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Die Anmeldung betrifft eine Antriebseinheit für ein Leichtfahrzeug der Klasse L mit einer Elektromotor-Getriebe-Einheit und mit einer Motorhalterung.
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Der Begriff „Leichtfahrzeuge der Klasse L“ erfasst ein breites Spektrum unterschiedlicher Fahrzeugtypen mit zwei, drei oder vier Rädern, z. B. zwei- und dreirädrige Kleinkrafträder, zwei- und dreirädrige Krafträder und Krafträder mit Beiwagen.
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Die Typgenehmigungsanforderungen für Fahrzeuge der Klasse L sind derzeit in der Richtlinie 2002/24/EG des Europäischen Parlaments und des Rates festgelegt. Darüber hinaus enthält eine ganze Reihe von Richtlinien, auf die in der Rahmenrichtlinie Bezug genommen wird, ausführliche technische Anforderungen für Fahrzeuge der Klasse L.
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Leichtfahrzeuge der Klasse L, oder auch kurz "Leichtfahrzeug", unterscheiden sich von anderen Fahrzeugen dadurch, daß Wert auf konsequenten Leichtbau gelegt wird, um die Reichweite bei gesetzlich geregelter maximaler Leistung zu maximieren. Für einen Konstrukteur eines solchen Leichtfahrzeugs stellt sich somit die Aufgabe, einen vorgegebenen elektrischen Antrieb in einen möglichst leicht auszuführenden Rahmen des Fahrzeugs zu integrieren, der auch das Fahrwerk trägt, um dieses mit dem Antrieb anzutreiben.
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Die Anmeldung stellt einen elektrischen Antrieb für ein solches Leichtfahrzeug bereit, der besonders einfach in einen bestehenden Rahmen integriert werden kann, indem die an einem Zentralbereich der Motorhalterung vorgesehenen zwei Rahmen-Anschlagbereiche mit unmittelbar Rahmenbereichen des Fahrzeugs verbunden werden. Dazu kann ein Rahmen-Anschlagbereich per Klebung in einen Kunststoff-Komposit-Rahmen eingebunden werden. Alternativ dazu kann der Rahmen-Anschlagbereich auch per Schweißung oder Lötung in einen aus Metall bestehen Rahmen integriert werden.
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Die Motorhalterung hat dazu einen Zentralbereich mit zwei Rahmen-Anschlagbereichen, wobei der Zentralbereich einen sich zwischen den Anschlagbereichen erstreckenden Wärmekontaktsteg aufweist.
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Eine besonders vorteilhafte Gestaltung ergibt sich dabei, wenn die Motorhalterung so im Rahmen angeordnet wird, daß sich Flächenbereiche von Wärmeaufnahmefläche und Wärmeabgabefläche unter der Elektromotor-Getriebe-Einheit befinden. Dadurch wird das Eigenwicht der Elektromotor-Getriebe-Einheit von der Motorhalterung getragen, ohne die Befestigungsmittel zu belasten. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn sich Flächenbereiche von Wärmeaufnahmefläche und Wärmeabgabefläche zwischen der Elektromotor-Getriebe-Einheit und einem weiteren Abtriebselement befinden.
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Der Zentralbereich weist dabei einen sich zwischen den Anschlagbereichen erstreckenden Wärmekontaktsteg auf. Der Wärmekontaktsteg ist dabei als mechanische Verstärkung der Motorhalterung ausgeführt, so daß diese als tragendes Bestandteil des Rahmens vorgesehen werden kann. Ein damit angefertigtes Fahrzeug fällt somit leichter als andere Fahrzeuge mit gleicher Leistung aus.
