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Batteriegespeister, elektromotorischer Antrieb für Fahrräder
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Wenn ein Fußgänger auf das Fahrrad überwechselt, legt er bei vergleichbarer
i:uskelarbeit dank der geringen Rollreibung von Fahrrädern in gleicher Zeit die
drei- bis vierfache Wegstrecke zurück. Wie Versuche zeigten, sind im Großst dtverkehr
Radfahrer oft schneller als mit etwa 1Q00 mal größerer Leistung angetriebene Auto.
Leider bringt die Pedalbetätigung beim Radfahren ständige Körpergewichtsverlagerungen
mit sich. Das Fahrrad schlenkert und hält schlecht Spur. Das Risiko, von Autos im
dichten Verkehr angefahren zu werden, ist vielen Radfahrern zu groß.
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Man benützt daher zur Zeit das Fahrrad nur als Freizeit- und Trimm-Dich-
Gerät. Erst wenn es gelingt, daß Fahrräder in Zukunft besser ihre Fahrspur einhalten,
haben sie zunehmend Chacen, als energiesparende und umweltfreundliche Verkehrsmittel
akzeptiert zu werden. Dazu ist Voraussetzung, daß die Pedalbewegung entfällt. Das
Fahrrad braucht also einen Fremdantrieb, z.Bsp.
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in Form eine.; batteriegespeisten, elektromotorischen Antriebes.
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Derartiges ist nicht neu. Leider hat man in der Verganganheit den
folgenschweren Fehler begangen,bei der Wahl del Ilotornennleistung sich von verkaufstaktischen
Argumenten leiten zu lassen, hielt also eine Leistungsangabe von 1 PS fiir erforderlich
Die im Vergleich zum durchschnittlichen Leistungsvermögen von 50 bis 100 Watt eines
Menschen mit 700 bis 800 glatt um den. Faktor 10 überdimnesionierten Motoren erzwangen
große und schwere Batterien.
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Wegen des hohen Gesamtgewichtes des Elektroantriebes kamen schließlich
nur noch Rahmen, Bereifung und Bremsen von ansonst verbrennungemotorbetriebenen
Motorfahrrädern (Mofas, Mopeds) in Betracht.
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Diese unhandlichen Elektrozweiräder der vergangenen Jahre mit
Gewichten
bis 80 kg konnten keine Kellertreppe mehr heruntergetragen werden, erforderten also
Garagenabstellfläche. Sie liegen sich, wenn die Batterie leer war, kaum mehr per
Pedaltreten von der Stelle bewegen. Man blieb hilflos auf der Straße liegen.
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Wie der vorgenannte Schnelligkeitsvergleich zwischen Auto und Fahrrad
im Großstadtverkehr zeigt, bringt eine überhöhte Rotor leistung keine Vorteile.
Das durchschnittliche Muskelleistungsvermögen eines Menschen reicht für den elektromotorischen
Antrieb eines Fahrrades aus. Ziel dieser Erfindung ist e', einen Antrieb zu finden,
der die Nachteile bisheriger elektromotorisch betriebener Fahrräder vermeidet. Er
so)l zu einer nur unwesentlichen Erhöhung des aus normalen Fahrrad, Antrieb und
aufgesessenem Hadfahrer sich zusammensetzenden Gesamtgewichts führen, so daß er
ohne Risiko an weltweit millionenfach vorhandenen normalen Fahrrädernnachgerüstet
werden kann. Zusätzlich soll ein ungestörter Parallelbetrieb durch Pedaltreten und
Eklektromotor möglich sein, so daß sich Muskel- und elektroinotorische Leistung
aufaddleren.
