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Technisches Gebiet
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Die Offenbarung betrifft eine Kupplung für einen über einen Riemen angetriebenen Startergenerator sowie ein Verfahren zum Betreiben des Startergenerators in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der den Startergenerator antreibt und der von dem Startergenerator angetrieben wird.
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EP2386031 A1 offenbart eine Kupplungsvorrichtung umfassend eine Welle, die konfiguriert ist, um sich um eine Drehachse zu drehen, ein Drehelement, das konzentrisch zu der Welle ist, erste Reibungsmittel, die sich schnell mit der Welle drehen, zweite Reibungsmittel, die sich mit dem Rotationselement drehen, und konfiguriert sind, um sich in Translation zu bewegen, eine Einwegkupplung, einen Stator mit einen elektromagnetischen Aktuator, der angeordnet ist, um mindestens eines der ersten Reibungsmittel und das zweite Reibungsmittel in Translation zwischen einer freien Konfiguration und einer Kopplungskonfiguration zu bewegen. Die ersten Reibungsmittel sind parallel zur Drehachse zwischen dem elektromagnetischen Aktuator und dem zweiten Reibungsmittel angeordnet. Die Einwegkupplung ist so angeordnet, dass sie ein Drehmoment von dem Drehelement auf die Welle überträgt.
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Beschreibung
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung soll ein riemengetriebener Startergenerator und ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit dem riemengetriebenen Startergenerator und einem Verbrennungsmotor angegeben werden, mit denen eine Kraftstoffersparnis erzielt werden kann.
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Vorgesehen ist demgemäß ein riemengetriebener Startergenerator gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5. Weitere Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche, die in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar sind. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Offenbarung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß ein Startergenerator, aufweisend einen Rotor und eine Übertragungsrolle, wobei der Startergenerator zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer an den Rotor abgegebenen Rotation und zur Generierung eines Drehmoments über den Rotor ausgestaltet ist, wobei die Übertragungsrolle ein verdrehfest mit dem Rotor verbundenes Eingangsteil und ein verdrehfest mit der Übertragungsrolle verbindbares Ausgangsteil aufweist, wobei die Übertragungsrolle über einen Riemen mit einer im Betrieb rotierenden Komponente eines Verbrennungsmotors verbindbar ist, aufweisend eine Kupplung zur drehmomentübertragenden Verbindung des Ausgangsteils mit dem Eingangsteil, wobei in der Kupplung sowohl an dem Eingangsteil als auch an dem Ausgangsteil einander zugewandte, kraftschlüssig miteinander in Eingriff bringbare Verzahnungen vorgesehen sind.
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Der Startergenerator ist dazu ausgestaltet, beidseitig betrieben zu werden. In einem Kraftfahrzeug kann der Startergenerator als Generator betrieben werden, um aus einer eingehenden mechanischen Leistung elektrische Leistung zum Laden einer Batterie und zur Versorgung elektrischer Aggregate zu generieren. Hierfür ist der Startergenerator drehmomentübertragend mit einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges verbindbar, beispielsweise über einen Riemen, einen Zahnriemen, eine Kette oder dergleichen.
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Der Startergenerator kann auch als Starter zum Starten des Verbrennungsmotors betrieben werden. In diesem Modus nimmt der Startergenerator kein Drehmoment auf, sondern gibt selbst ein Antriebsmoment auf den Verbrennungsmotor. In Mildhybridfahrzeugen ist eine Antriebsleistung des Startergenerators so groß, dass er sogar das Kraftfahrzeug bewegen kann, ohne dass der Verbrennungsmotor gestartet werden muss. Ferner werden gattungsgemäße kräftige Startergeneratoren für eine Start-Stop Automatik benötigt, um eine Überlastung des Startergenerators zu vermeiden, sind Startergeneratoren für Kraftfahrzeuge mit Start-Stop Automatik leistungsfähiger ausgelegt beispielsweise kann die Antriebsleistung bzw. die Generatorleistung bei über 2kW liegen.