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Die Anmeldung sieht eine Wärmeaufnahmefläche an dem Kontaktsteg vor, die mit einer am Umfang eines Motorgehäuses der Elektromotor-Getriebe-Einheit angeordneten Wärmeabgabefläche in Kontakt steht. Durch dieses Merkmal werden zwei Funktionen bewerkstelligt, nämlich einmal eine verbesserte Wärmeableitung der Elektromotor-Getriebe-Einheit an die Motorhalterung und damit an die Umwelt, und zum anderen eine verbesserte Stabilität des Fahrzeugs. Gerade bei Leichtfahrzeugen stellt sich die Problematik, daß die Anforderungen an eine Stabilität und Festigkeit des Rahmens der Anforderung eines Leichbaus zuwiderlaufen.
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Mit der Gestaltung der Anmeldung kann der Elektromotor fest an der Motorhalterung befestigt werden, ohne daß zusätzliche Halterungen benötigt werden. Die Umfangsfläche des Motorgehäuses, die sich um die Wellen der Elektromotor-Getriebe-Einheit herum erstreckt, überträgt deren Drehmomente zuverlässig auf die Motorhalterung, von wo aus sie in den Rahmen des Fahrzeugs eingeleitet werden. Die flächige Ausbildung der Befestigung des Motorgehäuses in der Motorhalterung stellt dabei sicher, daß Scherkräfte in Richtung einer Motorwelle, Drehmomente in Umfangsrichtung und Kippmomente in einer Richtung quer zur Motorwelle zuverlässig übertragen werden, ohne eine übermäßige punktuelle Belastung des Motorgehäuses oder der Motorhalterung zu erfordern.
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Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführung, bei der die Wärmeaufnahmefläche und Wärmeabgabefläche als Passflächenkombination ausgebildet sind, weil sich dabei ein Kraftübergang mit geringer lokaler Flächenpressung einstellt, anders als bei einer Befestigung der Elektromotor-Getriebeeinheit an einzelnen Schraubstellen. Dies ermöglicht es, insbesondere das Gehäuse der Elektromotor-Getriebe-Einheit besonders leicht auszuführen, wobei Lagerungen im Inneren der Elektromotor-Getriebe-Einheit einfach über ihren Umfang verteilt mit dem Motorgehäuse verbunden werden können, und nicht mit diskreten Lagerböcken, wie bei schweren Antriebseinheiten.
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Ein Anschlagbereich oder beide Anschlagbereiche haben jeweils eine Antriebsbefestigungsbohrung mit einem sich zwischen Motorhalterung und Motorgehäuse erstreckenden Befestigungsmittel zur dauerhaften Verbindung zwischen Elektromotor-Getriebe-Einheit insbesondere mit einer Schraubenverbindung, wobei die Antriebsbefestigungsbohrung in einer Richtung quer zur Erstreckung der Wärmeübergangsfläche verläuft. Dabei kann die Antriebsbefestigungsbohrung in einer Richtung quer zur Erstreckung auch eines Bereichs der Wärmeaufnahmefläche verlaufen, wenn diese gekrümmt ist, während sie zu anderen Bereichen parallel verläuft. Durch diese Gestaltung wird sichergestellt, daß die Befestigungsmittel die Wärmeaufnahmefläche und die Wärmeabgabefläche zusammenziehen, was den Wärmeübergang und die Stabilität der Anordnung verbessert.
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Wenn die Wärmeaufnahmefläche und die Wärmeabgabefläche bezüglich einer Längsachse der Elektromotor-Getriebe-Einheit eine gemeinsame Krümmung aufweisen, dann ergibt sich eine erhöhte Stabilität der Verbindung mit der Motorhalterung, weil Querkräfte auf das Motorgehäuse, wie sie beim Einleiten von Drehmoment in die Motorhalterung entstehen in eine Kombination von Quer- und Normalkräften in Bezug auf die Wärmeaufnahmefläche und die Wärmeabgabefläche umgewandelt werden. Die Normalkräfte können dabei unmittelbar von der Motorhalterung aufgenommen werden, ohne daß dafür Kräfte von den Befestigungsmitteln aufgenommen werden brauchen.
