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Die Erfindung betrifft ein Antriebsystem für ein Elektrofahrrad.
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Derartige Antriebssysteme für Elektrofahrräder sind allgemein bekannt, wobei unter Elektrofahrrädern sowohl die als E-Bike üblicherweise bezeichneten als auch die als Pedelec bezeichneten Elektrofahrräder gemeint sind. Der Unterschied zwischen einem E-Bike und einem Pedelec besteht darin, dass bei einem E-Bike der Antrieb durch das Antriebssystem auch ohne eines durch den Fahrer in die Tretkurbelwelle eingebrachten Fahrerdrehmoments erfolgen kann. Im Gegensatz dazu dient beim Pedelec das Antriebssystem ausschließlich als Antriebsunterstützung, wobei die Höhe der Unterstützung einerseits von dem eingestellten Unterstützungsmodus und andererseits von dem in die Tretkurbelwelle durch den Fahrer eingebrachten Fahrerdrehmoment abhängt.
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Die Antriebssysteme weisen üblicherweise einen Elektromotor und ein Getriebe auf, wobei der Elektromotor über das Getriebe ein Abtriebselement antreibt. Das Abtriebselement kann die Tretkurbelwelle sein, wobei die Tretkurbelwelle derart als Summierelement dient, dass das durch den Fahrer bereitgestellte, in die Tretkurbelwelle eingeleitete Fahrerdrehmoment und das durch den Elektromotor bereitgestellte Motordrehmoment zu einem Abtriebsdrehmoment summiert werden. Das Abtriebsdrehmoment wird üblicherweise über ein Kettenblatt und eine Kette oder ein Riemenrad und einen Riemen an das Hinterrad des Elektrofahrrades übertragen. Anderenfalls kann das Abtriebselement auch ein separates Summierelement sein, mit welchem einerseits das Kettenblatt oder das Riemenrad drehmomentübertragend verbunden ist. Andererseits wird das in die Tretkurbelwelle eingeleitete Fahrerdrehmoment und das durch den Elektromotor bereitgestellte Motordrehmoment an das Abtriebselement übertragen, wobei zwischen dem Elektromotor und dem Abtriebselement ein motorseitiges Getriebe zwischengeschaltet ist. Zusätzlich kann auch ein fahrerseitiges Getriebe zwischen dem Abtriebselement und der Tretkurbelwelle zwischengeschaltet sein. Bei dieser Ausführung ist die Tretkurbelwelle nicht das Abtriebselement.
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Nachteilig an bereits aus dem Stand der Technik bekannten Antriebssystemen für Elektrofahrräder ist, dass diese einen relativ großen Bauraum aufweisen, wobei die großbauenden Antriebssysteme den ästhetischen Gesamteindruck des Elektrofahrrades beeinträchtigen und ggfs. die Bodenfreiheit, welche insbesondere bei sogenannten E-Mountainbike eine entscheidende Rolle spielt, reduzieren.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompakt bauendes und dennoch eine hohe Antriebsleistung bereitstellendes Antriebssystem für ein Elektrofahrrad zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für ein Elektrofahrrad gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem weist ein Abtriebselement und eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem Getriebe auf, wobei der Elektromotor über das Getriebe mit dem Abtriebselement wirkverbunden ist. Das Abtriebselement dient der Summierung des durch den Fahrer bereitgestellten, in die Tretkurbelwelle eingeleiteten Fahrerdrehmoments und des durch den Elektromotor bereitgestellten Motordrehmoments zu einem Abtriebsdrehmoment, wobei das Abtriebsdrehmoment über ein Kettenblatt und eine Kette oder ein Riemenrad und einen Riemen an das Hinterrad des Elektrofahrrades übertragen wird.
