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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von pneumatischer Ener- gie in hydraulische Energie mit mindestens einem Pneumatikzylinder zur Entspannung eines unter
Druck stehenden Gases und mit mindestens einem Hydraulikzylinder, der in einem Hydraulik- kreislauf angeordnet ist, wobei der Pneumatikzylinder und der Hydraulikzylinder durch eine Getne- beanordnung miteinander verbunden sind, die einen im Pneumatikzylinder angeordneten Pneu- matikkolben mit einem im Hydraulikzylinder angeordneten Hydraulikkolben koppelt.
In einer Vielzahl von Anwendungsbereichen besteht das Bedürfnis, die Energie eines unter
Druck stehenden Gases dazu zu verwenden, einem Hydraulikkreislauf Energie zuzuführen. Druck- luft ist beispielsweise als Energiespeicher für Fahrzeuge sehr gut geeignet. Für den Antrieb von
Fahrzeugen sind jedoch Hydraulikmotoren besser geeignet als Pneumatikmotoren, so dass eine
Umwandlung der pneumatischen Energie in hydraulische Energie notwendig ist.
Es sind Kolbenmaschinen bekannt, die dazu ausgebildet sind, die Druckluft zu entspannen und ein Hydraulikmedium zu fördern, um damit einen entsprechenden Antneb zu versorgen. Bei einer solchen Umwandlung treten jedoch verschiedene Probleme auf. Zum einen sinkt der Druck der
Druckluft während eines einzelnen Arbeitshubes kontinuierlich ab. Im Hydraulikkreislauf ist jedoch ein konstanter Druck erforderlich. Wenn daher die Querschnittsfläche der Kolben und die mecha- nische Übersetzung zwischen ihnen so eingerichtet wird, dass die am Pneumatikkolben anliegende
Druckkraft auch am Ende des Arbeitshubes des Pneumatikkolbens noch ausreicht, um den Hydra- ulikkolben zu bewegen, dann ist die entsprechende am Beginn des Arbeitshubes je nach den verwendeten Druckniveaus um ein Vielfaches grösser. Diese überschüssige Druckkraft ist im Grun- de nicht nutzbar und letztlich verloren.
Um diese Probleme zu mildern, sind mehrstufige Druckmul- tiplikatoren vorgeschlagen worden, die es ermöglichen, einen schwankenden Hydraulikdruck zuzu- lassen, so dass die entsprechenden Drücke wenigstens in Stufen aneinander angepasst werden können. Andererseits besteht beim Betrieb eines Fahrzeugs, dessen Antriebsenergie in Druckluft- flaschen gespeichert ist, das Problem, dass mit zunehmender Fahrstrecke der Druck in den Vor- ratsbehältern absinkt. Da es in Hinblick auf die Fahrleistungen unerwünscht ist, den Druck im Hy- drauliksystem ebenfalls absinken zu lassen, sind auch hier Massnahmen, wie etwa Druckmulti- plikatoren, erforderlich, um die Funktion eines solchen Antriebs auch bei absinkendem Pneumatik- druck sicherzustellen.
Die oben beschriebenen Schaltungen und Vorrichtungen sind aufwendig und konnen dennoch den Wirkungsgrad nur in gewissen Grenzen anheben, da auch bei der Verwendung von Druck- multiplikatoren Verluste auftreten, die durch die Unterschiede zwischen den Druckstufen und den tatsächlich vorliegenden Drücken bedingt sind.