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Die hierdurch erreichte Verdopplung der Antriebsleistung ermöglicht
dann z.:Ssp. Bergaufwärtsfahren bei etwa doppelter Steigung wie bisher, ohne absteigen
und schieben zu müssen. Damit wird ein derart motorisiertes Fahrrad zusätzlich zum
Stadtverkehr auch für Überlandfahrten im hügeligen Gelände, als Zubringer zu Haltestellen
von öffentlichen Verkehrsmittteln, als Transportmittel für den Einkauf in entfernteren
Supermärkten und als Freizeitverkehrsmittel interessant. Ein weiteres Zie der @
Erfindung ist, daß der Kaufpreis des batteriegespeisten, elektromotorischen antriebes
so niedrig ist, daß er von vielen Menschen akzeptiert wird. Dies ermöglicht der
Industrie den Einsatz wirtschaftlicher Massenfertigungsverfahren. Ferner soll der
Antrieb einfach und kostengünstig und bei einigem Geschick im Do-It-Yourself-Verfahren
an vorhandene Fahrräder nachrüstbar sein.
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Beim Bergabwärtsfahren wird beim normalen Fahrrad wie auch bei benzinbetriebenen
Zweirädern die überschüssige kinetische Energie in den Bremsen in Wärme umgesetzt.
Ziel der Erfindung ist u.a.
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die generatorische Rückspeisung eines Teiles dieser Energie als Batterienachladung
mit einem'Minimum an zusätzlichem technischen Aufwand. Damit ist auch der Einsatz
eines derart ausgerüsteten
Fahrrades bei flochbocken des Hinterrades
als pedalbetriebenes Niederspannungs- Notstromaggregat mit etwa 50 Watt Leistungabgabe
in Krisensituationen z.Bsp. zur Notbeleuchtung oder zur Speisung fermeldetechnischer
Geräte möglich.
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Für den Fall, daß ein rechtzeitiges Nachladen der Batterie vergessen
wurde, soll der Elektroantrieb einfach und zuverlässig auskuppelbar sein, und das
Fahrrad wie ein normales Fahrrad durch Pedalantrieb fortbewegt werden können. Bei
der Bemessung des Amntriebes ist durch konstruktive und/oder elektrische Maßnahmen
sicherzustellen, daß zu vorzeitiger Zerstörung oder Alterung von Motor und Batterie
führende Überlastungen nicht vorkommen können.
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Die erfinderliche Lösung, die vorgenannten Anforderungen entspricht,
ergibt sich durcll den Einsatz eines dauermagneterregten Antriebsmotors, der über
einen Reibrollantrieb auf der Motorwelle seine Leistung auf die Bereifung oder für
vorgenannten Einsatz angepaßte Radfelgen des ansonst über Pedal und Kette angetriebenen
Hinterrades überträgt. Ein solcher Reibrollantrieb ist bei Begrenzung der elektromotorischen
Antriebsleistung auf eine Größenordnung von etwa 1 OOWim Gegensatz zu bisherigen
800 Watt-Elektrofahrrädern technisch zuverlässig machbar. Durch angepaßte Bemessung
des Reibschlusses (richtig gewählte Federvorspannung, angepaßte Materialwahl und
Formgebung für das Reibrad auf der Motorwelle ) übernimmt diese Art der Kraftübertragung
zugleich die Funktion einer Sicherheitsrutschkupplung. Bei einjustierten an der
Andrückfeder einer Rutschgrenze entsprechend z.Bsp. dem 1,5-fachen Motornennmoment,
ist es nicht möglich, Motor und Batterie mit höherem als etwa den 1,5 - fachen Nennstrom
zu belasten. Im praktischen Fahrbertrieb bedeutet dies, daß der Radfahrer ähnlich
wie bei früheren benzinbetriebenen Fahrrädern iiimer erst per Pedal das Hinterrad
auf eine bestimmte Drehzahl bringen muß, bevor das Zuschalten der Batterie; auf
den Motor ohne Gefahr des Durchrutschradium $Batterieladung Damit entfallen die
den Aktionsradius jiro Batterieladung stark einschränkenden hohen Anfahrspitzenströme.
