DE10154341A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung eines Kraftfahrzeuges

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung alpha eines Kraftfahrzeuges, bei dem ein Beschleunigungssignal mindestens eines Beschleunigungssensors verwendet wird und bei dem aus einer gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit v ein Geschwindigkeitsgradient dv/dt ermittelt wird, wobei DOLLAR A a) bei fahrendem oder stehendem Fahrzeug ein Beschleunigungswert a¶s¶ aus einer auf den Beschleunigungssensor (1) einwirkenden Kraft abgeleitet wird, DOLLAR A b) ein korrigierter Beschleunigungswert a¶korr¶ in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsgradienten dv/dt ermittelt wird, und wobei DOLLAR A c) unmittelbar aus dem korrigierten Beschleunigungswert a¶korr¶ auf die momentane Fahrzeugneigung alpha geschlossen wird. DOLLAR A Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung alpha eines Kraftfahrzeuges, mit einer Geschwindigkeitsmesseinrichtung und mindestens einem Beschleunigungssensor, wobei ein programmierbarer und auslesbarer Mikrocontroller vorgesehen ist, mit dessen Hilfe aus den Werten der Geschwindigkeitsmesseinrichtung und des Beschleunigungssensors die momentane Fahrzeugneigung alpha bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeuges größer oder gleich Null errechenbar und unmittelbar an mindestens ein Steuergerät weitergebbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung α eines Kraftfahrzeuges, bei dem ein Beschleunigungssignal mindestens eines Beschleunigungssensors verwendet wird und bei dem aus einer gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit v ein Geschwindigkeitsgradient dv/dt ermittelt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung α eines Kraftfahrzeuges mit einer Geschwindigkeitsmesseinrichtung und mindestens einem Beschleunigungssensor.
  • Die Handhabung und das Fahrverhalten eines Kraftfahrzeuges hängt in erheblichem Maß von seiner momentanen geometrischen Neigung, d. h. ob es sich auf einer ebenen oder einer schiefen Fahrbahn befindet, ab. Beispielsweise sollte die Regelung der in modernen Kraftfahrzeugen meist vorhandenen Steuersysteme, wie ABS (Antiblockiersystem), ASR (Antriebsschlupfregelung) und ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) auf die jeweilige Fahrzeugneigung abgestimmt sein. Diese Systeme sind mit Beschleunigungssensoren und Geschwindigkeitssensoren ausgestattet und greifen in bestimmten Fahrsituationen in das Brems- und Motormanagement ein. Für eine optimale Steuerung des Brems- und Traktionsverhaltens ist die Kenntnis der Fahrzeugneigung von Wichtigkeit. Die Kenntnis der Fahrzeugneigung kann auch zur Verbesserung der Gangschaltvorgänge und Absicherung gegen unbeabsichtigte Schaltvorgänge an Bergauf- und Bergabfahrten in die Getriebesteuerung einfließen. Daneben ist beispielsweise zur Absicherung gegen unbeabsichtigtes Rückwärtsrollen und zur Optimierung des Anfahrverhaltens auch die Neigung eines stehenden Fahrzeuges von Interesse. Insbesondere bei sogenannten Off-Road-Fahrzeugen kommt bei schwierigen Fahrbahnverhältnissen in unwegsamem Gelände auch die Kenntnis einer Querneigung, d. h. quer zur Fahrtrichtung, zur Verhinderung einer möglichen Kippgefahr hohe Bedeutung zu.
  • Bei bekannten Systemen mit speziellen Neigungssensoren hat sich als problematisch herausgestellt, dass diese häufig bei gleichzeitigen Fahrzeugbeschleunigungen zu falschen Neigungswerten kommen. Andere Systeme ermitteln die Werte erst nach einer gewissen Fahrzeit bzw. Fahrstrecke oder sind nur zur Bestimmung von Längsneigungen geeignet.
