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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb bzw. Hilfsantrieb für ein Fahrrad sowie ein Fahrrad, das mit einem solchen elektrischen Antrieb bzw. Hilfsantrieb ausgestattet ist.
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Fahrräder mit elektrischem Antrieb sind allgemein als „e-bike“ bekannt. Der elektrische Antrieb kann dabei als alleiniger Antrieb, also als Hauptantrieb, vorzugsweise jedoch als Hilfsantrieb dienen. Im vorliegenden Zusammenhang wird unter dem Begriff „Antrieb“ sowohl ein Hauptantrieb als auch ein Hilfsantrieb verstanden. Bei einem Hilfsantrieb unterstützt der Elektromotor die Antriebsleistung des jeweiligen Fahrradfahrers. Bei einem sogenannten „Pedelec“ erfolgt ausschließlich eine solche Antriebsunterstützung. Ein elektromotorisches Antreiben des Fahrrads ohne eine Antriebsleistung des Fahrradfahrers ist bei einem Pedelec nicht vorgesehen. Sofern der Antrieb als Hauptantrieb ausgestaltet ist, lässt sich das Fahrrad auch ausschließlich über den elektrischen Antrieb antreiben.
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Ein solcher elektrischer Antrieb umfasst üblicherweise einen Elektromotor, der eine Antriebswelle aufweist. Ferner ist eine Abtriebswelle vorgesehen, die drehfest mit einem Treibrad verbunden ist. Das Treibrad dient zum Koppeln mit einem Kettenantrieb oder Riemenantrieb des Fahrrads. Mit anderen Worten, im eingebauten Zustand ist das Treibrad über eine Kette oder über einen Riemen mit einem Hinterrad des Fahrrads antriebsverbunden. Ferner umfasst der elektrische Antrieb ein Getriebe, das die Antriebswelle mit der Abtriebswelle antriebsmässig verbindet. Hierdurch lässt sich die vergleichsweise hohe Drehzahl des Elektromotors auf die im Vergleich dazu geringe Drehzahl der Abtriebswelle reduzieren. Gleichzeitig lässt sich das mit Hilfe des Elektromotors bereitgestellte Drehmoment dadurch entsprechend vergrößern. Das Getriebe kann beispielsweise ein Abtriebsrad aufweisen, das in einer Antriebsdrehrichtung drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist. Bei den „Rädern“ des Getriebes handelt es sich vorzugsweise um Zahnräder.
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Sofern der elektrische Antrieb im Bereich einer Tretkurbelwelle angeordnet ist, ist der Durchmesser des Abtriebsrads begrenzt, damit die Bodenfreiheit des Fahrrads nicht beeinträchtigt wird. Dementsprechend müssen auf dieses Abtriebsrad relativ hohe Drehmomente eingeleitet werden. Beispielsweise weist das Getriebe hierzu ein Ausgangsrad auf, das mit dem Abtriebsrad in Eingriff steht. Für die Übertragung großer Drehmomente müssen bei einem herkömmlichen elektrischen Antrieb Abtriebsrad und Ausgangsrad aus Metall bestehen. Metallische Räder sind vergleichsweise teuer und sind häufig Ursache für Geräuschprobleme im Antrieb.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen elektrischen Antrieb der vorstehend beschriebenen Art bzw. für ein damit ausgestattetes Fahrrad eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine preiswerte Herstellbarkeit und/oder durch eine reduzierte Geräuschentwicklung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Getriebe mit wenigstens zwei Ausgangsrädern auszustatten, die zum Antreiben des Abtriebsrads dienen und hierzu mit dem Abtriebsrad jeweils für sich in Eingriff stehen. Hierzu sind die wenigstens zwei Ausgangsräder in Umfangsrichtung zueinander versetzt am Umfang des Abtriebsrads angeordnet. Im Getriebe wird außerdem eine Leistungsverzweigung realisiert, die eine Antriebsleistung des Elektromotors auf die wenigstens zwei Ausgangsräder aufteilt. Diese Maßnahmen haben zur Folge, dass das insgesamt auf das Abtriebsrad einzuleitende Drehmoment auf wenigstens zwei Eingriffsstellen aufgeteilt wird, nämlich auf die Eingriffsstellen der wenigstens zwei Ausgangsräder. Hierdurch wird die Belastung des Abtriebsrads und des