Zusätzlich können anstelle von Blei-Starterbatterien mit ihrem hohen Spitzenstromangebot
künfteg andere Batteriearten wie z.Bsp. Stahl-Luft-Batterien mit besserem Energiespeichervermögen
pro Battereiegewicht eingesetzt wer
Um das Zuschalten voll Batterie
und Motor auf das zunächst über Pedalarbeit fremdangetriebene Motoreibrollrad bereits
bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten von z.Bsp. 6 lnn/h km/h zu ermöglichen, andererseits
ohne Überschreiten der Rutschgrenze mit z.Bsp. 20 km/h elekromotorisch angetrieben
fahren zu könnnen, wird erfindungsgemäß das motorseitige Reibrollrad als eine Art
kegel ausgebildet.
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Stehen Reibrad und Bereifung nahe der Kegelspitze in Eingriff, so
ergibt sich bei vorgegebener Motornendrehzahl eine kleine Fahrgeschwindigkeit. Umgekehrt
ergibt der Eingriff am größten Regeldurchmesser ein z.Bsr. auf ein Drittel reduziertes
.bersetzungsverhältnis und fürhrt zu etwaw dreifacher Fahrgeschindigkeit. Das stufenlose
Verändern der Fahrgeschwindigkeit erfolgt erfindungsgemäß durch Schwenken oder Verschieben
des Motors bzw. seines Kegelrades in seine relativen Lage zum angetriebenen Hinterrad
mit Hilfe eines vom Fahrer vornehmlich über einen sogenannten Gasdrehgriff am Lenkr.
betätigten Bowdenzuges oder über funktionsgleiche Gestängeanordnungen.
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Für Komfortlösungen vorgenannten Antriebes, bei denen der Lernprozeß,
wann darf ich ohne Gefahr des Durchrutschens meinen Elektroantrieb zuschalten oder
wann muß ich bei Steigungen Pedalhilfe geben,erleichtert wird, sind ggf. zu ergänzen:
ein bowdenzugbetätigter Batteriestromschaltet mit einem vom vorgegebenen Schwellenwert
der generatorischen Spannung des Motors ausgelösten Zuschaltrelais, ein T'berstromsicherungsautomat,
ein am Fahrradlenker installierter, umschaltbarer Strorn- und Batteriespannungsanzeiger.
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Letzterer ist vorteilhafterweise ein Drehepulinstrument mit iTullstellung
des Zeigers bei etwa einem Drittel der Skalenklänge.
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Bei Bergabwärtsfahren mit generatorischer Röckspeisung in die Batterie
erfolgt Anzeige der Stromrichtungsumkehr und Größe des Ladestromes. Durch angepaßte
Bowdenzugbetätigung zwecks änderung der Reibrollenübersetzung läßt sich dieser Strom
optimieren, um möglichst viel kinetische Energie als Elektroenergie für die weitere
Fahrt in der Batterie zu speichern. Gleichzeitig werden die mechanischen Bremsen
des Fahrrades thermisch entlastet.
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In Kombination zur Motorinstallation unter und hinter dem Fahrradtretlager
mit Reibrolleingriff am schutzblechfreien unterem Teil des Hinterrades bietet sich
gleichermaßen eine mit tiefem Schwerpunkt installierte Aufhängung der Batterie vor
dem Tretlager im freien Raul # zwischen den Pedalen an. Entsprechend schmale Batterien
sind als Motorradstarterbatterien handelsüblich. Motor-und Batterieaufhängung lassen
sich zu einer gemeinsamen, montagefreundlichen, auch von Laien nachinstallierbaren
Einheit zusammenfassen. Des weiteren ist die Aufhängung von Batterien unter Nutzung
der Verschraubung der Hinterradachse möglich. Sie überragen dabei seitlich nicht
das Profil der Pedale und Füße. Das Fahrrad ist ohne Gefahr von Bateribeschädigungen
über Treppen und Bordschwellen fahrbar. Der niedere Schwerpunkt führt zu einer weiteren
Verbesserung der Spurhaltung des Fahrrades.