  • Aus der DE 100 26 102 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung einer Bergauf- oder Bergabfahrt eines Kraftfahrzeuges bekannt. Ziel des Verfahrens ist es, eine aus Raddrehzahlsensorsignalen bestimmte Referenzgeschwindigkeit, die in bestimmten Situationen, beispielsweise bei durchdrehenden Rädern, signifikant von der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit abweichen kann, möglichst schnell an die tatsächliche Geschwindigkeit heranzuführen, um dadurch die Steuerung von elektronischen Systemen, die sich auf die Referenzgeschwindigkeit beziehen, zu verbessern. Aus der Referenzgeschwindigkeit des Fahrzeuges wird durch Differentiation eine Referenzbeschleunigung bestimmt. Diese wird mit einer sensorisch bestimmten Fahrzeuglängsbeschleunigung verglichen. Übersteigt die Differenz von Fahrzeuglängsbeschleunigung und Referenzbeschleunigung einen vorgegebenen Schwellenwert über einen bestimmten Mindestzeitraum hinweg, wird auf eine Bergauf- oder Bergabfahrt erkannt.
  • Nachteilig bei dem bekannten Verfahren wirkt sich aus, dass es nur bei einem fahrenden Fahrzeug arbeitet und eine bestimmte Fahrstrecke bzw. Fahrzeit zur Erkennung einer Fahrzeugneigung erforderlich ist. Zudem ist es nur zur Erkennung von Längsneigungen, d. h. von Steigungen oder Gefälle, nicht aber zur Erkennung von Querneigungen geeignet. Nachteilig wirkt sich auch aus, dass bei Allradfahrzeugen für die Durchführung des Verfahrens der Antrieb an einer Achse kurzfristig unterbrochen wird. Außerdem ist eine relativ aufwendige, digitale Zähllogik erforderlich.
  • Aus der DE 43 08 128 C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Fahrbahn- Längsneigung während der ungebremsten Fahrt eines Kraftfahrzeuges bekannt. Hierbei wird eine Schlupfdifferenz durch Vergleich der Radgeschwindigkeiten der Räder an einer angetriebenen und einer frei mitlaufenden Achse bestimmt. Je nach Kombination des Vorzeichens der Schlupfdifferenz und des Vorzeichen einer aus den Radgeschwindigkeiten bestimmten Geschwindigkeitsänderung des Fahrzeuges wird auf eine ebene Fahrbahn, eine Steigung oder ein Gefälle geschlossen.
  • Nachteilig wirkt sich bei dem bekannten Verfahren aus, dass es nur bei einer ungebremsten Fahrt anwendbar ist. Es ist weiterhin nicht für Allradfahrzeuge ausgelegt und nur zur Bestimmung einer Längsneigung geeignet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung einer Fahrzeugneigung zu finden, das sowohl im Fahrbetrieb als auch bei stehendem Fahrzeug die momentane, geometrische Fahrzeugneigung unmittelbar zur Verfügung stellt, sich zur Bestimmung von Längs- und Querneigungen eignet und mit geringem Aufwand durchführbar ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass:
    • a) bei fahrendem oder stehendem Fahrzeug ein Beschleunigungswert aS aus einer auf den Beschleunigungssensor (1) einwirkenden Kraft abgeleitet wird,
    • b) ein korrigierter Beschleunigungswert akorr in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsgradienten dv/dt ermittelt wird, und
    • c) unmittelbar aus dem korrigierten Beschleunigungswert akorr auf die momentane Fahrzeugneigung α geschlossen wird.
  • Es wird ein vorhandenes Beschleunigungssignal, beispielsweise eine Längsbeschleunigung im ESP, zusammen mit einem, wie beispielsweise bei allen mit ABS ausgestatteten Fahrzeugen, ebenfalls ohnehin vorhandenen Geschwindigkeitssignal ausgewertet, derart, dass die tatsächliche Neigung α des Fahrzeuges unmittelbar, d. h. ohne dass das Fahrzeug eine gewisse Fahrstrecke zurücklegen muss oder ein bestimmter Zeitraum, währenddessen verschiedene Messungen durchgeführt werden, vergehen muss, zur Verfügung steht. Der Beschleunigungssensor gibt auch bei einem stehenden Fahrzeug entsprechend der auf ihn einwirkenden Kraft bzw. Masse, beispielsweise hervorgerufen durch eine Änderung der Achslastverteilung an einer Steigung gegenüber einer ebenen Strecke, einen Beschleunigungswert aus. Während der Fahrt wird durch die Berücksichtigung des Geschwindigkeitsgradienten dv/dt eine Verfälschung des ermittelten Ergebnisses durch mögliche Geschwindigkeitsänderungen des Fahrzeuges vermieden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fahrzeugneigung α nach der Gleichung:


    berechnet.