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Der offenbarte Startergenerator wird vorzugsweise über einen Riemen angetrieben. Der Riemen liegt an einer vom Verbrennungsmotor direkt angetriebenen Welle, insbesondere einer Kurbelwelle an. Am Startergenerator treibt der Riemen eine Übertragungsrolle an, die vorzugsweise unmittelbar angrenzend an den Startergenerator angeordnet ist.
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Gattungsgemäße Startergeneratoren weisen selbst im stromlosen Zustand ein spürbares Schleppmoment auf. Dies kann an ausgebauten Startergeneratoren manuell überprüft werden, indem man versucht, den Rotor manuell zu drehen. Das Schleppmoment ist auf eine Selbstinduktion von elektrischen Spulen im Startergenerator zurückzuführen. Obgleich das Schleppmoment gering ist, führt es dennoch bei hohen Drehzahlen zu einer Verlustleistung, die eingespart werden kann. Dies erfolgt über die beanspruchte kraftschlüssige Kupplung. Die kraftschlüssige Kupplung weist eine Verzahnung auf, die vorzugsweise ineinander eingreifende, rechtwinklige Blöcke (Zähne) und Vertiefungen aufweisen. Die Verzahnungen sind korrespondierend zueinander ausgestaltet. Vorzugsweise sind die Blöcke und Vertiefungen rechtwinkelig, damit bei geschlossener Kupplung keine Kräfte in axialer Richtung generiert werden.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung ist eine Feder vorgesehen, welche die kraftschlüssig miteinander in Eingriff bringbaren Verzahnungen aufeinander drückt, die Kupplung somit schließt und unter axialer Vorspannung hält.
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Dadurch kann ein ausfallsicherer Betrieb gewährleistet werden. Bei einem Ausfall einer die Kupplung betätigenden Aktuatorik schließt die Feder automatisch die Kupplung und der Startergenerator kann normal eingesetzt werden.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung ist eine magnetisierbare Spule vorgesehen, welche koaxial zu dem Eingangsteil angeordnet ist, wodurch das Eingangsteil in einer axialen Richtung von einer geöffneten Position in eine geschlossene Position verschiebbar ist, wobei die Verzahnungen in der geschlossenen Position drehmomentübertragend ineinander greifen und in der geöffneten Position außer Eingriff sind.
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Die Spule wirkt auf eine magnetisierbare Komponente, welche das Eingangsteil bewegt. das Eingangsteil ist drehfest mit dem Rotor verbunden. Bei entsprechender Bestromung der Spule kann die Kupplung somit geschlossen werden.
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Vorgesehen ist ferner ein Verfahren zur Steuerung einer formschlüssigen Kupplung für einen riemengetriebenen Startergenerator, aufweisend die Schritte:
- • Überprüfung, ob eine elektrische Leistung von dem Startergenerator benötigt wird, Überprüfung, ob eine mechanische Leistung vom Startorgenerator benötigt wird, und
- • Trennen der kraftschlüssigen Kupplung, wenn weder eine elektrische Leistung noch eine mechanische Leistung benötigt wird.
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Das Trennen der Kupplung kann erfolgen, indem die Verzahnungen von der geöffneten Position in die geschlossene Position bewegt werden. Dies kann aktiv über die Spule erfolgen oder indem eine Elektrifizierung der Spule deaktiviert wird.
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Das Verfahren kann dadurch weitergebildet werden, dass die formschlüssige Kupplung bei rotierendem Verbrennungsmotor wieder schließbar ist, indem folgende Schritte durchgeführt werden:
- • Erfassen einer Drehzahl des Verbrennungsmotors,
- • Kalkulation einer Drehzahl der Übertragungsrolle aus einem Übersetzungsverhältnis zwischen einer Kurbelwellenscheibe und der Übertragungsrolle,
- • Beschleunigen des Startergenerators, bis eine Drehzahl des Startergenerators der Drehzahl der Übertragungsrolle entspricht, und
- • Schließen der formschlüssigen Kupplung.
