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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Elektrorad, insbesondere für ein elektromotorisch und mit Muskelkraft hybrid betriebenes Pedelec, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
PCT/EP 2013/057811 ist eine Antriebseinrichtung
1 für ein Elektrorad bekannt, die in
1 teilweise geschnitten perspektivisch dargestellt ist. Die Antriebseinrichtung
1 wird elektromotorisch und mit Muskelkraft hybrid angetrieben und weist ein Antriebsgehäuse
7 auf, in dem für den elektromotorischen Antrieb ein Elektromotor
4 und ein zweistufiges Getriebe
5,
6 mit einem Planetengetriebe
5 und einem als Riemengetriebe ausgebildeten Zugmittelgetriebe
6 angeordnet sind. Für den Antrieb mit Muskelkraft enthält die Antriebseinrichtung
1 eine Tretkurbelwelle
2, deren Kurbelzapfen
21,
22 mit nicht näher dargestellten Tretkurbeln verbunden werden, an deren Enden mit Muskelkraft zu betätigende Pedale vorgesehen sind, die über den Hebelarm der Tretkurbeln ein durch Muskelkraft bewirktes Drehmoment auf die Tretkurbelwelle
2 übertragen.
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Die Tretkurbelwelle 2 ist über eine als Klemmkörperfreilauf ausgebildete erste drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung 31 mit einer koaxial zur Tretkurbelwelle 2 angeordneten und drehbar im Antriebsgehäuse 7 gelagerten Hohlwelle 3 verbunden, an deren einem Ende ein Kettenradflansch 30 angeordnet ist, der mit einem Kettenrad verbunden wird, das die Antriebskraft bzw. das Antriebs-Drehmoment über eine Kette auf ein mit dem Hinterrad des Elektrorades verbundenes Kettenritzel bzw. eine Ketten- oder Nabenschaltung überträgt.
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Die elektromotorische Kraft wird von dem Elektromotor 4 erzeugt, der von einer Steuerelektronik angesteuert und mit elektrischer Energie aus einem nicht näher dargestellten Akkumulator versorgt wird.
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Das von der Motorwelle 40 des Elektromotors 4 abgegebene Drehmoment wird über das zweistufige Getriebe 5, 6 und eine als Klemmkörperfreilauf ausgebildete zweite drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung 32 auf die Hohlwelle 3 übertragen. Das zweistufige Getriebe 5, 6 bewirkt eine Übersetzung der Drehzahl des Elektromotors 4 ins Langsame, so dass ein schnell laufender Elektromotor 4 geringer Baugröße zur Minimierung sowohl des Gewichts als auch der Baugröße der Antriebseinrichtung 1 eingesetzt werden kann.
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Das zweistufige Getriebe 5, 6 weist in der ersten Getriebestufe das Planetengetriebe 5 und in der zweiten Getriebestufe das Riemengetriebe 6 auf. Das Planetengetriebe 5 enthält ein mit der Motorwelle 40 des Elektromotors 4 verbundenes, vorzugsweise schräg verzahntes Sonnenrad 50, drei um 120 ° zueinander versetzt drehbar an einem Planetenradträger 55 angeordnete und mit dem Sonnenrad 50 in Verzahnungseingriff stehende, schräg verzahnte Planetenräder 51, 52, 53 und ein mit dem Antriebsgehäuse 7 verbundenes, feststehendes Hohlrad 54, mit dessen schräg verzahnter Innenverzahnung die schräg verzahnten Außenverzahnungen der Planetenräder 51, 52, 53 kämmen. Die Planetenräder 51, 52, 53 sind auf Achsen des Planetenradträgers 55 drehbar gelagert.
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Der Planetenradträger 55 ist mit einem Zugmittelantriebsrad 61 des die zweite Getriebestufe bildenden Zugmittelgetriebes 6 verbunden. In einer Bohrung des Zugmittelantriebsrades 61 ist die Motorwelle 40 des Elektromotors 4 drehbar gelagert.