  • Ein Beschleunigungssensor kann nicht unterscheiden, ob der Wert, den er anzeigt, durch eine Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit v oder durch eine Fahrzeugneigung α hervorgerufen wird. Er zeigt jedoch immer die Summe aS = g.sinα + dv/dt an. Da bei allen modernen Fahrzeugen die Fahrzeuggeschwindigkeit v gemessen wird, ist auch eine Fahrgeschwindigkeitsänderung dv/dt herleitbar. Damit lässt sich nach obiger Gleichung unter Einbeziehung der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2 die geometrische Neigung α (im Bogenmaß) des Fahrzeuges unmittelbar bestimmen. Bei der Bestimmung von Querneigungen werden bei der Berechnung zusätzlich die Einflüsse von Zentrifugalbeschleunigungen berücksichtigt.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der korrigierte Beschleunigungswert akorr = aS - dv/dt mit einem vorgegebenen Beschleunigungsschwellenwert aS1 des Beschleunigungssensors (1) verglichen und in Abhängigkeit von einer Abweichungsrichtung zwischen einer Steigung und einem Gefälle unterschieden.
  • Dem Beschleunigungssensor wird, beispielsweise anhand einer Kalibrierung, ein Schwellenwert zugeordnet, dem eine ebene Fahrbahn entspricht. Durch die Abweichung des korrigierten Beschleunigungswertes akorr nach oben bzw. nach unten von dem Schwellenwert aS1 wird zwischen Steigung und Gefälle unterschieden. Je nach Anordnung und Bauweise des ausgelesenen Beschleunigungssensors kann eine bestimmte Abweichungsrichtung einer Steigung oder einem Gefälle in Fahrtrichtung entsprechen.
  • Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus dem Beschleunigungssignal eines Längsbeschleunigungssensors eine Längsneigung αL des Fahrzeugs bestimmt. Aus dem Beschleunigungssignal eines Querbeschleunigungssensors kann auch eine Querneigung αQ des Fahrzeugs bestimmt werden.
  • Das Verfahren ist sowohl zur Bestimmung von Längsneigungen, d. h. von Steigungen oder Gefällen als auch zur Bestimmung von Querneigungen, d. h. von seitlichen Fahrbahnneigungen quer zur Fahrtrichtung geeignet. Diese Informationen können in die elektronischen Steuersysteme des Fahrzeuges einfließen, wodurch sie die Zuverlässigkeit dieser Systeme verbessern und, insbesondere in Grenzsituationen, die Sicherheit des Fahrverhaltens erhöhen.
  • Die bekannten Vorrichtungen zur Durchführung von Verfahren zur Bestimmung einer Neigung eines Kraftfahrzeuges haben den Nachteil, dass sie nicht für stehende Fahrzeuge ausgelegt sind. Weiterhin lassen sich mit ihnen keine Querneigungen bestimmen.
  • Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der Längs- und Querneigungen bei stehenden und fahrenden Fahrzeugen bestimmbar sind.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 6 dadurch gelöst, dass ein programmierbarer und auslesbarer Mikrocontroller vorgesehen ist, mit dessen Hilfe aus den Werten der Geschwindigkeitsmesseinrichtung und des Beschleunigungssensors die momentane Fahrzeugneigung α bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeuges größer oder gleich Null errechenbar und unmittelbar an mindestens ein Steuergerät weitergebbar ist.
  • Der Mikrokontroller kann mit einem oder mehreren Rechenalgorithmen programmiert werden, der die Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte verarbeitet und als Ergebnis die geometrische Fahrzeugneigung ausgibt. Entsprechend der Sensordaten unterscheidet der Mikrokontroller zwischen Längs- und Querneigung sowie zwischen Gefälle und Steigung. Die ausgegebenen Signale sind derart aufbereitet, dass sie zur Weiterverarbeitung an ein Steuergerät weitergegeben werden können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die von dem Mikrokontroller ausgegebenen Signale von einem Getriebesteuergerät weiterverarbeitbar. Die Mikrokontrollersignale können auch von einem Motorsteuergerät und/oder einem Allradsteuergerät und/oder einem Bremsensteuergerät und/oder einem Abstandsregelungssteuergerät und/oder einem Fahrdynamiksteuergerät und/oder einem Antriebsstrangsteuergerät weiterverarbeitbar sein. Grundsätzlich stehen die Steuergeräte untereinander und mit den vorhandenen Regelungssystemen, wie ABS, ASR und ESP in Wirkverbindung.
