 und der ersten Verstellscheibe 16, die hier von der Verstelleinrichtung 26 gegen ihre feste Gegenscheibe 14 verstellt wird (durch den Doppelpfeil angedeutet). Als Verstelleinrichtung 26 ist hier ein Clutch Release Bearing (CRB) 38 vorgesehen. Das CRB kann so angeordnet sein, dass es die bewegliche Scheibe 16 elektrisch bewegen kann. Der innere Durchmesser des CRBs 38 gleitet auf der Welle und der äußere rotiert mit der Verstellscheibe 16 und übt so axialen Druck auf die Verstellscheibe 16 aus.
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5.zeigt eine Teilansicht einer weiteren Ausführung eines CVT-Getriebes 10 von außen, nämlich den Bereich des antreibenden Systems mit einer Gabel 40, einem Verstellmotor 42 und einem Positionssensor 44 für die Stellung des ersten Kegelscheibenpaares 12 (hier im Gehäuse 30 verborgen).
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6 zeigt den inneren Aufbau oder die Architektur eines anderen CVT-Getriebes 10 im Gehäuse 30 mit den beiden Kegelscheibenpaaren 12 und 18, dem Riemen 24 und mit dem Verbrennungsmotor 32.
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7 zeigt ein CVT-Getriebe bei niedriger Geschwindigkeit oder im Leerlauf. Die Scheiben des ersten Kegelscheibenpaares 12 am Verbrennungsmotor 32 wurden von der Verstelleinrichtung 26 weit auseinander positioniert. Der Riemen 24 läuft deshalb weit innen auf einem kleinen effektiven Durchmesser. Die Scheiben des zweiten Kegelscheibenpaares 18 an der Kupplung 46 wurden von der nicht sichtbaren Feder 28 nahe aneinander positioniert. Der Riemen 24 läuft deshalb weit außen auf einem großen effektiven Durchmesser. Die Gesamtübersetzung ist - zum Anfahren oder Langsam fahren - sehr hoch. Diese Stellung gilt auch für den Leerlauf des Verbrennungsmotors. Das axiale Verschiebemoment ist Null. Der Riemen 24 wird nicht bewegt und bleibt stehen. Keine Kraft wird an das Antriebsrad übertragen. Es bleibt stehen.
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8 zeigt das gleiche Getriebe bei hoher Geschwindigkeit Die Scheiben des ersten Kegelscheibenpaares 12 am Verbrennungsmotor 32 wurden von der Verstelleinrichtung 26 nahe zueinander positioniert. Der Riemen 24 läuft deshalb weit außen auf einem großen effektiven Durchmesser. Die Scheiben des zweiten Kegelscheibenpaares 18 an der Kupplung 46 wurden durch die Zugkraft des Riemens 24 und gegen die Feder 28 weit voneinander positioniert. Der Riemen 24 läuft deshalb innen auf einem kleinen effektiven Durchmesser. Die Gesamtübersetzung ist - zum Schnellfahren - sehr niedrig. Vorher, beim Losfahren, stieg die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Verstelleinrichtung schaltete hoch, indem sie die Abstände der Scheibem 14 und 16 verringerte. Der Riemen stieg hoch und sorgte für eine schnellere Übersetzung.
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9 zeigt eine Ausführung eines ersten Kegelscheibenpaares 12 links bei niedriger und rechts bei hoher Geschwindigkeit. Am Verbrennungsmotor befindet sich die erste Gegenscheibe 14. Auf der anderen Seite des Riemens 24 befindet sich die erste Verstellscheibe 16 und an ihr - also auf der dem Verbrennungsmotor abgewandten Seite - die Verstelleinrichtung 26. Die Verstelleinrichtung 26 umfasst hier den elektrischen Verstellmotor 42, ein Schneckengetriebe 50, welches einen Drehhebel 48 verdreht, an dem eine Gabel 40 befestigt ist. Je nach Drehrichtung des Verstellmotors 42 dreht sich der Drehhebel nach links oder nach rechts und verschiebt so über die Gabel 40 die erste Verstellscheibe 16 nach links oder nach rechts, also zur Gegenscheibe 14 hin oder von ihr weg. Im linken Teilbild sind die Scheiben 14 und 16 weit voneinander entfernt, der Riemen 24 läuft auf einem kleinen effektiven Durchmesser, die Übersetzung ist hoch, die Fahrgeschwindigkeit niedrig. Im rechten Teilbild sind die Scheiben 14 und 16 nah aneinander, der Riemen 24 läuft auf einem großen effektiven Durchmesser, die Übersetzung ist niedrig, die Fahrgeschwindigkeit hoch.
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10 zeigt den Aufbau einer Ausführung einer elektromechanischen Verstelleinrichtung 26 mit dem Verstellmotor 42, dem Schneckengetriebe 50, dem Drehhebel 48, der Gabel 40, dem Positionssensor 44 - der die Stellungen der Scheiben 14 und 16 zueinander erkennt, um das Übersetzungsverhältnis zu steuern - und einer Torsionsfeder 52.
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11 zeigt den Aufbau einer weiteren Ausführung einer elektromechanischen Verstelleinrichtung 26, wobei die Verstelleinrichtung 26 nun nicht von außen, sondern von innen zugreift. Sie ist hier also zwischen dem Verbrennungsmotor 32 und dem ersten Kegelscheibenpaar 12 angeordnet und wirkt von dort (innen) verstellend auf die erste Verstellscheibe 16, wie der Doppelpfeil anzeigt.
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12 zeigt den Aufbau einer Ausführung eines CVT-Getriebes 10 mit hydraulischer Verstelleinrichtung 26. Die Verstelleinrichtung 26 ist hier ein hydraulischer Aktuator mit einem konzentrischen Nehmerzylinder (CSC), der den Spalt des ersten Kegelscheibenpaares 12 verändert. Dies erfolgt durch Zuführen oder Ablassen einer hydraulischen Flüssigkeit (Pfeil oben rechts für Zufuhr). Die hydraulische Verstelleinrichtung 26 ist hier nicht auf der Seite des Verbrennungsmotors 32 angeordnet, sondern gegenüber.
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13 zeigt das antreibende System eines ähnlichen CVT-Getriebes 10 mit einer hydraulischen Verstelleinrichtung 26, die hier aber innen angeordnet ist, also zwischen Verbrennungsmotor 32 und ersten Kegelscheibenpaar 12.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- CVT-Getriebe
- 12
- erstes Kegelscheibenpaar
- 14
- erste Gegenscheibe
- 16
- erste Verstellscheibe
- 18
- zweites Kegelscheibenpaar
- 20
- zweite Gegenscheibe
- 22
- zweite Verstellscheibe
- 24
- Umschlingungsmittel/Riemen
- 26
- Verstelleinrichtung
- 28
- Feder
- 30
- Gehäuse
- 32
- Verbrennungsmotor
- 34
- Eingangswelle
- 36
- Ausgangswelle
- 38
- Clutch Release Bearing, CRB
- 40
- Gabel
- 42
- Verstellmotor
- 44
- Positionssensor
- 46
- Kupplung
- 48
- Drehhebel
- 50
- Schneckengetriebe
- 52
- Torsionsfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/051985 A2 [0006]
- EP 1806514 A2 [0012]
- DE 112005000957 B4 [0013]