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Das zwischen dem Elektromotor und dem Abtriebselement zwischengeschaltete Getriebe weist mindestens drei Getriebestufen auf, d. h. eine motorseitige Stirnradstufe, eine abtriebsseitige Stirnradstufe und eine Kegelradstufe auf. Die Kegelradstufe ist zwischen den beiden Stirnradstufen angeordnet. Die Stirnradstufen weisen jeweils zwei ineinandergreifende Stirnräder auf. Die Kegelradstufe weist zwei, ineinandergreifende Kegelräder auf, wobei die Kegelradstufe insbesondere dazu dient, dass der Elektromotor mit einem beliebigen Winkel ungleich Null zum Abtriebselement angeordnet werden kann, wodurch der Bauraum des Antriebssystems reduziert werden kann. In anderen Worten ausgedrückt, kann der Elektromotor derart relativ zum Abtriebselement ausgerichtet werden, dass die Längsachse bzw. die Drehachse des Elektromotors einen beliebigen Winkel mit der Längs- bzw. Drehachse des Abtriebselements einschließen kann, wobei die Kegelradstufe entsprechend des gewählten Winkels ausgestaltet sein muss. Vorzugsweise ist die Kegelradstufe als 90°-Kegelradstufe ausgeführt.
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Ein weiterer entscheidender Aspekt ist, dass die Kegelradstufe zwischen den beiden Stirnradstufen angeordnet ist, wodurch das dabei an der Kegelradstufe vorliegende, übertragene Drehmoment noch relativ gering ist und nicht dem an der abtriebsseitigen Getriebestufe entspricht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein erstes Stirnrad der motorseitigen Stirnradstufe koaxial zur Längsachse des Elektromotors angeordnet und rotiert um eine erste Drehachse, ein in das erste Stirnrad der motorseitigen Stirnradstufe kämmendes, zweites Stirnrad der motorseitigen Stirnradstufe und ein erstes Kegelrad der Kegelradstufe sind drehfest miteinander verbunden und rotieren um eine zweite Drehachse, ein in das erste Kegelrad kämmendes, zweites Kegelrad der Kegelradstufe und ein erstes Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe sind miteinander drehfest verbunden und rotieren gemeinsam um eine dritte Drehachse, und ein zweites Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe ist koaxial zur Längsachse des Abtriebselements angeordnet, wobei das Abtriebselement und das zweite Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe gemeinsam um eine vierte Drehachse rotieren. Vorzugsweise sind die erste Drehachse und die zweite Drehachse parallel zueinander angeordnet und die dritte Drehachse und die vierte Drehachse sind parallel zueinander angeordnet, wobei die erste Drehachse quer zur dritten Drehachse ausgerichtet ist. Dadurch kann ein bauraumsparendes Getriebe bereitgestellt werden, wobei das Getriebe eine derartige Übersetzung aufweist, dass der Elektromotor mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Um das erforderliche Übersetzungsverhältnis des Getriebes bereitzustellen, müssen die Stirnräder der Übersetzungsstufen eine gewisse Größe aufweisen. Durch die Kegelradstufe wird das durch den Elektromotor in die motorseitige Stirnradstufe eingeleitete Drehmoment in eine andere Raumrichtung umgeleitet und an die abtriebsseitige Stirnradstufe weitergeleitet. Dadurch kann der Bauraum, insbesondere die Länge, des Antriebssystems reduziert werden.