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Das Zugmittelgetriebe 6 enthält das mit dem Planetenradträger 55 fest verbundene Zugmittelantriebsrad 61 und ein mit einer Außenverzahnung versehenes Zugmittelabtriebsrad 62, das über die zweite drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung 82 mit der Hohlwelle 3 koppelbar ist. Mit den Außenverzahnungen des Zugmittelantriebsrades 61 und Zugmittelabtriebsrades 62 steht ein flexibles Zugmittel 60 in Eingriff. Da das Zugmittelgetriebe 6 eine Untersetzung der Drehzahl des Elektromotors 4 bewirken soll, weist das Zugmittelantriebsrad 61 einen geringeren Durchmesser bzw. eine geringere Zähnezahl auf als das Zugmittelabtriebsrad 62. Das flexible Zugmittel 60 ist über eine zwischen der Achse des Zugmittelantriebsrades 61 und der Achse des Zugmittelabtriebsrades 62 angeordnete Umlenkrolle 63 gelegt, die derart zwischen dem Zugmittelantriebsrad 61 und dem Zugmittelabtriebsrad 62 angeordnet ist, dass der Umschlingungswinkel des flexiblen Zugmittels 60 um das Zugmittelantriebsrad 61 und Zugmittelabtriebsrad 62 vergrößert wird.
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Als Zugmittelgetriebe 6 kann ein einstufiges Riemengetriebe mit einem Zahn-, Flach- oder Keilriemen oder ein einstufiges Kettengetriebe mit einer ein- oder zweifachen Rollenkette eingesetzt werden.
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Zur Erfassung der Drehzahl und Drehrichtung der Tretkurbelwelle 2 ist ein Sensor vorgesehen, der eine mit der Tretkurbelwelle 2 verbundene Zahnscheibe 10 zur Beeinflussung des magnetischen Widerstands und einen Hallsensor aufweist, der bei Drehung der Zahnscheibe 10 Sensorsignale an die Steuerelektronik des Hybridantriebs abgibt. Aus den sensorisch erfassten Drehmoment- und Drehzahlwerten wird über die Steuerelektronik die durch den Fahrer durch Muskelkraft aufgebrachte Leistung ermittelt und über die Steuerelektronik die vom Elektromotor 4 abzugebende elektromotorische Leistung zur Unterstützung des Fahrers gesteuert.
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Der Einsatz einer Antriebseinrichtung für ein Elektrorad ist mit der Forderung nach geringen äußeren Abmessungen und einem geringen Gewicht der Antriebseinrichtung verbunden, damit diese optimal und mit minimalem Gewicht in den Rahmen des Elektrorades integriert werden kann. Aus diesem Grunde werden die Funktionselemente der Antriebseinrichtung unter Berücksichtigung einer hinreichenden Belastbarkeit und Dauerhaltbarkeit aus Werkstoffen mit geringem Gewicht, insbesondere aus Weichmetallen und Kunststoffen gefertigt. Die Belastbarkeit, Dauerhaltbarkeit und für die Funktion der Antriebseinrichtung wichtige Formbeständigkeit dieser Werkstoffe, die sich durch ein geringes spezifisches Gewicht und durch eine leichte Herstellung im Spritzgussverfahren ohne besondere konstruktive und werkzeugtechnische Anforderungen auszeichnen, ist jedoch eingeschränkt.