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Hierdurch kann die Drehzahl des Startergenerators vor dem Einkuppeln synchronisiert werden, damit die Zähne der Verzahnungen ineinander greifen können.
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Eine Ausführungsform betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer, insbesondere in einer Steuerelektronik eines Steuereinheit ausgeführt wird. Die Steuereinheit kann wie vorstehend beschrieben aus-, und weitergebildet sein.
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Eine Ausführungsform betrifft ein Computerprogramm mit kodierten Anweisungen zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einer Steuerelektronik einer Steuereinheit ausgeführt wird. Die Steuereinheit kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein. Das Computerprogramm kann insbesondere auf dem vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukt, beispielsweise eine Diskette, CD-ROM, DVD, Speicher, eine an das Internet angeschlossene Prozessoreinheit, gespeichert sein. Das Computerprogramm kann insbesondere als eine kompilierte oder noch nicht kompilierte Datenfolge ausgestaltet sein, die vorzugsweise auf einer höheren, insbesondere objektbasierten Computersprache basiert.
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Eine Ausführungsform betrifft eine Signalfolge mit computerlesbaren Anweisungen zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn die Signalfolge von einem Computer, insbesondere einer Steuerelektronik einer Steuereinheit verarbeitet wird. Die Steuereinheit kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein. Die Signalfolge kann insbesondere mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Computerprogramms und/oder mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukts erzeugt werden. Die Signalfolge kann als elektrische Impulse und/oder elektromagnetische Welle und/oder optische Impulse drahtlos oder drahtgebunden bereitgestellt werden.
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Ein Mittel zur Realisierung der Verfahrensschritte im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Steuereinheit mit Mikroprozessoren CPU und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Das Programm kann auf einem Speichersystem abgelegt sein. Das Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, so dass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann. In einer Ausführung sind ein oder mehrere, insbesondere alle Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchführbar.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:
- 1: schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem daran angeordneten Startergenerator, der über einen Riemen von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird oder diesen antreibt;
- 2: eine Schnittdarstellung einer Kupplung für einen Startergenerator in einer geschlossenen Position, in der eine im Eingangsteil angeordnete Verzahnung sich in Eingriff mit einer am Ausgangsteil angeordneten Verzahnung befindet, wodurch eine formschlüssige, drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Startergenerator und dem Verbrennungsmotor hergestellt wird;
- 3: eine Schnittdarstellung einer Kupplung für einen Startergenerator in einer geöffneten Position, in der ein Eingangsteil des Startergenerators von dem Ausgangsteil getrennt ist; und
- 4: schematisch einen Verfahrensablauf zur Steuerung einer Kupplung für einen Startergenerator eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzustellen, dass einige Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Schritte des Verfahrens können Multiplikationen, Summierungen und Selektionen sowie Zuordnungen sein, zum Beispiel Zuordnung von Ausgangswerten zu Eingangswerten in Kennfeldern.
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1 zeigt abschnittsweise einen Verbrennungsmotor 10 mit einem daran angeordneten Startergenerator 20. Der Startergenerator 20 ist über einen Riemen 12 antreibbar. Der Riemen 12 wird hierfür in nicht dargestellter Weise verspannt. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 treibt eine Riemenscheibe 11 den Riemen 12 rotatorisch an. Die Rotation wird über den Riemen 12 an eine Übertragungsrolle 21 übertragen. Die Riemenscheibe 11 ist drehfest mit einer Kurbelwelle 13 verbunden. Der Startergenerator 20 ist zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer an den Rotor 24 abgegebenen Rotation und zur Generierung eines Drehmoments M über den Rotor 24 ausgestaltet. Hierfür kann eine im Startergenerator 20 angeordnete Rotorwelle 23 angetrieben werden oder einen Generator antreiben. Die Rotorwelle 23 ist in geeigneter Weise drehmomentübertragend mit dem Rotor 24 verbunden. Der Startergenerator 20 kann auch den Verbrennungsmotor 10 unterstützend antreiben und starten. Die Übertragungsrolle 21 ist drehmomentübertragend mit dem im Startergenerator 20 drehbar gelagerten Rotor 24 verbindbar.