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Eine besonders vorteilhafte Gestaltung ergibt sich dabei, wenn die Motorhalterung so im Rahmen angeordnet ist, daß sich Flächenbereiche von Wärmeaufnahmefläche und Wärmeabgabefläche unter der Elektromotor-Getriebe-Einheit befinden. Dadurch wird das Eigenwicht der Elektromotor-Getriebe-Einheit von der Motorhalterung getragen, ohne die Befestigungsmittel zu belasten. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn sich Flächenbereiche von Wärmeaufnahmefläche und Wärmeabgabefläche zwischen der Elektromotor-Getriebe-Einheit und einem weiteren Abtriebselement befinden. Dadurch werden Kräfte zum Erzeugen eines Abtriebsmoments der Elektromotor-Getriebe-Einheit in die Motorhalterung eingeleitet, ohne die Befestigungsmittel zu belasten. Diese Gestaltung bietet sich an, wenn Antriebskräfte mit einem Zugmittel von einer Ausgangswelle der Elektromotor-Getriebe-Einheit auf ein angetriebenes Rad des Fahrwerks übertragen werden, insbesondere mit einer Kette oder mit einem Zahnriemen.
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Bei einer Antriebseinheit, bei der die Elektromotor-Getriebe-Einheit einen Elektromotor aufweist, der im Bereich der Wärmeabgabefläche angeordnet ist, ergibt sich dabei eine besonders gute Kühlungswirkung. Häufig ist es so, daß bei elektrischen Antriebseinheiten der Elektromotor in der Mitte zwischen einer mechanischen Getriebeinheit und einer elektrischen Steuereinheit angeordnet ist. Bei dieser Anordnung lässt sich eine gute Kühlung der außen angeordneten Einheiten erreichen, wobei aber die Kühlung des zentralen Elektromotors leidet. Die Anmeldung verbessert diese Problematik, und zwar besonders für einen Elektromotor, der als Innenläufer ausgeführt ist, wobei die Statorwicklungen im Bereich der Wärmeabgabefläche angeordnet sind.
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Es ist auch möglich, ein Getriebe der Elektromotor-Getriebe-Einheit ein Getriebe im Bereich der Wärmeabgabefläche anzuordnen, wodurch die sonst problematische Kühlung des Getriebes verbessert wird.
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Zur weiteren Verbesserung der Kühlung wird bei in radialer Richtung innenliegender Wärmeaufnahmefläche der Wärmekontaktsteg auf der äußeren Seite mit Kühlrippen versehen. Wenn die sich die Kühlrippen dabei in Richtung des Wärmekontaktstegs erstrecken, dann wird die Stabilität der Motorhalterung nicht wesentlich beeinträchtigt, weil das Flächenträgheitsmoment des Querschnitts des Motorhalters für ein Biegemoment entlang des Verlaufs des Wärmekontaktstegs nicht wesentlich vermindert wird, obwohl die für die Kühlung relevante äußere Oberfläche des Wärmekontaktstegs signifikant vergrößert ist.
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Ungeachtet der radialen Wärmeübertragung von der Elektromotor-Getriebe-Einheit auf die Motorhalterung kann auch eine axiale Wärmeübertragung von der Elektromotor-Getriebe-Einheit auf die Motorhalterung erfolgen, und zwar sowohl von nur einer Seite als auch von beiden Seiten. Bei einer solchen formschlüssig mit der Motorhalterung ausgebildeten Elektromotor-Getriebe-Einheit werden auch seitliche Kippkräfte der Elektromotor-Getriebe-Einheit auf die Motorhalterung übertragen, ohne die Befestigungsmittel zu belasten. Dadurch können diese kleiner als üblich ausfallen, was das Gewicht der Anordnung verringert.
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Die Wärmeübertragung kann durch Vorsehen von Wärmeleitpaste an den jeweiligen Kontaktstellen weiter verbessert werden.
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Der Gegenstand der Anmeldung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den anliegenden Figuren veranschaulicht.