jeweiligen Ausgangsrads im jeweiligen Eingriff signifikant reduziert. Bei einer gleichmäßigen Leistungsverzweigung auf genau zwei Ausgangsräder halbiert sich das Drehmoment in der jeweiligen Eingriffsstelle. Die wenigstens zwei Ausgangsräder, die im Folgenden als „erstes Ausgangsrad“ und „zweites Ausgangsrad“ bezeichnet werden, leiten somit jeweils für sich einen Anteil der Antriebsleistung in das Abtriebsrad ein. Durch die signifikant reduzierten Drehmomente an der jeweiligen Eingriffsstelle ist es insbesondere möglich, die Ausgangsräder und/oder das Abtriebsrad aus Kunststoff herzustellen. Insofern lassen sich die Herstellungskosten reduzieren. Darüber hinaus wird die Gefahr einer Geräuschentwicklung reduziert.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das Getriebe ein Planetengetriebe aufweisen. Ein derartiges Planetengetriebe kann ein Sonnenrad, zumindest zwei Planetenräder, einen Planetenträger und ein Hohlrad aufweisen. In üblicher Weise sind das Sonnenrad und das Hohlrad über die am Planetenträger gelagerten Planetenräder miteinander antriebsverbunden. Ein derartiges Planetengetriebe zeichnet sich durch eine extrem kompakte Bauform und großer Übersetzung aus. Zweckmäßig kann nun das Hohlrad drehfest mit dem ersten Ausgangsrad verbunden sein. In der Folge wird über den Elektromotor das Sonnenrad angetrieben. Das Hohlrad treibt dann das erste Ausgangsrad mit deutlich reduzierter Drehzahl an.
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Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher der Planetenträger drehfest mit einem Zwischenrad verbunden ist, das mit dem zweiten Ausgangsrad in Eingriff steht. Der bei rotierendem Sonnenrad ebenfalls rotierende Planetenträger wird bei dieser Ausführungsform zum Antreiben des zweiten Ausgangsrads genutzt. Insoweit erfolgt innerhalb des Planetengetriebes die Leistungsverzweigung des Getriebes. Das Zwischenrad wird dabei benötigt, um die Drehrichtung der beiden Ausgangsräder zu synchronisieren. Ferner kann über die Dimensionierung, also über Durchmesser und Zähnezahl, des Zwischenrads und in der Folge auch des zweiten Ausgangsrads, das Verhältnis der Leistungsverzweigung auf die beiden Ausgangsräder eingestellt werden. Bevorzugt ist dabei eine Leistungsverzweigung im Verhältnis 1:1, so dass die beiden Ausgangsräder jeweils 50% der Antriebsleistung auf das Abtriebsrad übertragen.
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Eine andere Weiterbildung schlägt vor, dass das Sonnenrad drehfest mit einer Sonnenwelle verbunden ist, die drehfest mit einem Eingangsrad verbunden ist. Die Antriebswelle des Elektromotors ist ihrerseits drehfest mit einem Antriebsrad verbunden, das mit dem Eingangsrad in Eingriff steht. Zweckmäßig ist der Eingriff von Antriebsrad und Eingangsrad als Stirnradgetriebe konfiguriert. Bei einem Stirnradgetriebe stehen die beiden Räder über ihre Verzahnungen radial miteinander in Eingriff. Zweckmäßig ist auch der Eingriff der beiden Ausgangsräder mit dem Abtriebsrad jeweils als Stirnradgetriebe konfiguriert. Auch kann das zweite Ausgangsrad mit dem Zwischenrad ein solches Stirnradgetriebe bilden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können nun die Ausgangsräder Kunststoffräder sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Abtriebsrad ein Kunststoffrad sein. Es ist klar, dass hier faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz kommen können.
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Zweckmäßig kann das Abtriebsrad über einen Freilauf mit der Abtriebswelle verbunden sein, der in der Antriebsdrehrichtung ein Drehmoment vom Abtriebsrad auf die Abtriebswelle überträgt und der in einer der Antriebsdrehrichtung entgegengesetzten Gegendrehrichtung eine Relativverdrehung zwischen Abtriebsrad und Abtriebswelle erlaubt. Insbesondere kann sich dadurch die Abtriebswelle in der Antriebsdrehrichtung schneller drehen als das Abtriebsrad.