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Die drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Rotor 24 und der Übertragungsrolle 21 erfolgt über eine schaltbare Kupplung 22, die signalübertragend mit einer Steuereinheit 14 verbunden ist.
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Durch eine signalübertragende Verbindung ist die Steuereinheit 14 dazu ausgestaltet, die Kupplung 22 entsprechend einem hierin beschriebenen Verfahren zu steuern.
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Die 2 und 3 zeigen die Kupplung 22 zur drehmomentübertragenden Verbindung des Ausgangsteils 26 mit dem Eingangsteil 25 detaillierter.
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2 zeigt den Startergenerator 20 aus 1 mit dem Rotor 24 und einer Übertragungsrolle 21. Die Übertragungsrolle 21 weist ein verdrehfest mit dem Rotor 24 verbundenes Eingangsteil 25 und ein verdrehfest mit der Übertragungsrolle 21 verbindbares Ausgangsteil 26 auf, wobei die Übertragungsrolle 21 über einen Riemen 12 mit der Riemenscheibe 11 bzw. der Kurbelwelle 13 (siehe 1) verbindbar ist.
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In dem in 3 gezeigten Zustand geschlossenen Zustand ist die Kupplung 22 geöffnet, die Verzahnungen 27 und 28 sind außer Eingriff. Eine Übertragung des Drehmoments M von der Übertragungsrolle 21 auf eine Rotorwelle 23 ist in diesem Zustand nicht möglich. Dementsprechend bremst die Rotorwelle 23 nicht die Kurbelwelle 13 des Verbrennungsmotors 10 ab. In der Kupplung 22 sind sowohl an dem Eingangsteil 25 als auch an dem Ausgangsteil 26 einander zugewandte, kraftschlüssig miteinander in Eingriff bringbare Verzahnungen 27, 28 vorgesehen. In 2 ist die Kupplung geschlossen, die Verzahnungen 27 und 28 greifen ineinander. Hierfür wird das Eingangsteil durch in 2 gezeigte Federn 29 in axialer Richtung A gegen das Ausgangsteil 26. Dadurch werden die Verzahnungen 27, 28 ineinander gedrückt. Die Federn 29 halten die Kupplung somit unter axialer Vorspannung.
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Zum anschließenden Öffnen der Kupplung ist eine Spule 30 vorgesehen welche koaxial zu dem Eingangsteil 25 angeordnet ist. An dem Eingangsteil 25 ist eine in axialen Richtungen A von einer geöffneten Position O in eine geschlossene Position G verschiebbar angeordnete, magnetisierbare Komponente vorgesehen. Die magnetisierbare Komponente ist drehmomentübertragend und rotierbar mit dem Eingangsteil 25 verbunden. Die Verzahnungen 27, 28 greifen in der geschlossenen Position G drehmomentübertragend ineinander. In der geöffneten Position O sind die Verzahnungen 27, 28 außer Eingriff. Das Öffnen der Kupplung 22 kann im Betrieb, also bei rotierenden Verbrennungsmotor 10 erfolgen. Zum Schließen der Kupplung 22 bei rotierendem Verbrennungsmotor 10 muss zunächst der Rotor 24 auf eine Synchrondrehzahl gebracht werden, damit die Verzahnungen 27, 28 ineinander greifen können.