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Es zeigen
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1: eine linke Seitenansicht eines Fahrradrahmens eines motorunterstützten Fahrrads gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2: eine des Fahrradrahmens von 1 von vorne;
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3: eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts des Fahrradrahmens von 1;
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4: eine Ansicht des Abschnitts des Fahrradrahmens aus 3 von hinten;
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5: eine Ansicht des Abschnitts des Fahrradrahmens aus 3 von oben;
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6: eine Ansicht des Abschnitts des Fahrradrahmens aus 3 von rechts;;
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7: eine perspektivische Ansicht des Abschnitts des Fahrradrahmens aus 3 von links unten;
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8: eine perspektivische Ansicht des Abschnitts des Fahrradrahmens aus 3 von links oben;
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9: eine schematische Ansicht der Baugruppen des Elektroantriebs des Fahrrads aus 1; und
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10: eine alternative Ausführung einer Motorhalterung der Anmeldung.
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1 zeigt eine linke Seitenansicht eines allgemein mit 10 bezeichneten Fahrradrahmens zur Lagerung einer motorangetriebenen Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 und einer in den Figuren nicht dargestellten Energieversorgungseinrichtung, welche als Energiequelle für die Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 dient.
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Die in den Figuren dargestellte Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 dient erfindungsgemäß zum Antreiben eines hier nicht dargestellten Hinterrads und stellt lediglich ein Beispiel für eine Unterstützungseinheit dar, auf deren konkreten Aufbau in 9 eingegangen wird, was die zugehöriger Tretkrafterfassung, die Steuerung/Regelung der Antriebsenergie und eine mechanische Untersetzung durch ein Getriebe betrifft.
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Der Fahrradrahmen 10 umfasst ein Kopfrohr 16, welches an der vorderen Seite des Fahrradrahmens 10 angeordnet ist; ein Unterrohr 18, welches sich von dem Kopfrohr 16 aus schräg nach hinten und nach unten erstreckt; eine Motorhalterung 20, das sich im Wesentlichen in Fahrtrichtung des motorunterstützten Fahrrads erstreckt und das an seinem in Fahrtrichtung vorderen Ende 22 mit einem unteren Ende des Unterrohr 18 und an seinem in Fahrtrichtung hinteren Ende 24 mit einem unteren Ende eines Sattelrohrs 26 zum Abstürzen einer nicht gezeigten Sattelstütze oder/und eines nicht gezeigten Sattels verbunden ist; ein Oberrohr 28, welches sich von dem Kopfrohr 16 aus schräg nach hinten und nach unten erstreckt und mit einem oberen Abschnitt des Sattelrohrs 26 verbunden ist; und eine Hinterradgabel 30, welche sich im Wesentlichen von der Rückseite des Sattelrohrs 26 entgegen der Fahrtrichtung nach hinten erstreckt und an ihrem unteren vorderen Ende 32 an dem hinteren Ende 24 des Rahmenelements 20 befestigt ist und an ihrem oberen Ende 36 mit einem an dem Sattelrohr 26 befestigt ist.
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Wie man deutlich erkennt, ist das Sattelrohr 26 oberhalb der Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 gekröpft ausgebildet und zwar derart, dass das mit der Motorhalterung 20, beziehungsweise dem hinteren Ende 24 verbundene untere Ende des Sattelrohrs 26 zur Vorderseite des Fahrradrahmens 10 hin versetzt ist.