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Von Vorteil ist, wenn zwei Batterien beidseitig der Hinterrad achse
verwendet werden, die einzeln oder in Serie geschaltet werden können. Damit kommt
zur stufenlosen mechaniscsien Verstellung der Fahrgeschwindigkeit über den Reibradkegel
von z.Bs. 1 : 3 noch eine Ankerspannungsschaltung im Verhältnis 1 : 2. Das auf 1
: 6 erweiterte Geschwindigkeitsstellverhältnis ist nützlich bei Koloinenschleichfahrt
oder am steilen Berg. Das Elektrofahrrad vermag nach Absitzen des Pahrers das auf
ein Viertel des vorherigen Gesamtgewichtes reduzierte Gewicht selbst bergauf zu
ziehen, braucht alao nicht geschoben zu werden. Damit der abgesessene, das Fahrrad
am Lenker führende Mensch seinem sich selbst antreibenden Fahrrad zu BuJi arn Berg
folgen kann, ohne außer Atem zu kommen, bedarf es eines Übersetzungsverhältnisses
bis 1 : 6 Zur Verdeutlichung der erfinderischen Lösung bedarf es der zeichnetischen
Darstellung. Es zeigen Figur 1 ein mit batteriegespeistem Elektroantrieb ausgerüstetes
Fahrrad in Seitenansicht Figur 2 den zwecks Elektrofahrbetrieb eingeschwenkten Motor
Figur
3 einen Schnitt durch Fahrmotor, Reibrad und Bereifung Figur 4 den ausgeschorenkten
Motor bei Pedalantrieb Figur 5 die dem Reifenprofil angepaßte Geometrie des Reibrades
Figur 6 Schaltung und Anordnung eines Zweibatterien-Antriebes Figur 7 Schaltung
eines Antriebes mit mehrfach geichetem Stromkreis und Strom und Spannungsanzeige
am Lenker Figur 1 zeigt zunächst ein herkömmliches Fahrrad mit Vorderrad 1, Lenker
2, Pedaltretlager 3 und Hinterrad 4. Unterhalb und hinter dem Tretlager 3 und zwischen
den Pedalen 5 und 6 ist der geeignetste Ort zur Unterbringung des Fahrmotors 7 mit
seinem Reibrad 8.
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Für die Aufhängung der Batterien 9 und 10 kommt entweder die Verschraubung
der Hinterradachse 11 oder eine Aufhängung vor dem Tretlager 3 am Rahmen 12 oder
beides gemeinsam in Betracht.
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Das Schwenken des Motor und damit Verändern des Reibradübersetzungsverhältnisses
erfolgt über einen Bowdenzug 13 oder funktionsgleiches Gestänge vorteilhafterweise
durch einen sogenannten Gasdrehgriff 14 am Lenker 2. Bei angezogenem Drahtzug wird
der Fahrmotor 7 eingeschwenkt. Figur 2 verdeutlicht dies in einem vergrößerten Ausschnitt.
Neben dem Gelenk 15 für vertikales Schwenken ermöglicht ein Scharnier 16 bei vlberwindung
der Gegenkraft einer justierbaren Druckfeder 17 eine seitliche Drehbewegung des
Motors.
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Bigur3zeigt als Schnitt A-B von Figur 2, wie die Bereifung 18 und
der größte Durchmesser des Reibrades 8 in Eingriff stehen, wenn das Fahrrad mit
größter Geschwindigkeit und somit bei kleinstem Übersetzungsverhältnis elektromotorisch
angetrieben wird. Andererseits zeigt Figur 4, wie bei freigelassene Drahtzug der
Motor sich durch sein Eigengewicht derart absenkt, daß Reibrad und Hinterradbereifung
sich nicht mehr berühren1 und somit ein unbeeintr.chtigter Antrieb des Fahrrades
per Pedal möglich ist.