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Eine andere Ausführungsform schlägt vor, dass die Abtriebswelle als Hohlwelle ausgestaltet ist und von einer Tretkurbelwelle koaxial durchsetzt ist. Diese Tretkurbelwelle ist im betriebsbereiten Einbauzustand, also am Fahrrad an ihren Längsenden jeweils mit einer Tretkurbel versehen, wobei die jeweilige Tretkurbel jeweils ein Pedal trägt, so dass der Fahrradfahrer über die Pedale, Tretkurbeln und Tretkurbelwelle seine Antriebsleistung in den Antrieb einbringen kann. Die Tretkurbelwelle ist hierzu in der Antriebsdrehrichtung drehfest mit der Abtriebswelle verbunden.
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Vorzugsweise kann die Tretkurbelwelle über einen Freilauf mit der Abtriebswelle verbunden sein, der in der Antriebsdrehrichtung ein Drehmoment von der Tretkurbelwelle auf die Abtriebswelle überträgt und in einer der Antriebsdrehrichtung entgegengesetzten Gegendrehrichtung eine Relativverdrehung zwischen Tretkurbelwelle und Abtriebswelle erlaubt. Mit Hilfe dieses Freilaufs kann die Abtriebswelle in der Antriebsdrehrichtung schneller drehen als die Tretkurbelwelle. Ebenso lässt sich die Tretkurbelwelle mit einer der Drehrichtung der Abtriebswelle entgegengesetzten Drehrichtung drehen.
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Eine andere Ausführungsform schlägt vor, dass die Antriebswelle um eine Antriebsachse rotiert, während die Abtriebswelle um eine Abtriebsachse rotiert. Die Anordnung von Elektromotor und Abtriebswelle erfolgt dabei so, dass die Antriebsachse parallel zur Abtriebsachse verläuft, während gleichzeitig ein radialer Abstand zwischen Antriebsachse und Abtriebsachse eingehalten wird. Insbesondere wird der Elektromotor bezogen auf eine Einbausituation am Fahrrad oberhalb der Antriebswelle angeordnet, also an einer von einem Untergrund, auf dem das Fahrrad steht, abgewandten Seite der Abtriebswelle.
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Zweckmäßig sind die Ausgangsräder geometrisch zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet. Somit baut das Getriebe abgesehen vom Abtriebsrad ausschließlich oberhalb der Abtriebswelle auf, was der Bodenfreiheit des Fahrrads zu Gute kommt.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrrad umfasst neben einem Vorderrad und einem Hinterrad eine Tretkurbelwelle, einen Kettenantrieb oder Riemenantrieb sowie einen elektrischen Antrieb der vorstehend beschriebenen Art. Die Tretkurbelwelle kann dabei auch zum Bauumfang des Antriebs gehören.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Prinzipdarstellung eines elektrischen Antriebs,
- 2 bis 4 jeweils eine isometrische Ansicht auf Teile des Antriebs in unterschiedlichen Blickrichtungen.
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Entsprechend 1 umfasst ein Fahrrad 1, das hier nur im Bereich eines elektrischen Antriebs 2 dargestellt ist, eine Tretkurbelwelle 3 sowie einen Kettenantrieb 4 oder Riemenantrieb 4. Außerdem umfasst das Fahrrad 1 besagten Antrieb 2. Die Tretkurbelwelle 3, die hier zum Bauumfang des Antriebs 2 zählt, ist in fertig montiertem Zustand des Fahrrads 1 an ihren Längsenden jeweils mit einer hier nicht gezeigten Tretkurbel drehfest verbunden, an denen sich jeweils ein hier ebenfalls nicht gezeigtes Pedal befindet.
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Entsprechend den 1 bis 4 umfasst der elektrische Antrieb 2 einen Elektromotor 5, eine Abtriebswelle 6 und ein Getriebe 7. Der Elektromotor 5 weist eine Antriebswelle 8 auf, die um eine Antriebsachse 9 rotiert. Die Abtriebswelle 6 rotiert um eine Abtriebsachse 10 und ist mit einem Treibrad 11, vorzugsweise ein Zahnrad, drehfest verbunden. Über das Treibrad 11 ist der Antrieb 2 mit dem Kettenantrieb 4 bzw. mit dem Riemenantrieb 4 verbunden.