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Nun auf die 3 bis 8 Bezug nehmend, welche die Motorhalterung 20 ohne die Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 in einer vergrößerten Darstellung zeigt, weist die Motorhalterung 20 einen Mittelteil 42 auf, von dem sich die als Anschlussteile dienenden vorderen und hinteren Enden 22 und 24 zur Verbindung mit dem Unterrohr 18 und dem Sattelrohrs 26 schräg nach oben hin erstrecken. Jedes dieser zwei Anschlussteile 22 und 24 ist dabei mit einem Anschlussflansch zur Verbindung mit dem Unterrohr 18 und dem Sattelrohrs 26 versehen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die ebenen Anschlussflächen, an denen das jeweilige Anschlussteil 22 bzw. 24 und das diesem zugeordnete Rohr 18 bzw. 26 durch Schweißen oder Kleben fest miteinander verbunden sind, zumindest annähernd parallel zur Längsachse des jeweiligen Rohres 18 bzw. 26. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die ebenen Anschlussflächen so zu gestalten, dass sie gegenüber der Längsachse des Rohrs 18 bzw. 26 nicht parallel, sondern unter einem Winkel geneigt zur Längsachse des Rohrs 18 bzw. 26 verlaufen. Der Neigungswinkel kann beispielsweise bei 30 Grad Neigung gegenüber einer rechtwinklig zur Längsachse des Rohres 18 bzw. 26 verlaufenden Ebene liegen. Durch die geneigte Ausbildung der Anschlussflächen gegenüber der Längsachse des Rohres 18 bzw. 26 wird eine definierte Vergrößerung der Flächen erreicht, an denen das Anschlussteil mit dem Ende des jeweiligen Rohres 18 bzw. 26 verbunden ist, wodurch die Länge der Schweißnähte, die das Anschlussteil 22 bzw. 24 mit dem Rohr 18 bzw. 26 fest verbindet, grösser ist als bei einem rechtwinkligen Verlauf der Anschlussflächen gegenüber der Längsachse des Rohrs 18 bzw. 26.
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Das Motorhalterung 20 ist getrennt von dem Unterrohr 18 und dem Sattelrohrs 26 ausgebildet und umschließt zusammen mit dem Unterrohr 18 und dem Sattelrohr 26 die Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 von der Unterseite her und bildet dabei zusammen mit dem Unterrohr 18 und dem Sattelrohrs 26 eine Aufnahme der Elektromotor-Getriebe-Einheit 12.
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Die Motorhalterung 20 umfasst, wie am deutlichsten in den 3 bis 8 zu sehen ist, den Zentralbereich 42 mit zwei Rahmen-Anschlagbereichen 22, 24, wobei der Zentralbereich 42 einen sich zwischen den Anschlagbereichen 22, 24 erstreckenden Wärmekontaktsteg 23 aufweist, der eine Wärmeaufnahmefläche 25 aufweist, die mit einer am Umfang eines Motorgehäuses 27 der Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 angeordneten Wärmeabgabefläche 29 in Kontakt steht, wobei die Rahmen-Anschlagbereiche 22, 24 zwei Antriebsbefestigungsbohrungen 31 mit jeweils einer hier nicht gezeigten, sich zwischen Motorhalterung 20 und Motorgehäuse 27 erstreckenden Befestigungsschraube aufweist. Die Antriebsbefestigungsbohrungen 31 verlaufen dabei in einer Richtung quer zur Erstreckung des mittleren Bereichs der Wärmeaufnahmefläche 25, wie man am besten in 3 erkennen kann. Dabei ist es unerheblich, daß die beiden Antriebsbefestigungsbohrungen 31 an den beiden Enden der Wärmeaufnahmefläche 25 in einer Richtung parallel zur Wärmeaufnahmefläche 25 verlaufen.
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Wie man weiter in 3 gut sieht, weisen die die Wärmeaufnahmefläche 25 und die Wärmeabgabefläche 29 bezüglich einer Längsachse der Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 eine gemeinsame Krümmung auf, wobei Wärmeaufnahmefläche 25 eine konkave Krümmung aufweist.
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Die Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 hat einen Elektromotor 35, der im Bereich der Wärmeabgabefläche 29 angeordnet ist. Der Elektromotor 25 als dabei als Innenläufer ausgeführt, wobei Statorwicklungen 37 im Bereich der Wärmeabgabefläche 29 angeordnet sind, wie man gut in 3 sieht.
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Die Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 hat ein Getriebe 39, das ebenfalls im Bereich der Wärmeabgabefläche angeordnet ist, wie man anhand von 9 sehen kann.