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Um bei durch die Fahrradgeometrie begrenzten Abmessungen und bei relativ
kl-jinen Betätigungswcgen herkömmlicher Bowdenzüge eine möglichst große Änderung
der Übersetzung am lleibradkegel zu erreichen und ferner den Beiingungen-zu genügen,
daß das Nennmoment des Motors zuverlassig übertragen wird, hingegen bei z, Bsp.
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1,5-fachem Nennmoment die Anordnung als Sicherhei-tsrutschkupplung
wirkt, hat sich nach umfangreichen Versuchen die nachfolgende Bemessungsregel als
vorteilhaft erwiesen. Wenn gemäß Figur 5 die Bereifung 18 einen Durchmesser dr hat,
der kleinste nutzbare Durchmesser des ReibraeRegels a beträgt, so ist das Reibrad
mit einer A.uskehlung zu versehen , deren Radius rk = (1 ... 2). dr beträgt, wobei
der kleinere Wert für sogenannte Ballon- und der größere fur sehr schmale Rennradbereifung
gilt..
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Aus Figur 6 ist die räumliche Anordnung und das elektrische Schaltbild
eines Fahrrades mit zwei Batterien und somit zwei verschiedenen hnkerspannungen
zusätzlich zur stufenlosen lLeibkegelverstellung ersichtlich, 20 und 21 sind die
beiden an der Hinterradachse aufgehängten Batterien. Sie ragen seitlich nicht mehr
als der Sattel 22 und weniger als die Pedale 23, 24 und der Lenker aus dem Fahrradprofil.Das
Minuspotential der Anordnung liegt an Masse(=Fahrradrahmen), Die Kabel beider Batterien
werden zunächst zu einer Steckbuchsenanordnung 25 geführt, die vorteilhaftwerweise
mit der Motoraufhängung 26 vor dem Tretlager integriert ist, um zusätzliche Verschraubungen
einzusparen und die Nachinstallation normaler Fahrräder zu Elektror'dern durch Laien
zu erleichtern, Aus dem Schaltbild der Steckbuchsenanordnung 27 ist deren unsymetrischer
Aufbau ersichtlich, um Fehlschaltungen auszuschließen. Mit dem "Fahrstecker" 28
wird das elektrische Potential U/2 zwischen beiden Batterien angezapft. Beim Ansschließen
der Batterien an das Ladegerät 29 zwecks Nachladen muß der Fahrstecker 28 gezogen
werden, damit der Ladestecker 30 angeschlossen werden kann. Die Aufladung erfolgt
dann bei parallelgeschalteten Batterien.
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Die beiden Pluskabel mit U/2 und U werden zu dem zweckinäßigerweise
am Lenker installierten Ein-, Aus- und Spannungswahlschalter 31 geführt. Das zwangsweise
Schalten von U/2 , bevor die volle
Spannung auf- oder weggeschaltet
wird ,begrenzt die Stromspitzen in Motor und Batterie. Die Ableitung 32 des Schalters
führt zur Plusbürste des Dauermagnetfahrmotors 33, dessen Minusbürste auf Massepotential
liegt. Die stuf--nlose mechanische Fahrgeschwindigkeitsverstellung erfolgt uber
Drehgriff 34 und dem zum Motorschwenkhebel hinführenden Bowdenzug 35.
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Figur 7 zeigt das Schaltbild für einen Elektrofahantrieb mit mehrfach
überwachtem Stromkreis, hier unter der Annahme de Speisung durch eine Batterie.
Die Schaltungen gemäß Figur 6 und 7 sind selbstredend miteinander kombinierbar.
Der Strom der Batterie 36 muß zunächst einen Sicherungsautomaten 37 mit thermischer
(bei längerer Überlast) und magnetischer Au; sung (bei z.Bsp.