Die US 4 223 593 A, die GB 1 364 093 A und die FR 2 266 004 A betreffen Hydraulikmotoren des Axialkolbentyps Dabei wird hydraulische Energie in eine Drehbewegung umgesetzt oder umgekehrt. Die US 3,942,323 betrifft eine hydraulische Vorrichtung mit einem pneumatisch arbei- tenden Druckausgleichsbehälter. Keine der Vorrichtungen ist dazu geeignet, mit hohem Wirkungs- grad den Druck eines Gases dazu zu verwenden, einem Hydraulikkreislauf Energie zuzuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, die bei einem einfachen Aufbau einen hohen Wirkungs- grad aufweist. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Getriebeanordnung ein Übersetzungs- verhältnis aufweist, das in Abhängigkeit von der Stellung der Kolben unterschiedlich ist. Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass der Pneumatikkolben und der Hydraulikkolben nicht direkt miteinander gekoppelt sind, sondern durch eine Getriebeanordnung verbunden sind, die ein verän- derliches Übersetzungsverhältnis aufweist. Dies bedeutet, dass eine Verschiebung des Pneumatik- kolbens um eine bestimmte Wegstrecke in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Pneuma- tikkolbens eine Verschiebung des Hydraulikkolbens in jeweils unterschiedlichem Ausmass bewirkt.
Das Übersetzungsverhältnis wird dabei möglichst so festgelegt, dass der während der Entspan- nung des Pneumatikmediums absinkende Druck kompensiert wird. Vorzugsweise ist daher vorge- sehen, dass das Übersetzungsverhältnis mit zunehmendem Arbeitshub des Pneumatikkolbens kontinuierlich abnimmt, wobei es im Bereich des oberen Totpunkts des Pneumatikkolbens gross und im Bereich des unteren Totpunkts des Pneumatikkolbens klein ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass während des gesamten Arbeitshubs die über die Getriebeanordnung auf den Hydraulikkolben ausgeübte Kraft grösser ist als die Gegenkraft, die von dem unter dem Systemdruck stehenden Hydraulikmedium auf ihn ausgeübt wird, so dass eine kontinuierliche
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Funktion der Vorrichtung möglich ist.
Andererseits wird der Unterschied zwischen diesen Kräften möglichst klein gehalten, um die Verluste zu minimieren.
In einer besonders begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass eine
Verstelleinrichtung zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Getriebeanordnung vorgese- hen ist. Auf diese Weise kann auch der abfallende Systemdruck im Pneumatikkreislauf berück- sichtigt werden, wenn zunehmend Pneumatikmedium wie etwa Druckluft entnommen wird.
Als besonders einfache und konstruktiv günstige Lösung hat es sich herausgestellt, wenn die
Getriebeanordnung einen Hebel umfasst, der einerseits mit dem Pneumatikkolben und anderer- seits mit dem Hydraulikkolben in Verbindung steht. Dabei ist eine besonders gute Anpassung an den Druckverlauf dadurch möglich, dass der Hebel mit dem Pneumatikkolben über eine Gleit- führung mit einem Gleitstein, der auf einer Gleitfläche gleitet, verbunden ist. Durch die Gestaltung der Geometrie der Gleitfläche werden die jeweils wirksamen Hebelarme festgelegt, die das Über- setzungsverhältnis bestimmen. Anstelle einer Gleitführung kann auch eine Rollenführung einge- setzt werden, bei der ein Wälzkörper, der an der Kolbenstange befestigt ist, auf einer entspre- chenden Fläche am Hebel abrollt.
Alternativ zu diesen Lösungen ist auch eine Abrollbewegung des
Hebels auf einer entsprechend geformten Gegenfläche möglich, wenn die auftretenden Pressun- gen beherrscht werden.
Das Auftreten seitlicher Kräfte an Gleitführungen kann weitgehend dadurch vermindert werden, dass ein Pneumatikkolben mit zwei Hebeln in Verbindung steht, die jeweils mit einem Hydraulik- kolben in Verbindung stehen. Dabei wird die Stabilität insbesonders dadurch erhöht, dass die
Hebel im Bereich der Gleitflächen miteinander verzahnt sind.
In Zusammenhang mit der obigen Ausführung ist es günstig, wenn eine Verstelleinrichtung vor- gesehen ist, die als Mechanismus zur Verschiebung des Drehpunkts des Hebels ausgebildet ist.