  • Die Signale des Mikrokontrollers sind derart aufbereitet, dass sie von den Steuergeräten gelesen werden können. Diese Daten können dann zur Optimierung der Gangschaltungssteuerung, insbesondere in automatisierten Getrieben und zur Regelung der Leistungs- und Drehmomentabgabe des Antriebsmotors an Steigungen und Gefälle, verwendet werden. Die Neigungsdaten bei stehendem Fahrzeug lassen sich beispielsweise zur Aktivierung von Einrichtungen zur Verhinderung von unbeabsichtigtem Rückwärtsrollen verwenden. Über das ABS lassen sich mit Hilfe der Neigungsdaten gezieltere und besser dosierte Bremseingriffe vornehmen; entsprechend wirkt die ASR insbesondere bzgl. des Anfahrverhaltens und das ESP insbesondere bzgl. des Kurvenfahrtverhaltens in Grenzsituationen.
  • Nach einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Instrumentenanzeige vorgesehen, an der die Fahrzeugneigung α anzeigbar ist.
  • Vorzugsweise zeigt die Anzeige die momentane Fahrzeugneigung umgerechnet in Steigungs- bzw. Gefälleprozenten an. Dadurch erhält der Fahrer zusätzliche, nützliche Informationen, um ggf. sein Fahrverhalten der entsprechenden Situation besser anzupassen.
  • Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist bei einer vorgebbaren Querneigung αQ eine Kippwarneinrichtung aktivierbar.
  • Die Kippwarnung kann vorzugsweise akustischer oder optischer Art sein. Dadurch kann der Fahrer in Grenzsituationen rechtzeitig reagieren, wodurch die Sicherheit, insbesondere bei Off-Road-Fahrzeugen, erhöht wird.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.
  • Es zeigt:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Ermittlung einer geometrischen Fahrzeugneigung eines Kraftfahrzeuges.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung α eines Kraftfahrzeuges besteht im wesentlichen aus einer Geschwindigkeitsmesseinrichtung 2, einem Beschleunigungssensor 1 und einem Mikrokontroller 3.
  • Die Geschwindigkeitsmesseinrichtung 2 weist vorteilhaft an jedem Rad einen (nicht dargestellten) Geschwindigkeitssensor auf. Das Fahrzeug weist vorteilhaft einen ESP- Längsbeschleunigungssensor auf, der den Beschleunigungssensor 1 bildet. Die Geschwindigkeitsmesseinrichtung 2 und der Beschleunigungssensor 1 sind über Signalleitungen mit dem Mikrokontroller 3 verbunden, der seinerseits eine Ausgabeeinheit 4 aufweist. Von dieser Ausgabeeinheit 4 führen weitere Signalleitungen zu einem Getriebesteuergerät 5 und einem Motorsteuergerät 6. Die Steuergeräte 5, 6 sind bidirektional signaltechnisch untereinander und mit drei Regelsystemen 7, 8, 9 verbunden. Die Regelsysteme sind als ABS-Steuerung 7, ASR-Steuerung 8 und ESP- Steuerung 9 ausgebildet.
  • Ein Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung α eines Kraftfahrzeuges beruht im wesentlichen auf der Auswertung eines Beschleunigungssignals aS unter Berücksichtigung eines Geschwindigkeitsgradienten dv/dt.