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So ist es beispielsweise wünschenswert, das Hohlrad eines Planetengetriebes zur Untersetzung der vom Elektromotor abgegebenen Drehzahl und damit zur Drehmomenterhöhung wegen der leichteren und kostengünstigeren Herstellung aus Kunststoff herzustellen. Ein Kunststoff-Hohlrad für ein Planetengetriebe im größeren Durchmesserbereich von ca. 90 mm kann aber wegen des ungünstigen Verhältnisses von Durchmesser zu Dicke und den nicht beherrschbaren Schrumpfungsprozessen bei der Herstellung des Kunststoff-Hohlrades im Spritzgussverfahren nur sehr ungenau in Bezug auf die erforderliche Rundheit hergestellt werden. Ein Hohlrad aus Kunststoff wäre daher für ein Getriebe einer Antriebseinrichtung für ein Elektrorad nicht verwendbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hohlrad aus Kunststoff für ein Planetengetriebe einzusetzen, das die geforderte Geometrie zur Funktionserfüllung des Getriebes einhält und mit geringem Aufwand in das Antriebsgehäuse der Antriebseinrichtung integrierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung, ein Hohlrad aus Kunststoff in eine topfförmige Ausnehmung des aus Metall gefertigten Antriebsgehäuses einzupressen, die eine zylinderförmige Seitenwand und eine Bodenfläche mit einer koaxial zur zylinderförmigen Seitenwand angeordneten Bohrung zur Durchführung der Motorwelle aufweist, auf der der Planetenradträger gelagert ist, ermöglicht es, das Kunststoff-Hohlrad in ein Planetengetriebe unter Einhaltung der geforderten Geometrie zur Funktionserfüllung des Getriebes einzusetzen und mit geringem Aufwand in das Antriebsgehäuse der Antriebseinrichtung zu integrieren.
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Durch das Einpressen des aus Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellten Hohlrades mit seiner im Vergleich zum Durchmesser geringen Dicke in ein exakt gefertigtes Antriebsgehäuse aus einem formbeständigen Material wie Aluminium ist die notwendige geometrische Form des Hohlrades in Bezug auf Rundheit und Koaxialität gewährleistet, um seine Funktion im Planetengetriebe zu erfüllen.
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Vorzugsweise wird das Hohlrad kraft- und/oder formschlüssig in die topfförmige Ausnehmung des Antriebsgehäuses eingepresst.
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Durch die radial kraft- und/oder formschlüssige Einpressung des Hohlrades in die topfförmige Ausnehmung wird das Hohlrad zumindest radial fixiert, bei vollständig oder teilweise kraftschlüssiger Einpressung aber auch in axialer Richtung festgelegt.
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Um das Einpressen des Kunststoff-Hohlrades in die topfförmige Ausnehmung des aus Metall gefertigten Antriebsgehäuses zu gewährleisten, sind an der Mantelfläche des Hohlrades Quetschrippen angeordnet, die in bevorzugter Ausführungsform mit Einführschrägen zum erleichterten Einführen des Hohlrades in die topfförmige Ausnehmung versehen sind.
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Für einen radialen Formschluss des Hohlrades in der topfförmigen Ausnehmung des Antriebsgehäuses weisen die Seitenwand der topfförmigen Ausnehmung eine wellenförmige Formschlusskontur mit abwechselnden Wellenbergen und Wellentälern und die Mantelfläche des Hohlrades eine der wellenförmigen Formschlusskontur der Seitenwand der topfförmigen Ausnehmung angepasste wellenförmige Gegenformschlusskontur mit abwechselnden Wellenbergen und Wellentälern auf.
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Die wellenförmig Formschlusskontur und wellenförmige Gegenformschlusskontur gewährleisten nicht nur einen radialen Formschluss, sondern ermöglichen auch ein problemloses Einpressen des Hohlrades in die topfförmige Ausnehmung des Antriebsgehäuses aufgrund fehlender Ecken und Kanten.
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Vorzugsweise sind die Quetschrippen im Bereich der Wellenberge angeordnet.