Auf diese Weise kann auch die Anpassung an den abfallenden Druck im Pneumatiksystem leicht vorgenommen werden.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau der vorliegenden Erfindung, die Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Druckverlaufs und des Über- setzungsverhältnisses bei einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung, die Fig. 3 und 4 eine Ausführungsvariante der Erfindung in einem seitlichen Teilschnitt, die Fig. 5 eine Ansicht der Aus- führungsvariante von Fig. 3 und 4, die Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemässen Vorrichtung, die Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung des Druckverlaufs und des Übersetzungs- verhältnisses bei einer solchen Ausführungsvariante der Erfindung, die Fig. 8 eine Prinzipskizze des Aufbaus dieser Ausführungsvariante und die Fig.
9 schematisch eine weitere Ausführungs- variante der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt einen Pneumatikzylinder 1 mit einem darin beweglich angeordneten Pneu- matikkolben 2. Der Pneumatikzylinder 1 ist an einem Gelenk 3 abgestützt. Die Kolbenstange 4 des Pneumatikkolbens 2 ist über ein Gelenk 5 mit einem zweiarmigen Hebel 6 verbunden.
Ein Hydraulikzylinder 7 mit einem darin beweglich angeordneten Hydraulikkolben 8 ist in analo- ger Weise über ein Gelenk 9 abgestützt. Eine Kolbenstange 10 des Hydraulikkolbens 8 ist über ein Gelenk 11mit dem Hebel 6 verbunden.
Der Druck des Pneumatikmediums im Pneumatikzylinder 1 übt auf den linken Hebelarm 6a des Hebels 6 eine Kraft aus, die im wesentlichen dem Produkt aus dem Druck und der Querschnitts- flache des Pneumatikkolbens 2 entspricht. Dadurch wird an dem Hebel 6, der im Punkt 13 abge- stützt ist, ein Moment erzeugt, das dem Produkt dieser Kraft mit dem wirksamen Abstand a ent- spricht. Der zweite Hebelarm 6b des Hebels 6 ist gegenüber der gedachten Verlängerung des Hebelarms 6a um einen Winkel a geneigt, der etwa 20 bis 30 beträgt. In dem Gelenk 11 wird eine Kraft auf den Hydraulikkolben 8 ausgeübt, die dem oben beschriebenen Moment gebrochen durch die wirksame Länge b des Hebelarms 6b entspricht. Der auf das Hydraulikmedium im Hydraulik- zylinder 7 ausgeübte Druck entspricht dieser Kraft gebrochen durch die Querschnittsfläche des Hydraulikkolbens 8.
In der Fig. 1 ist die Hebelanordnung etwa in einer Mittelstellung gezeigt. Es ist einsichtig, dass am Beginn des Arbeitshubes des Pneumatikkolbens 2 der Hebelarm 6b etwa waagrecht ist, und somit das Übersetzungsverhältnis i, das proportional b/a ist, gross ist. Im Zuge des Arbeitstaktes des Pneumatikkolbens 2 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wird die wirksame Länge b
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des Hebelarms 6b zunehmend kleiner, während die wirksame Länge a nur einer geringen Ver- änderung unterworfen ist. Im Bereich des unteren Totpunkts wird die wirksame Länge b sehr klein, so dass das Übersetzungsverhältnis i ebenfalls sehr klein wird.
In der Fig. 2 wird anhand eines Diagramms die Wirkungsweise der Erfindung im einfachsten
Fall einer einstufigen Entspannung erklärt. Auf der waagrechten Achse ist dabei der Kolbenweg S des Pneumatikkolbens 2 aufgetragen. Auf der senkrechten Achse sind der Druck p im Pneumatik- zylinder 1 bzw. das Übersetzungsverhältnis i aufgetragen, wobei i, wie oben erklärt, als differen- tielle Wegänderung des Hydraulikkolbens 8 gebrochen durch eine differentielle Wegänderung des
Pneumatikkolbens 2 definiert ist.