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Vorzugsweise weist das Getriebe eine zwischen der motorseitigen Stirnradstufe und der Kegelradstufe und/oder zwischen der abtriebsseitigen Stirnradstufe und der Kegelradstufe geschaltete Zusatzstirnradstufe auf, wobei ein erstes Stirnrad der motorseitigen Stirnradstufe koaxial zur Längsachse des Elektromotors angeordnet ist und um eine erste Drehachse rotiert, ein in das erste Stirnrad der motorseitigen Stirnradstufe kämmendes, zweites Stirnrad der motorseitigen Stirnradstufe und ein erstes Stirnrad der Zusatzstirnradstufe sind drehfest miteinander verbunden und rotieren gemeinsam um eine Zusatzdrehachse, ein in das erste Stirnrad der Zusatzstirnradstufe kämmendes, zweites Stirnrad und ein erstes Kegelrad der Kegelradstufe sind drehfest miteinander verbunden und rotieren gemeinsam um eine zweite Drehachse, ein in das erste Kegelrad kämmendes, zweites Kegelrad der Kegelradstufe und ein erstes Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe sind miteinander drehfest verbunden und rotieren gemeinsam um eine dritte Drehachse, und ein zweites Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe ist koaxial zur Längsachse des Abtriebselements angeordnet, wobei das Abtriebselement und das zweite Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe gemeinsam um eine vierte Drehachse rotieren. Dadurch kann das Übersetzungsverhältnis jeder einzelnen Übersetzungsstufe reduziert werden. Außerdem können die Verhältnisse zwischen den unterschiedlichen Erstreckungsrichtungen des Antriebssystems, d. h. der Höhenrichtung, der Tiefenrichtung und der Längenrichtung, besser an den gewünschten Bauraum angepasst werden.
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Vorzugsweise überlagern sich das zweite Kegelrad der Kegelradstufe und das zweite Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe und/oder das zweite Kegelrad der Kegelradstufe und der Elektromotor in Längenrichtung. Weiterhin bevorzugt überlagern sich das zweite Stirnrad der motorseitigen Stirnradstufe und der Elektromotor und/oder das zweite Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe und das zweite Stirnrad der motorseitigen Stirnradstufe in Längenrichtung und/oder in Tiefenrichtung. Auf diese Weise kann der Bauraum der Antriebseinheit reduziert werden.
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Vorzugsweise überlagern sich das zweite Stirnrad der Zusatzstirnradstufe, die zweite Stirnradstufe der motorseitigen Stirnradstufe und das zweite Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe in Längenrichtung. Dadurch kann ebenfalls der Bauraum des Antriebssystems reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Getriebe ein Gesamtübersetzungsverhältnis von 1:40 bis 1:50 auf, vorzugsweise von 1:40 - 1:45. Dadurch kann ein relativ schnelldrehender und bauraumsparender Elektromotor verwendet werden und dennoch die für die Summierung des Fahrerdrehmoments und des Motordrehmoments erforderliche, insbesondere durch den Fahrer bestimmte Abtriebsdrehzahl bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist eine Längsachse des Elektromotors senkrecht zu einer Längsachse des Abtriebselements ausgerichtet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Antriebsgehäuse vorgesehen, in welchem der Elektromotor, das Getriebe und zumindest abschnittsweise das Abtriebselement angeordnet sind, wobei die Höhenerstreckung des zweiten Stirnrades der abtriebsseitigen Stirnradstufe im Wesentlichen die Höhe der Antriebseinheit bestimmt. Dabei weist das zweite Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe betrachtet in Höhenrichtung einen derart großen Durchmesser auf, dass die Stirnräder bzw. Kegelräder der anderen Getriebestufen das zweite Stirnrad der abtriebsseitigen Stirnradstufe nicht bzw. nur geringfügig überragen. Die Höhe des Antriebsgehäuses orientiert sich an der Höhenerstreckung des zweiten Stirnrads der abtriebsseitigen Stirnradstufe.