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Zur Ausbildung eines axialen Anschlages ist die dem Boden der topfförmigen Ausnehmung abgewandte Stirnseite des Hohlrades als plane Fläche ausgebildet, die vorzugsweise an einer das Planetengetriebe abdeckenden, axial gesicherten Abdeckung anliegt, die scheibenförmig mit einer der wellenförmigen Formschlusskontur der Seitenwand der topfförmigen Ausnehmung angepassten wellenförmigen Gegenformschlusskontur mit abwechselnden Wellenbergen und Wellentälern ausgebildet ist und in einer Verriegelungsposition zur axialen Sicherung Hinterschneidungen in der Seitenwand der topfförmigen Ausnehmung hintergreift, wobei eine von der Oberfläche der Abdeckung abstehende Rastnase zur radialen Festlegung der Abdeckung in eine Rastnut des Antriebsgehäuses eingreift.
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Diese Abdeckung gewährleistet in Doppelfunktion sowohl einen Schutz des Planetengetriebes vor eindringenden und die Funktion des Planetengetriebes beeinträchtigenden Fremdkörpern als auch die axiale Sicherung des Hohlrades und damit einen sicheren Verzahnungseingriff der an der Innenverzahnung des feststehenden Hohlrades ablaufenden Planetenräder, so dass die Funktion des Planetengetriebes dauerhaft sichergestellt ist.
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Ein von der dem Boden der topfförmigen Ausnehmung zugewandten Stirnseite des Hohlrades abstehender Stift, der in eine Bohrung des Antriebsgehäuses eingreift, stellt eine definierte Anlage des Hohlrades im Antriebsgehäuse sicher, wobei in bevorzugter Ausführungsform die Bohrung mit der Rastnut fluchtet, die der Aufnahme der Rastnase der Abdeckung zu deren radialen Sicherung dient.
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Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sollen die Merkmale der Erfindung sowie daraus ableitbarer Varianten näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung einer Antriebseinrichtung mit einer Tretkurbelwelle, einem Elektromotor und einem zweistufigen, ein Planeten- und Riemengetriebe enthaltenden Getriebe;
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2 und 3 eine Draufsicht und perspektivische Ansicht einer durch einen Gehäusedeckel abdeckbaren Gehäuseschale des Antriebsgehäuses mit einer topfförmigen Ausnehmung zur Aufnahme des Planetengetriebes;
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4 eine perspektivische Darstellung eines aus Kunststoff gefertigten Hohlrades des Planetengetriebes;
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5 eine Draufsicht auf das Antriebsgehäuse gemäß 3 mit in die topfförmige Ausnehmung eingepresstem Hohlrad,
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6 eine Draufsicht auf das Antriebsgehäuse mit in die topfförmige Ausnehmung eingepresstem Hohlrad, mit der Innenverzahnung des Hohlrades kämmenden Planetenräder und mit die Planetenräder antreibendem Sonnenrad des Planetengetriebes;
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7 eine perspektivische Darstellung der Antriebseinrichtung mit in die topfförmige Ausnehmung eingesetztem Planetengetriebe und einer das Planetengetriebe abdeckenden Abdeckscheibe und
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8 eine perspektivische Darstellung der Antriebseinrichtung gemäß 6 bei abgenommener Abdeckung;
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In den 2 und 3 ist in einer Draufsicht und in einer perspektivischen Ansicht eine erste Gehäuseschale 72 eines Antriebsgehäuses 7 gemäß 1 dargestellt, deren Stirnwand 720 durch einen als zweite Gehäuseschale ausgebildeten Gehäusedeckel verschließbar ist. Die erste Gehäuseschale 72 weist eine rohrförmige Durchführung 74 mit abgestuften Durchmessern und einer Bohrung auf, durch die die Tretkurbelwelle 2 gemäß 1 steckbar ist, so dass der eine der beiden Tretkurbelzapfen 21, 22 gemäß 1 durch die Bohrung nach außen ragt, während der andere Tretkurbelzapfen durch eine entsprechende Bohrung des Gehäusedeckels ragt.
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Die zweite Gehäuseschale ist mittels mehrerer Schraubverbindungen mit der ersten Gehäuseschale verbindbar, wobei mehrere am Umfang der Stirnwand 720 der ersten Gehäuseschale 72 verteilt angeordnete Gewindebohrungen 721 zur Aufnahme entsprechender Gewindeschrauben dienen.