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4 zeigt bezugnehmend auf die 1 bis 3 schematisch Schritte eines Verfahrens zur Steuerung einer formschlüssigen Kupplung 22 für einen riemengetriebenen Startergenerator 21. In Schritt 41 erfolgt eine Überprüfung, ob eine elektrische Leistung Pel von dem Startergenerator 21 benötigt wird. In Schritt 42 erfolgt eine Überprüfung, ob eine mechanische Leistung PM vom Startorgenerator 21 benötigt wird, und in Schritt 43 erfolgt ein Trennen der formschlüssigen Kupplung 21, wenn weder eine elektrische Leistung Pel noch eine mechanische Leistung PM benötigt wird. Hierdurch muss der Startergenerator 21 nicht vom Verbrennungsmotor 10 mitgeschleppt werden, wenn keine elektrische Energie für das Kraftfahrzeug erzeugt werden muss. Ebenso wird der Startergenerator 21 getrennt, wenn er den Verbrennungsmotor 10 weder unterstützen noch starten muss.
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Um die Kupplung 22 bei laufendem Verbrennungsmotor 10 wieder zu schließen, ist wie gesagt eine Synchronisierung einer Drehzahl n20 des Startergenerators 20 an eine Drehzahl n21 der vom Verbrennungsmotor 10 stets angetriebenen Übertragungsrolle 21 erforderlich, damit die Verzahnungen 27, 28 ineinander greifen können.
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Hierfür wird ein Verfahren entsprechend 5 vorgeschlagen. Damit die Kupplung 22 im Betrieb, also bei rotierendem Verbrennungsmotor 10 schließbar ist, können folgende Schritte durchgeführt werden: In Schritt 51 wird eine Drehzahl n10 des Verbrennungsmotors 10 erfasst. In Schritt 52 erfolgt eine Kalkulation einer Drehzahl n21 der Übertragungsrolle 21 aus einem Übersetzungsverhältnis zwischen einer Riemenscheibe 11 und der Übertragungsrolle 21. In Schritt 53 erfolgt ein Beschleunigen des Startergenerators 20 bzw. des Rotors 24, bis eine Drehzahl n20 des Startergenerators 20 der Drehzahl n21 der Übertragungsrolle 21 entspricht, und in Schritt 54 erfolgt ein Schließen der formschlüssigen Kupplung 22 in der oben beschriebenen Weise. Falls die Zähne der Verzahnungen 27, 28 genau übereinander liegen, kann vorgesehen sein, den Rotor 24 im Augenblick des Schließens der Kupplung 22 etwas langsamer drehen zu lassen, so dass die Zähne der Verzahnungen 27, 28 winkelig versetzt werden und mit der Feder 29 ineinander gedrückt werden können.
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Gleichwohl zumindest ein Ausführungsbeispiel in der vorangegangenen Beschreibung sowie der Figurenbeschreibung dargestellt wurde, sollte man anerkennen, dass eine hohe Anzahl an Variationen existiert. Weiterhin sollte man anerkennen, dass das Ausführungsbeispiel bzw. die Ausführungsbeispiele nur Beispiele sind und dass sie nicht dazu dienen, den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder die genaue Ausgestaltung in irgendeiner Art und Weise zu beschränken. Vielmehr stellen die Beschreibung sowie die Figurenbeschreibung für den Fachmann eine nützliche Anleitung zur Implementierung mindestens einer Ausführungsform bereit, dabei sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und Funktion der beschriebenen Merkmale vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche und deren Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 11
- Riemenscheibe
- 12
- Riemen
- 13
- Kurbelwelle
- 14
- Steuereinheit
- 20
- Startergenerator
- 21
- Übertragungsrolle
- 22
- Kupplung
- 23
- Rotorwelle
- 24
- Rotor
- 25
- Eingangsteil
- 26
- Ausgangsteil
- 27
- Verzahnung
- 28
- Verzahnung
- 29
- Feder
- 30
- Spule
- 41
- Schritt
- 42
- Schritt
- 43
- Schritt
- 51
- Schritt
- 52
- Schritt
- 53
- Schritt
- 54
- Schritt
- A
- axiale Richtungen
- O
- Position
- n10
- Drehzahl
- n20
- Drehzahl
- G
- Position
- Pel
- elektrische Leistung
- PM
- mechanische Leistung
- M
- Drehmoment
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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