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Vorzugsweise ist ein Antriebsgehäuse vorgesehen, in welchem der Elektromotor, das Getriebe und größtenteils das Abtriebselement angeordnet sind, wobei der Elektromotor die Tiefe der Antriebseinheit bestimmt. Hierbei bildet der Elektromotor die maximale Erstreckung in Tiefenrichtung, so dass die Tiefe des Antriebsgehäuses durch die Tiefenerstreckung des Elektromotors bestimmt ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Abtriebselement eine Tretkurbelwelle. Dadurch dient die Tretkurbelwelle derart als Summierelement, dass das durch den Fahrer bereitgestellte, in die Tretkurbelwelle eingeleitete Fahrerdrehmoment und das durch den Elektromotor bereitgestellte Motordrehmoment zu einem Abtriebsdrehmoment summiert werden. An der Tretkurbelwelle ist üblicherweise ein Kettenblatt oder ein Riemenrad befestigt, wobei das Kettenblatt über eine Kette oder das Riemenrad über einen Riemen mit einer Hinterradnabe des Elektrofahrrades drehmomentübertragend verbunden ist. Alternativ kann das Abtriebselement ein zusätzliches Element sein, welches einerseits mit einem Kettenblatt oder einem Riemenrad wirkverbunden ist und andererseits mit der Tretkurbelwelle und mit dem Elektromotor wirkverbunden ist. Dabei kann beispielsweise zwischen der Tretkurbelwelle und dem Abtriebselement ein Getriebe zwischengeschaltet sein.
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Damit wird ein bauraumsparendes Antriebssystem für ein Elektrofahrrad bereitgestellt.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch eine erste Ausführung eines Antriebssystems in Frontalansicht,
- 2 zeigt schematisch die erste Ausführung des Antriebssystems aus 1 in Draufsicht,
- 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführung eines Antriebssystems in Frontalansicht, und
- 4 zeigt schematisch die zweite Ausführung des Antriebssystems aus 3 in Draufsicht.
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Die 1 und 2 zeigen eine erste Ausführung eines Antriebssystems 10 für ein Elektrofahrrad, wobei das Elektrofahrrad üblicherweise außerdem eine Traktionsbatterie und eine Bedieneinheit aufweist. Die Traktionsbatterie dient der Versorgung des Antriebssystems 10 mit elektrischer Energie. Die Bedieneinheit dient insbesondere der Einstellung der durch das Antriebssystem 10 zur Verfügung zu stellenden Antriebsleistung. Dies erfolgt bei einem Pedelec durch die Einstellung der Überstützungsstufe.
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Das Antriebssystem 10 weist ein Antriebsgehäuse 12 auf, welches schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist und einen Gehäuseinnenraum 13 begrenzt. Das Antriebsgehäuse 12 weist eine Höhe H, eine Länge L und eine Tiefe T auf. Die Länge L des Antriebsgehäuses 12 ist bevorzugt zwischen 110 mm und 150 mm. Die Tiefe T des Antriebsgehäuses 12 ist bevorzugt zwischen 80 mm und 100 mm. Die Höhe H des Antriebsgehäuses 12 ist bevorzugt zwischen 60 mm und 90 mm.
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In dem Gehäuseinnenraum 13 sind eine Antriebseinheit 16 sowie ein Abtriebselement 14 angeordnet. In dem Gehäuseinnenraum 13 ist außerdem eine in der Figur nicht gezeigte Steuereinheit, insbesondere eine Leiterplatte mit unterschiedlichen, dazugehörigen Komponenten, angeordnet, welche der Steuerung der Antriebseinheit 16 dient.
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Das Abtriebselement 14 ist eine Tretkurbelwelle 15, welche um eine Längsachse L2 rotiert und mit beiden Endabschnitten aus dem Antriebsgehäuse 12 herausragt. Die aus dem Antriebsgehäuse 12 herausragenden Endabschnitte weisen eine drehmomentübertragende Formschlussgeometrie auf, über welche jeweils eine in den Figuren nicht dargestellte Tretkurbel drehmomentübertragend mit der Tretkurbelwelle 15 verbunden ist. An den Tretkurbeln ist jeweils ein Pedal drehbar gelagert. An einem dem beiden auf dem Antriebsgehäuse 12 herausragenden Endabschnitten der Tretkurbelwelle 15 ist außerdem ein Kettenblatt oder ein Riemenrad befestigt, wobei das Kettenblatt über eine Kette oder das Riemenrad über einen Riemen mit einer Radnabe eines Hinterrades des Elektrofahrrades verbunden ist. Auf diese Weise kann ein über die Pedale und die Tretkurbeln in die Tretkurbelwelle 15 eingeleitetes Fahrerdrehmoment über das Kettenblatt und die Kette oder das Riemenrad und den Riemen an das Hinterrad weitergeleitet werden.