  • Die Geschwindigkeitsmesseinrichtung 2 wertet die einzelnen, gemessenen Radgeschwindigkeiten aus und bestimmt daraus eine Fahrzeuggeschwindigkeit v, die an den Mikrokontroller 3 weitergeleitet wird. Der Mikrokontroller 3 bildet durch Differentiation einen Geschwindigkeitsgradienten dv/dt. Der Beschleunigungssensor 1 gibt einen Beschleunigungswert aS an den Mikrokontroller 3 weiter. In dem Mikrokontroller 3 ist ein Rechenalgorithmus gemäß der Gleichung:


    programmiert. Durch Subtraktion des Geschwindigkeitsgradienten dv/dt von dem Beschleunigungswert aS ergibt sich ein von der Fahrzeuggeschwindigkeit v unabhängiger, korrigierter Wert akorr. Im Fall, dass das Fahrzeug steht, folgt aus dv/dt = 0 unmittelbar aS = akorr. Die entsprechend dem Längsbeschleunigungssensor bestimmte Längsneigung αL des Fahrzeuges wird als Ergebnis des Algorithmus an die Ausgabeeinheit 4 weitergeleitet, die ihrerseits das entsprechend aufbereitete Signal an das Getriebesteuergerät 5 und das Motorsteuergerät 6 weiterleitet, von wo das Signal jeweils den Regelsystemen 7, 8, 9 zugeführt wird. Mit einem (nicht dargestellten) Querbeschleunigungssensor kann auf analoge Weise eine Querneigung αQ bestimmt werden. Dabei wird der Rechenalgorithmus unter Berücksichtigung der Zentrifugalkräfte modifiziert. Der Mikrokontroller 3 leitet vorteilhaft auch Daten, wie die Fahrzeuggeschwindigkeit v, von der Geschwindigkeitsmesseinrichtung 2 direkt an die Steuer- und Regelsysteme weiter. Die Steuergeräte 5, 6 und die Regelsysteme 7, 8, 9 berücksichtigen die jeweilige Fahrzeugneigung αL bzw. αQ in ihrem Ansprechverhalten, etwa bei Schaltvorgängen, Motormomentreduktionen oder Bremseingriffen. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Beschleunigungssensor
    2 Geschwindigkeitsmesseinrichtung
    3 Mikrokontroller
    4 Ausgabeeinheit
    5 Getriebesteuergerät
    6 Motorsteuergerät
    7 ABS-Steuerung
    8 ASR-Steuerung
    9 ESP-Steuerung

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung α eines Kraftfahrzeuges, bei dem ein Beschleunigungssignal mindestens eines Beschleunigungssensors verwendet wird und bei dem aus einer gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit v ein Geschwindigkeitsgradient dv/dt ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass:
a) bei fahrendem oder stehendem Fahrzeug ein Beschleunigungswert aS aus einer auf den Beschleunigungssensor (1) einwirkenden Kraft abgeleitet wird,
b) ein korrigierter Beschleunigungswert akorr in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsgradienten dv/dt ermittelt wird und
c) unmittelbar aus dem korrigierten Beschleunigungswert akorr auf die momentane Fahrzeugneigung α geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugneigung α nach der Gleichung:


berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der korrigierte Beschleunigungswert akorr = aS - dv/dt mit einem vorgegebenen Beschleunigungsschwellenwert aS1 des Beschleunigungssensors (1) verglichen wird und in Abhängigkeit von einer Abweichungsrichtung zwischen einer Steigung und einem Gefälle unterschieden wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Beschleunigungssignal eines Längsbeschleunigungssensors eine Längsneigung αL des Fahrzeugs bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Beschleunigungssignal eines Querbeschleunigungssensors unter Berücksichtigung einer Zentrifugalbeschleunigung eine Querneigung αQ des Fahrzeugs bestimmt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung einer geometrischen Fahrzeugneigung α eines Kraftfahrzeuges mit einer Geschwindigkeitsmesseinrichtung und mindestens einem Beschleunigungssensor, dadurch gekennzeichnet, dass ein programmierbarer und auslesbarer Mikrocontroller (3) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe aus den Werten der Geschwindigkeitsmesseinrichtung (2) und des Beschleunigungssensors (1) die momentane Fahrzeugneigung α bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit v des Fahrzeuges größer oder gleich Null errechenbar und unmittelbar an mindestens ein Steuergerät (5, 6) weitergebbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Mikrokontroller ausgegebenen Signale von einem Getriebesteuergerät (5) weiterverarbeitbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Mikrokontroller ausgegebenen Signale von einem Motorsteuergerät (6) und/oder einem Allradsteuergerät und/oder einem Bremsensteuergerät und/oder einem Abstandsregelungssteuergerät und/oder einem Fahrdynamiksteuergerät und/oder einem Antriebsstrangsteuergerät weiterverarbeitbar sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Instrumentenanzeige vorgesehen ist, an der die Fahrzeugneigung α anzeigbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorgebbaren Querneigung αQ eine Kippwarneinrichtung aktivierbar ist.
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