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Neben der rohrförmigen Durchführung 74 ist eine topfförmige Ausnehmung 79 in der ersten Gehäuseschale 72 angeordnet, die eine Seitenwand 792 mit einer wellenförmigen Formschlusskontur 75, 76, eine Bodenfläche 791 und eine koaxial zur Seitenwand 792 in der Bodenfläche 791 angeordnete Bohrung 700 aufweist, durch die die Motorwelle 40 des Elektromotors gemäß 1 gesteckt und mit dem Sonnenrad 50 des Planetengetriebes 5 verbunden und auf der der Planetenradträger 55 des Planetengetriebes 5 gelagert ist. An der Peripherie der Seitenwand 792 der topfförmigen Ausnehmung 79 ist gemäß 7 eine Rastnut 78 angeordnet.
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Das in 4 perspektivisch dargestellte, in die topfförmige Ausnehmung 79 gemäß den 2 und 3 einzusetzende Hohlrad 54 weist an seiner äußeren Mantelfläche eine wellenförmige Formschlusskontur 541, 542 mit an der Mantelfläche ausgebildeten, abwechselnden Wellenbergen 541 und Wellentälern 542 auf, die mit der wellenförmigen Formschlusskontur 75, 76 der topfförmigen Ausnehmung 79 korrespondieren, so dass beim Einpressen des Hohlrades 54 in die topfförmige Ausnehmung 79 ein Formschluss in radialer Richtung erzeugt wird.
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Zur Herstellung eines zusätzlichen Kraftschlusses zwischen dem Hohlrad 54 und der topfförmigen Ausnehmung 79 sind im Bereich der Wellenberge 541 der Mantelfläche des Hohlrades 54 Quetschrippen 540 vorgesehen, die vorzugsweise auf der Einführseite Einführschrägen zum erleichterten Einsetzen des Kunststoff-Hohlrades 54 in die topfförmige Ausnehmung 79 aufweisen.
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Während die eine, dem Betrachter zugewandte Stirnseite des Hohlrades 54 eine plane Fläche ausbildet, steht von der gegenüberliegenden Stirnseite ein Zapfen oder Dom 544 ab, der zu einer definierten Anlage des Hohlrades 54 in der topfförmigen Ausnehmung 79 der Gehäuseschale 72 in die mit der Rastnase 78 gemäß 3 fluchtende Bohrung 780 gemäß 5 eingreift.
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5 zeigt in einer Draufsicht das in die vorzugsweise aus Aluminium gefertigte Gehäuseschale 72 eingeprägte Hohlrad 54 aus Kunststoff, das infolge des exakt gefertigten Aluminiumgehäuses seine notwendige geometrische Form in Bezug auf Rundheit und Koaxialität der Innenverzahnung 543 erhält und damit die Funktion des Planetengetriebes sicherstellt.
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6 zeigt in einer Draufsicht die mit der Innenverzahnung 543 des Hohlrades 54 kämmenden Planetenräder 51, 52, 53 des Planetengetriebes 5, deren Verzahnung wiederum in Verzahnungseingriff mit dem Sonnenrad 50 steht, das mit der Motorwelle des Elektromotors verbunden ist.
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7 zeigt in perspektivischer Ansicht die Gehäuseschale 72 mit dem in der topfförmigen Ausnehmung 79 der Gehäuseschale 72 angeordneten, mit dem Sonnenrad 50 und den Planetenrädern 51, 52, 53 teilweise dargestellten Planetengetriebe sowie eine das Hohlrad des Planetengetriebes 5 axial sichernde Abdeckung in Form einer Abdeckscheibe 8, die mit der Gehäuseschale 72 über eine bajonettartige Verriegelung mit radialer Fixierung verbunden ist. Die bajonettartige Verriegelung wird durch die an der Seitenwand der topfförmigen Ausnehmung 79 angeordnete Formschlusskontur bestehend aus den Wellenbergen 75 und Wellentälern 76 sowie durch Hinterschneidungen 77 und eine am Außendurchmesser der Abdeckung 8 angeordnete Gegenformschlusskontur mit periodisch angeordneten Wellenbergen 85 und Wellentälern 86 hergestellt, wobei zwischen den Wellenbergen 75 der Formschlusskontur der Seitenwand 792 der topfförmigen Ausnehmung 79 und den mit den Wellenbergen 75 fluchtenden Hinterschneidungen 77 ein Spalt zur Aufnahme der Wellenberge 85 der Abdeckung 8 ausgebildet wird.