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Die Antriebseinheit 16 weist einen Elektromotor 20 und ein als Untersetzungsgetriebe ausgeführtes Getriebe 30 auf, wobei der Elektromotor 20 über das Getriebe 30 mit dem Abtriebselement 14, d. h. mit der Tretkurbelwelle 15, wirkverbunden ist und die Tretkurbelwelle 15 mit einem Motordrehmoment durch den Elektromotor 20 antreibbar ist. Damit dient die Tretkurbelwelle 15 als Summierelement, wobei das durch den Fahrer in die Tretkurbelwelle 15 eingeleitete Fahrerdrehmoment und das durch den Elektromotor 20 in die Tretkurbelwelle 15 eingeleitete Motordrehmoment zu einem Gesamtdrehmoment summiert werden und das Gesamtdrehmoment zum Antrieb des Elektrofahrrades an dem Kettenblatt bereitgestellt wird.
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Das Getriebe 30 weist eine motorseitige Stirnradstufe 32, eine abtriebsseitige Stirnradstufe 36 und eine Kegelradstufe 34 auf, wobei die Kegelradstufe 34 erfindungsgemäß zwischen den beiden Stirnradstufen 32, 36 angeordnet bzw. geschaltet ist. Die motorseitige Stirnradstufe 32 weist ein erstes Stirnrad 321 und ein zweites, in das erste Stirnrad 321 kämmendes Stirnrad 322 auf. Die abtriebsseitige Stirnradstufe 36 weist ein erstes Stirnrad 361 und ein zweites, in das erste Stirnrad 361 kämmendes Stirnrad 362 auf. Die Kegelradstufe 34 weist ein erstes Kegelrad 341 und ein zweites, in das erste Kegelrad 341 kämmendes Kegelrad 342 auf.
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Das erste Stirnrad 321 ist koaxial zur einer senkrecht zur Längsachse L2 des Antriebselements 14 ausgerichteten Längsachse L1 des Elektromotors 20 angeordnet und drehfest mit einem nicht dargestellten Rotor des Elektromotors 20 verbunden, so dass das erste Stirnrad 321 der motorseitigen Stirnradstufe 32 durch den Elektromotor 20 angetrieben wird. Dabei rotieren der Rotor des Elektromotors 20 und das erste Stirnrad 321 gemeinsam um eine erste Drehachse 33. Das zweite Stirnrad 322 der motorseitigen Stirnradstufe 32 ist drehfest mit dem ersten Kegelrad 341 verbunden, wobei das zweite Stirnrad 322 der motorseitigen Stirnradstufe 32 und das erste Kegelrad 341 der Kegelradstufe 34 gemeinsam um eine zweite, parallel zur ersten Drehachse 33 verlaufende Drehachse 35 rotieren. Das erste Kegelrad 341 kämmt in das zweite Kegelrad 342 der Kegelradstufe 34, wobei das zweite Kegelrad 342 mit dem ersten Stirnrad 361 der abtriebsseitigen Stirnradstufe 36 drehfest verbunden ist. Das zweite Kegelrad 342 und das erste Stirnrad 361 der abtriebsseitigen Stirnradstufe 36 rotieren gemeinsam um eine dritte Drehachse 37, welche senkrecht zur ersten Drehachse 33 und zur zweiten Drehachse 35 ausgerichtet ist. Das zweite Stirnrad 362 ist einerseits mit der Tretkurbelwelle 15 drehfest verbunden und rotiert dadurch gemeinsam mit der Tretkurbelwelle 15 um eine vierte Drehachse 39 und um eine sich mit der vierten Drehachse 39 überlagerte Längsachse L2 der Tretkurbelwelle 15. Andererseits kämmt das zweite Stirnrad 362 der abtriebsseitigen Stirnradstufe 36 in das dazugehörige erste Stirnrad 361.