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Kurzschluf? und Gefahr von Kabelbrand) passieren. Damit Strom erst
dann zugeschaltet wird, wenn der Dauermagnetmotor durch Pedaltreten eine etwa der
halben Nenndrehzahl en%sprechende Zuschaltdrellzahl erreicht hat, liegt an den KleTnmen
des Motors 98 eine Relaisspule ,9, die erst dann den Stromfluß freigibt, wenn dei.
Motor eine vorgenannter Drehzahl proportionale Spannung generatorisch beistellt.
Der Schalter 40 wird von einer Klinke 41 , die mit dem Bowdenzug 42 oder einem funktion@g@
eichen Gestänge verbunden ist, erst dann betätigt, wenn das Motorreibran bis zum
Eingriff am Hinterrad eingeschwenkt ist. Alle elektrischen Funktionen der Anordnung
werden somit durch Betätigung des Drehgasgriffes am Lenker ausgelöst. Es sind keine
motorstrolafüllrenden Kabel zum Lenker nötig.
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Zur Kontrolle des jeweiligen Stromverbrauches ist die Installation
eines Drehspulinstrumente-z 43 am Lenker von Vorteil. Ein niederohrniger Shunt 44
in Serie zum Motor liefert ein dem Strom analogen Meßwert. Durch einen Umschalter
45 leßt sich der Ladezustand der Batterie am gleichen Instrument anzeigen. Der Reihenwiderstand
46 sorgt für Anpassung von Meßwerk und Instrumentenskala.
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Meß- und Relaiskreis werden durch eine Feinsicherung 47 vor# Uberströmen
geschützt. Sicherungsautomat, Relais und bowdenzugbetätigter Schalter wie auch die
zur Meßwertfassung dienenden Widerstände sind vorteilhafterweise in unmittelbarer
Nachbarschaft von Batterie und Motor anzuordnen. Als geeignet hierfür
hat
sich der Raum zwischen Batterie 10 laut Figur 1 und dem Rahmen 12, also das durch
48 gekennzeichnete Dreieck erwiesen. Batterie-, Installationskasten und Motoranordnung
bilden hierbei eine integrierte Einheit mit kurzen, verlustarmen Kabellängen, die
bereits derart miteinander verdrahtet sind, daß nur noch der Bowdenzug und der Stecker
zum Lenkerinstrument anzuschließen sind, um ein bisheriges Trennfahnrrad künftig
als Elektrofahrrad betreiben zu können, Bei Anbau und Erprobung vorbeschriebener
Elektroantriebe an normalen FahrrcQern hat sich ergeben, da. das vom Fahrrad zu
tragende Gesamtgewicht (Rad ca. 15 kg, Fahrer ca. 75 kg, Motor und Installation
ca. 2 kg, Batterien ca. 5 bi. 7 kg ) sich lediglich um etwa 10 % erhöht hat. Es
besteht kein Risiko für ein Nachrüsten normaler Fährräder mit Elektroantrieben.
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Die vorstehend erläuterte erfinderische Lösung ist nicht auf die Anwendung
bei normalen Fahrrädern beschränkt. Sie umfaft auch deren Nutzung bei drei- und
vierrädrigen Verkehrsmitteln, bei fahrradähnlichen Trimm-Dich-Geräten und kleinen
Notstromaggregaten, bei denen eine stufenlose Spannungseinstellung erwünscht ist.
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Gleichermaßen ist del- Einsatz der erfinderischen Lösung nicht nur
auf die Nachrüstung vorhandener Fahrräder begrenzt, sondern hat gleichermaßen Bedeutung
für die Serienfabrikation von grundsätzlich bereits als Elektrorädern konzipierten
Verkehrsmitteln, bei denen z. Bsp. Pedaltreitlager und Motoraufhängung miteinander
integrierte Teile sind, und die Batteriekasten feste Bestandteile des Rahmen oder
der Hinterradaufhängung sind.
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11 Ansprüche 7 Figuren
L e e r s e i t e