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Zusätzlich bewirkt eine von der Oberfläche der Abdeckung 8 abstehende Rastnase 88 einen radialen Anschlag bzw. eine radiale Verriegelung durch Eingriff in eine in der Gehäuseschale 72 angeordnete Rastnut 78, in die die Rastnase 88 in der Verriegelungsposition der Abdeckung 8 eingreift.
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Zur manuellen Betätigung der Abdeckung 8 zum Verdrehen der Abdeckung 8 aus einer Einsetzposition, in der die Wellenberge 85 und Wellentäler 86 der Abdeckung 8 mit den Wellentälern 76 und Wellenbergen 75 der Seitenwand 792 der topfförmigen Ausnehmung 79 fluchten, in die vorstehend beschriebene Verriegelungsposition stehen von der Oberfläche 85 der Abdeckung 8 Montagedome 82, 83, 84 ab, die um jeweils 120° umfangsseitig gegeneinander versetzt angeordnet sind.
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Nach der bajonettartigen Verriegelung der Abdeckung 8 mit der Gehäuseschale 72 dem Antriebsgehäuse ist das Hohlrad 54 des Planetengetriebes 5 axial zusätzlich gesichert und das Planetengetriebe gegenüber Verschmutzung geschützt, da eine am Innendurchmesser 81 der Abdeckung 8 vorgesehene Labyrinthdichtung 80 in Kombination mit einer als Planetenradträger vorgesehenen, axial abgestuften Bundscheibe 55, 56 gemäß 8 die topfförmige Ausnehmung 79 und damit das Planetengetriebe 5 gegenüber Verschmutzung schützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinrichtung
- 2
- Tretkurbelwelle
- 3
- Hohlwelle
- 4
- Elektromotor
- 5
- Planetengetriebe
- 6
- Zugmittelgetriebe
- 7
- Antriebsgehäuse
- 8
- Abdeckung
- 10
- Zahnscheibe
- 21, 22
- Kurbelzapfen
- 30
- Kettenradflansch
- 31
- erste drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung
- 32
- zweite drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung
- 40
- Motorwelle
- 50
- Sonnenrad
- 51–53
- Planetenräder
- 54
- feststehendes Hohlrad
- 55, 56
- Bundscheibe (Planetenradträger)
- 60
- Zahnriemen
- 61
- Riemenantriebsrad
- 62
- Riemenabtriebsrad
- 63
- Umlenkrolle
- 72
- Gehäuseschale
- 74
- Rohrförmige Durchführung
- 75
- Wellenberge
- 76
- Wellentäler
- 77
- Hinterschneidungen
- 78
- Gegenformschlusselement (Rastnut)
- 79
- Topfförmige Ausnehmung
- 80
- Labyrinthdichtung
- 81
- Innendurchmesser
- 82–84
- Montagedome
- 85, 86
- Periodische Formschlusskontur
- 85
- Wellenberge
- 86
- Wellentäler
- 88
- Formschlusselement (Rastnase)
- 540
- Quetschrippen
- 541
- Wellenberge
- 542
- Wellentäler
- 543
- Innenverzahnung
- 544
- Zapfen oder Dom
- 700
- Bohrung
- 720
- Stirnwand der ersten Gehäuseschale
- 780
- Bohrung
- 791
- Bodenfläche
- 792
- Seitenwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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