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Das Getriebe 7 umfasst ein Abtriebsrad 12, vorzugsweise ein Zahnrad, das in einer in 2 durch einen Pfeil angedeuteten Antriebsdrehrichtung 13 drehfest mit der Abtriebswelle 6 verbunden ist. Das Getriebe 7 weist ferner zumindest zwei Ausgangsräder, vorzugsweise jeweils ein Zahnrad, nämlich ein erstes Ausgangsrad 14 und ein zweites Ausgangsrad 15 auf. Bei anderen Beispielen können auch mehr als zwei Ausgangsräder 14, 15 vorhanden sein. Das jeweilige Ausgangsrad 14, 15 dient zum Antreiben des Abtriebsrads 12 und steht hierzu mit dem Abtriebsrad 12 in Eingriff. Die beiden Ausgangsräder 14, 15 sind dabei in der in 2 durch einen Doppelpfeil angedeuteten Umfangsrichtung 16 des Abtriebsrads 12 zueinander versetzt am Abtriebsrad 12 angeordnet. Das Getriebe 7 ist mit einer Leistungsverzweigung 17 ausgestattet, die es ermöglicht, eine Antriebsleistung des Elektromotors 5 auf die Ausgangsräder 14, 15 zu verteilen.
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In 2 ist gut erkennbar, wie die beiden Ausgangsräder 14, 15 in der Umfangsrichtung 16 voneinander beabstandet jeweils für sich mit dem Abtriebsrad 12 in Eingriff stehen. Hierdurch wird die Belastung der jeweiligen Eingriffsstelle signifikant reduziert. Eine erste Eingriffsstelle zwischen dem ersten Ausgangsrad 14 und dem Abtriebsrad 12 ist dabei mit 18 bezeichnet, während eine zweite Eingriffsstelle zwischen dem zweiten Ausgangsrad 15 und dem Abtriebsrad 12 mit 19 bezeichnet ist. In der stark schematisierten Seitenansicht der 1 ist die erste Eingriffsstelle 18 zwischen erstem Ausgangsrad 14 und Abtriebsrad 12 unmittelbar erkennbar. Die zweite Eingriffsstelle 19 zwischen zweitem Ausgangsrad 15 und Abtriebsrad 12 ist dagegen in dieser Ansicht nicht unmittelbar erkennbar und dementsprechend durch eine mit unterbrochener Linie angedeutete Wirkverbindung symbolisiert.
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Beim hier gezeigten, bevorzugten Beispiel weist das Getriebe 7 ein Planetengetriebe 20 auf. Dieses Planetengetriebe 20 weist ein Sonnenrad 21, mindestens zwei Planetenräder 22, einen Planetenträger 23 sowie ein Hohlrad 24 auf, alle Räder sind vorzugsweise Zahnräder. Das Sonnenrad 21 ist koaxial im Hohlrad 24 angeordnet und ist über die Planetenräder 22 mit diesem antriebsverbunden. Hierzu stehen die Planetenräder 22 radial innen mit dem Sonnenrad 21 und radial außen mit dem Hohlrad 24 in Eingriff. Im Beispiel sind genau vier Planetenräder 22 vorgesehen.
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Das Sonnenrad 21 ist drehfest mit dem ersten Ausgangsrad 14 verbunden. In der Folge treibt das Sonnenrad 21 über das erste Ausgangsrad 14 das Abtriebsrad 12 an. Ferner ist hier vorgesehen, dass der Planetenträger 23 drehfest mit einem Zwischenrad 25 verbunden ist, wobei dieses Zwischenrad 25 mit dem zweiten Ausgangsrad 15 in Eingriff steht. Somit treibt der Planetenträger 23 über das Zwischenrad 25 und das zweite Ausgangsrad 15 ebenfalls das Abtriebsrad 12 an. Zweckmäßig ist die Leistungsverzweigung 17 so konzipiert, dass sich die Leistung des Elektromotors 5 hälftig auf die beiden Ausgangsräder 14, 15 verteilt. Hierzu ist das Zwischenrad 25 hinsichtlich Durchmesser und Zähnezahl so gewählt, dass sich für die beiden Ausgangsräder 14, 15 eine Synchronisation in Drehrichtung und Drehzahl ergibt.