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Bei der konkreten Anordnung im Fahrradrahmen 10 befinden sich Flächenbereiche von Wärmeaufnahmefläche 25 und Wärmeabgabefläche 29 unterhalb der Elektromotor-Getriebe-Einheit 12, nämlich im Bereich des Mittelteils 42. Weitere Flächenbereiche von Wärmeaufnahmefläche 25 und Wärmeabgabefläche 29 befinden zwischen der Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 und dem hier nicht gezeigten Hinterrad des Fahrrads, das ein Abtriebselement des Fahrrads bildet, nämlich im Bereich des hinteren Endes 24.
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Wie man in 4, 7 und 8 gut sehen kann, ist die Wärmeaufnahmefläche 25 in radialer Richtung innenliegend am Wärmekontaktsteg 23 angeordnet, wobei der Wärmekontaktsteg 23 auf der äußeren Seite mit Kühlrippen 40 versehen ist. Die Kühlrippen 40 erstrecken sich in Richtung des Wärmekontaktstegs 23, also in Längsrichtung des Rahmens 10.
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9 zeigt eine schematische Ansicht der Baugruppen der Elektromotor-Getriebe-Einheit 12. Diese weist eine zentrale Drehmomentsensor- und Freilaufeinheit 43 mit einer Kurbelwelle 50 auf. Zur Übertragung einer Tretkraft auf die Kurbelwelle 50 dienen zwei Kurbeln 58, welche mit den jeweiligen Enden der Kurbelwelle 50 verbunden sind und an ihren jeweiligen äußeren Enden mit hier nicht gezeigten Gewindelöchern zur Befestigung von Pedalen 59 versehen sind. Darüber hinaus ist die Kurbelwelle 50 im Bereich ihres rechten Endes mit einem hier nicht gezeigten Kettenblatt versehen, welches dazu dient, über eine ebenfalls nicht dargestellte Kette als Zugmittel eine auf die Pedale 59 ausgeübte Tretkraft und/oder eine von der motorangetriebenen Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 erzeugte Antriebskraft, ggf. unter Zwischenschaltung einer im Hinterrad vorgehehen Schaltung, zu dem nicht dargestellten Hinterrad zu übertragen.
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Am Elektromotor 35 sind zwei Befestigungnasen 48 vorgesehen, von denen in 9 nur eine zu sehen ist. Die Befestigungsnasen 48 haben Gewindelöcher 49, in die hier nicht gezeigte Befestigungsschrauben eingreifen, die in die Abtriebsbefestigungsbohrungen eingesetzt sind. Die Befestigungsnasen 48 liegen dabei an Absätzen 51 im Motorbügel 20 an, die besonders gut in 7 und 8 zu sehen.
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Zusätzlich hat die Elektromotor-Getriebe-Einheit 12 ein Elektronikgehäuse 44 mit Kühlrippen 45 und mit einer hier nicht gezeigten Leistungs- und Ladeelektronik, die über einen Kabelbaum 46 mit weiteren Komponenten wie den Statorwicklungen 37 des Elektromotors 35 sowie mit einer hier nicht gezeigten Batterie und einem ebenfalls nicht gezeigten Display verbunden ist.
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Abhängig vom Einsatzzweck des Motorhalterung 20 und der Bauweise des Fahrradrahmens 10 kann die Motorhalterung 20 als Druckgussteil, als Schmiedeteil und/oder gefrästes Teil ausgebildet sein. Darüber hinaus kann das Motorhalterung 20 beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung oder einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Kunstharzmaterial bestehen, welches bei einem sehr niedrigen Gewicht eine ausgezeichnete Steifigkeit besitzt.
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Wie man in 1 besonders gut sieht, tritt der Kabelbaum 46 innerhalb des Fahrradrahmens 10 aus, wo die hier nicht gezeigte Batterie gut vorsehen kann, und zwar mit geringen Kabellängen. Der Kabelbaum 10 ist zudem durch den Fahrradrahmen 10 gut vor Beschädigungen durch Steinschlag geschützt.
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10 zeigt eine alternative Ausführung einer Motorhalterung der Anmeldung, bei der eine Schelle 47 zur Befestigung der Motor-Getriebe-Einheit 12 in der Motorhalterung 20 vorgesehen ist.