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Um einen möglichst geringen Bauraum des Antriebssystems 10 bereitzustellen, sind die Stirnradstufen 32, 36 und die Kegelradstufe 34 derart ausgeführt, dass sich der Elektromotor 20, die Stirnradstufen 32, 36 und/oder die Kegelradstufe 34 in Höhenrichtung H, in Längenrichtung L und/oder in Tiefenrichtung T überlagern. Insbesondere überlagern sich das zweite Kegelrad 342 der Kegelradstufe 34 und das zweite Stirnrad 362 der abtriebsseitigen Stirnradstufe 36 sowie das zweite Kegelrad 342 der Kegelradstufe 34 und der Elektromotor 20 in Längenrichtung L. Weiterhin überlagern sich das zweite Stirnrad 322 der motorseitigen Stirnradstufe 32 und der Elektromotor 20 sowie das zweite Stirnrad 362 der abtriebsseitigen Stirnradstufe 36 und das zweite Stirnrad 322 der motorseitigen Stirnradstufe 32 in Längenrichtung L und in Tiefenrichtung T. Das zweite Stirnrad 362 der abtriebsseitigen Stirnradstufe 36 weist in Höhenrichtung betrachtet den größten Durchmesser und bestimmt dadurch die Höhe des Antriebsgehäuses 12.
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Die 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführung des Antriebssystems 10. Dabei ist der entscheidende Unterschied zur ersten, in den 1 und 2 gezeigten Ausführung des Antriebssystems 10, dass das Getriebe 30, anstelle wie in der ersten Ausführung dreistufig, vierstufig ausgeführt ist und eine Zusatzgetriebestufe 38 aufweist. Die Übersetzungsverhältnisse der einzelnen Getriebestufen 32, 34, 36 sind entsprechend angepasst. Die anderen Komponenten des Antriebssystems 10 sind identisch zur ersten Ausführung aus den 1 und 2.
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Die Zusatzstirnradstufe 38 ist zwischen die motorseitige Stirnradstufe 23 und die Kegelradstufe 34 geschaltet und weist ein erstes Stirnrad 381 sowie ein zweites Stirnrad 382 auf. Das erste Stirnrad 381 ist drehfest mit dem zweiten Stirnrad 322 der motorseitigen Stirnradstufe 32 verbunden und rotiert gemeinsam mit dem zweiten Stirnrad 322 um eine Zusatzdrehachse 41. Das zweite Stirnrad 382 der Zusatzstirnradstufe 38 kämmt in das erste Stirnrad 381 und ist drehfest mit dem ersten Kegelrad 341 der Kegelradstufe 34 verbunden. Das zweite Stirnrad 382 rotiert gemeinsam mit dem ersten Kegelrad 341 um die zweite Drehachse 35. Das zweite Stirnrad 382 der Zusatzstirnradstufe 38, das zweite Stirnrad 322 der motorseitigen Stirnradstufe 32 und das zweite Stirnrad 362 der abtriebsseitigen Stirnradstufe 36 überlagern sich in Längenrichtung. Der Elektromotor 20 weist in Tiefenrichtung betrachtet den größten Durchmesser auf und bestimmt dadurch die Tiefe des Antriebsgehäuses 12.
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Durch eine derartige erste Ausführung des Antriebssystems 10 kann dieses kompakt ausgeführt werden, wobei das Antriebssystem 10 eine relativ geringe Höhe H und eine relativ geringe Länge L aufweist. Durch die zweite Ausführung des Antriebssystems 10 bleibt die Höhe H wie bei der ersten Ausführung erhalten, wobei durch die Zusatzstirnradstufe 38 sich die Länge L erhöht und sich die Tiefe T reduziert. Damit kann wahlweise ein relativ kurzes Antriebssystem 10 oder ein relativ schmales Antriebssystem 10 bereitgestellt werden.