Die obere in durchgezogenen Linien gezeichnete Kurve in Fig. 2 ist mit 100 bezeichnet und stellt den Druckverlauf im Pneumatikkolben 2 während des Arbeitstaktes dar Im oberen Totpunkt
OT wird ein nicht dargestelltes Ventil geöffnet und der Pneumatikzylinder 1 mit einer Druckluft- quelle verbunden, die einen ersten Arbeitsdruck p1 zur Verfügung stellt. Diese Verbindung bleibt in einem ersten Abschnitt des Arbeitstaktes aufrecht, bis sich der Pneumatikkolben 2 an einem Punkt
S1 befindet. Daher liegt zwischen dem oberen Totpunkt und S1 der Arbeitsdruck P1 im Pneumatik- zylinder 1 vor. Im Falle eines druckluftbetriebenen Fahrzeuges könnte dies der maximale Druck des Druckbehälters von 300 bar sein. In dem vorbestimmten Punkt S, wird die Verbindung mit dem
Druckbehälter unterbrochen und das Pneumatikmedium wird weiter entspannt.
Der Punkt S1 ist dabei so gewählt, dass im unteren Totpunkt UT des Pneumatikkolbens 2 der Druck pe vorliegt, der einem unteren Systemdruck von beispielsweise 15 bar entspricht.
Die untere in durchgezogenen Linien gezeichnete Kurve 110 stellt den Druckverlauf dar, wenn der Druck p im Druckbehälter auf den Druck P2 abgesunken ist. In einem solchen Fall wird die Verbindung des Pneumatikzylinders 1 mit dem Druckbehälter länger aufrecht erhalten, nämlich bis zum Punkt S2. Dieser Punkt ist so gewählt, dass bei der nachfolgenden Entspannung ebenfalls im unteren Totpunkt UT etwa der Druck pe erreicht wird.
In der oberen Kurve 120, die mit unterbrochenen Linien gezeichnet ist, ist das Übersetzungs- verhältnis i über den Weg s des Pneumatikkolbens 2 aufgetragen. Der Massstab ist dabei so gewählt, dass der erforderliche Druck im Hydraulikzylinder 7 dann erreicht wird, wenn der jeweilige Punkt auf der Kurve 120 über dem entsprechenden Punkt auf der Kurve 100 liegt. Aus der Darstel- lung der Fig. 2 ist ersichtlich, dass der Verlauf des Übersetzungsverhältnisses i (Kurve 120) dem Druckverlauf entsprechend der Kurve 100 so angepasst ist, dass der Hydraulikdruck stets erreicht oder überschritten wird, das Ausmass der Überschreitung jedoch begrenzt bleibt.
Unterhalb der Kurve 120 ist eine weitere Kurve 130 für das Übersetzungsverhältnis i aufgetra- gen, das für den Druckverlauf entsprechend der Kurve 110 ausgebildet ist. Dieses Übersetzungs- verhältnis kann realisiert werden, indem der Drehpunkt 13 des Hebels 6 so verschoben wird, dass der Hebelarm 6a länger wird und der Hebelarm 6b kürzer wird.
In den Fig. 3 bis 6 ist eine konstruktive Ausführungsform einer Ausführungsvariante der erfin- dungsgemässen Vorrichtung dargestellt. Dabei ist zur zweistufigen Entspannung der Druckluft ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder 1a als Niederdruckzylinder zwei Hochdruckzylindern 1b und 1c nachgeschaltet. Der Pneumatikzylinder 1a ist mit einem Kolben 2a versehen, der eine Kolben- stange 4 aufweist, über die er mit in der Fig. 3 nicht dargestellten Kolben 2b und 2c in Verbindung steht.