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Zweckmäßig ist das Sonnenrad 21 drehfest mit einer Sonnenwelle 26 verbunden, die ihrerseits drehfest mit einem Eingangsrad 27, vorzugsweise ein Zahnrad, verbunden ist. Die Antriebswelle 8 des Elektromotors 5 ist mit einem Antriebsrad 28, vorzugsweise ein Zahnrad, drehfest verbunden, das mit dem Eingangsrad 27 in Eingriff steht. Die Sonnenwelle 26 erstreckt sich dabei koaxial zu einer Sonnenachse 29 des Planetengetriebes 20, die parallel zur Antriebsachse 9 und zur Abtriebsachse 10 verläuft.
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Durch die reduzierte mechanische Belastung der Eingriffsstellen 18, 19 ist es gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform möglich, die beiden Ausgangsräder 14, 15 und/oder das Abtriebsrad 12 als Kunststoffräder auszugestalten.
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Vorteilhaft ist das Abtriebsrad 12 über einen Freilauf 30 mit der Abtriebswelle 6 verbunden. Dieser Freilauf 30 überträgt in der Antriebsdrehrichtung 13 ein Drehmoment vom Abtriebsrad 12 auf die Abtriebswelle 6. In einer in 2 durch einen Pfeil angedeuteten Gegendrehrichtung 31, die der Antriebsdrehrichtung 13 entgegengesetzt orientiert ist, lässt der Freilauf 30 dagegen Relativverdrehungen zwischen Abtriebsrad 12 und Abtriebswelle 6 zu. Hierdurch kann beispielsweise die Abtriebswelle 6 in der Antriebsdrehrichtung 13 rotieren, während das Abtriebsrad 12 steht oder mit einer geringeren Drehzahl als die Abtriebswelle 6 in der Antriebsdrehrichtung 13 rotieren.
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Zweckmäßig ist die Abtriebswelle 6 als Hohlwelle ausgestaltet und von der Tretkurbelwelle 3 koaxial durchsetzt. Die Tretkurbelwelle 3 ist in der Antriebsdrehrichtung 13 drehfest mit der Abtriebswelle 6 verbunden. Zweckmäßig ist die Tretkurbelwelle 3 über einen weiteren Freilauf 32 mit der Abtriebswelle 6 verbunden. Dieser weitere Freilauf 32 funktioniert wie der zuvor beschriebene Freilauf 30 zwischen Abtriebsrad 12 und Abtriebswelle 6. Dementsprechend überträgt der weitere Freilauf 32 in der Antriebsdrehrichtung 13 ein Drehmoment von der Tretkurbelwelle 3 auf die Abtriebswelle 6, während er in der Gegendrehrichtung 31 eine Relativverdrehung zwischen Tretkurbelwelle 3 und Abtriebswelle 6 zulässt. Hierdurch kann die Abtriebswelle 6 in der Antriebsdrehrichtung 13 rotieren, während die Tretkurbelwelle 3 steht oder in der Gegendrehrichtung 31 rotiert oder in der Antriebsdrehrichtung 13 mit einer geringeren Drehzahl als die Abtriebswelle 6 rotiert.
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Zweckmäßig verlaufen Antriebsachse 9 und Abtriebsachse 10 parallel zueinander, jedoch zueinander radial beabstandet. Auch die Sonnenachse 29 erstreckt sich parallel zur Antriebsachse 9 und parallel zur Abtriebsachse 10. Insbesondere erstreckt sich die Sonnenachse 29 dabei geometrisch zwischen der Antriebsachse 9 und der Abtriebsachse 10. Wie sich 2 entnehmen lässt, können sich Antriebsachse 9, Abtriebsachse 10 und Sonnenachse 29 vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene erstrecken. Ferner erfolgt die Anordnung von Elektromotor 9 und Getriebe 7 derart, dass die Ausgangsräder 14, 15 geometrisch zwischen der Antriebswelle 9 und der Abtriebswelle 6 angeordnet sind. Im Einbauzustand liegen die Ausgangsräder 14, 15 oberhalb der Abtriebswelle 6. Der Elektromotor 5, ebenfalls oberhalb der Abtriebswelle 6, treibt die Antriebswelle 8 an. Zweckmäßig ist die Antriebswelle 8 dabei Bestandteil eines innenliegenden Rotors des Elektromotors 5.