An einem Ende der Kolbenstange 4 sind Gleitsteine 15 schwenkbar angeordnet. Die Gleit- steine 15 stützen sich auf Gleitflächen 17 zweier Hebel 16 ab. An dem Hebel 16 ist jeweils ein Hydraulikzylinder 7 befestigt. In der Fig. 3 ist der Zustand der Vorrichtung im oberen Totpunkt der Pneumatikkolben 2a, 2b, 2c dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die wirksame Länge a auf der Pneumatikseite klein ist gegenüber der wirksamen Länge b auf der Hydraulikseite. Daher ist das Übersetzungsverhältnis i gross. In der Fig. 4 ist der Zustand im unteren Totpunkt der Pneumatik- kolben 2a, 2b, 2c dargestellt. Die Gleitsteine 15 befinden sich dabei bereits am Ende der Gleit- fläche 17, so dass die wirksame Länge a auf der Pneumatikseite gross ist Dadurch ist das Über- setzungsverhältnis i klein. Auf diese Weise wird die in der Fig. 2 dargestellte Charakteristik erreicht.
Durch eine entsprechende Krümmung der Gleitfläche und die sonstige Ausbildung der Geometrie des Hebels 16 kann der Verlauf des Übersetzungsverhältnisses optimal an die jeweiligen Gege- benheiten angepasst werden.
Weiters ist in den Fig. 3 und 4 eine Verstelleinrichtung 18 mit einem Verstellmotor 18a gezeigt,
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mit der der Drehpunkt 13 des Hebels 16 verschoben werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, den Verlauf des Übersetzungsverhältnisses i zu verändern, um so beispielsweise von der Kurve
120 der Fig. 2 auf die Kurve 130 zu kommen.
In der Fig. 5 ist ein verzahnter Bereich 19 ersichtlich, in dem die Hebel 16 miteinander ein- greifen. Auf diese Weise wird eine besondere Stabilität der Vorrichtung erreicht.
In der Fig. 6 ist ein grundsätzliches Schaltungsdiagramm für die erfindungsgemässe Vorrichtung dargestellt. Aus einem Druckluftbehälter 20 wird Druckluft entnommen und über nicht dargestellte
Steuerventile den Pneumatikzylindern 1b und 1c und in der Folge auch 1a zugeführt. Über die oben bereits beschriebene Anordnung der Hebel 16 werden die Hydraulikzylinder 7 betätigt. Diese stehen über Hydraulikleitungen 21 mit einer Gleichrichterschaltung 22 in Verbindung, die aus vier
Rückschlagventilen 23 besteht. Geringfügige Druckschwankungen werden in einem Hochdruck- ausgleichsbehälter 25 und einem Niederdruckausgleichsbehälter 24 aufgefangen. Mit 26 ist sche- matisch eine hydraulische Arbeitsmaschine, wie z. B. ein Hydraulikmotor, bezeichnet.
In der Fig. 8 ist die Schaltung der obigen Ausführungsvariante auf der Pneumatikseite naher dargestellt. Über Anschlüsse 30b und 30c, die nicht dargestellte Schaltventile aufweisen, werden erste Räume 32b, 32c der Hochdruckzylinder 1b bzw. 1c abwechselnd mit Druckluft beaufschlagt.
Über eine nicht dargestellte Verbindung in der Kolbenstange 4 steht ein weiterer Raum 31 b des
Zylinders 1b hinter dem Kolben 2b mit dem ersten Raum 32c des Hochdruckzylinders 1c in Ver- bindung. Gleiches gilt für einen in der Fig. 8 nur angedeuteten Raum 31c hinter dem Kolben 2c, der mit dem ersten Raum 32b des Zylinders 1b in Verbindung steht. In der Fig. 8 ist eine Stellung gezeigt, in der die Bewegung der Kolben 2a, 2b, 2c nach rechts beginnt. Über den Anschluss 30b wird Druckluft in den ersten Raum 32b des Zylinders 1b und über die Kolbenstange 4 in den Raum 31cdes Zylinders 1c einströmen gelassen. Dadurch werden die Kolben 2b und 2c nach rechts gedrückt Gleichzeitig wird über ein Ventil 33b, das über ein Schaltorgan 34b betätigt wird, der weitere Raum 31bdes Zylinders 1b mit dem Zylinder 1a verbunden.
In diesem Raum 31bliegt zu diesem Zeitpunkt Druckluft vor, die unter einem mittleren Druck von beispielsweise 80 bar steht
Dadurch wird der Kolben 2a nach rechts gedrückt, wodurch eine zusätzliche Kraft auf die Kol- benstange 4 ausgeübt wird. Der Zylinder 2a ist so ausgelegt, dass sein Inhalt am Ende eines Arbeitshubes einen vorbestimmten Minimaldruck von beispielsweise 15 bar aufweist. Über Ventile 35b, 35c, die über Schaltorgane 36b, 36c betätigt werden, wird die entspannte Druckluft ausge- schoben.
In der Fig. 7 ist in einem Diagramm der Verlauf der auf die Kolbenstange 4 ausgeübten Kraft F dargestellt. Die Kraft F ist die Summe der auf die Kolben 2a, 2b, 2c ausgeübten Kräfte, die wiede- rum aus dem Produkt des jeweiligen Querschnittsfläche und dem anliegenden Druck ableitbar sind. Die Kurve 200 stellt den Verlauf der Kraft bei vollem Speicherdruck dar. Bis zum Punkt S, verläuft die Kurve flach, da auf der Hochdruckseite des Kolbens 3b bzw. 3c ein konstanter Druck anliegt, wie dies in Zusammenhang mit der Fig. 2 erklärt worden ist. Insgesamt nimmt die Kraft F jedoch ab, da die auf den Kolben 2a ausgeübte Kraft proportional zum Druck im Zylinder 1a ab- nimmt. Zwischen dem Punkt S1 und UT fällt die Kurve 200 zunächst steiler ab.
Die Kurve 210 gilt für einen geringeren Ausgangsdruck und trifft in dem Punkt S2 die Kurve 200 und verläuft von da an im wesentlichen gleich bis UT.
Durch die Entspannung in zwei Stufen kann eine geringere Belastung der Schaltelemente er- reicht werden, so dass eine robustere und kostengünstigere Ausführung möglich ist.
In der Fig. 9 ist eine weitere mögliche Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt. Unter- schiedlich zu der Ausführungsvariante der Fig. 1 ist, dass der Hebel 6 eine Abrollfläche 41 auf- weist, die auf einer festen Fläche 40 abrollt. Durch die Gestaltung der Flächen 40 und 41 können die wirksamen Hebelarme so verändert werden, dass die entsprechenden Übersetzungsverhält- nisse erreicht werden.
Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es möglich, in einer Kolbenmaschine den Druck eines Pneumatikmediums so umzusetzen, dass in einem entsprechenden Hydraulikkreislauf ein konstanter Arbeitsdruck erzielbar ist. Durch die optimale Anpassung des Übersetzungsverhält- nisses und der entsprechenden Drücke können Verluste weitgehend vermieden werden. Der Ein- satz von Druckmultiplikatoren und dgl. ist nicht erforderlich. Es ist offensichtlich, dass die Vor- richtung der oben beschriebenen Art auch für eine mehrstufige Entspannung des Hydraulikme- diums einsetzbar ist. Dadurch können die Druckstufungen verringert werden und es kann zwischen
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den Stufen dem Pneumatikmedium Wärme zugeführt werden, um die Verluste zufolge einer nicht isothermen Entspannung zu verringern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Umwandlung von pneumatischer Energie in hydraulische Energie mit mindestens einem Pneumatikzylinder (1, 1a, 1b, 1c) zur Entspannung eines unter Druck stehenden Gases und mit mindestens einem Hydraulikzylinder (7), der in einem Hydraulik- kreislauf angeordnet ist, wobei der Pneumatikzylinder (1) und der Hydraulikzylinder (7) durch eine Getriebeanordnung miteinander verbunden sind, die einen im Pneumatikzylin- der (1, 1a, 1b, 1c) angeordneten Pneumatikkolben (2,2a, 2b, 2c) mit einem im Hydraulik- zylinder (7) angeordneten Hydraulikkolben (8) koppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeanordnung ein Übersetzungsverhältnis (i) aufweist, das in Abhängigkeit von der Stellung der Kolben (2, 2a, 2b, 2c ; 8)unterschiedlich ist.