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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentwandler und insbesondere
Anwendungen eines Drehmomentwandlers und eine mit einer hydraulischen
Antriebseinheit verbundene zugehörige
Steuerung.
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Das
Messen von Torsionskräften,
die auf eine Welle, insbesondere eine Antriebs-/Abtriebswelle, wirken,
ist häufig
wünschenswert.
Hydraulische Antriebseinheiten, wie zum Beispiel Pumpen, Motoren,
Getriebe, Ventile und Lenkeinheiten, werden oftmals zur Umwandlung
und Übertragung
von Energie zwischen Vorrichtungen in vielen Arten von Geräten verwendet.
Zum Beispiel kann eine Hydraulikpumpe die Energie eines Verbrennungsmotors
oder einer anderen Quelle in einen Strom von Hochdruckhydrauliköl übertragen,
der zur Ausführung
einer nützlichen
Funktion in einer Maschine verwendet werden kann. Dieser Strom von
Hochdrucköl
kann zum Antreiben eines Hydraulikmotors verwendet werden, der ein
Rad oder eine Raupenkette in einem Fahrzeug, wie einem Traktor,
einer Planierraupe oder einem Kran, antreibt. In anderen Fällen kann
dieser Hochdruckölstrom
zum Betreiben von Hydraulikzylindern verwendet werden, die Funktionen
wie die Führung
des Baggereimers bei einem Löffelbagger
oder für
eine andere Vorrichtung ausführen.
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Die
primären
Messungen, die zur Bestimmung der Leistung und zum Steuern der hydraulischen
Antriebseinheiten zweckdienlich sind, sind der Fluiddruck, die Fluidströmung, die
Wellendrehzahl und das Wellendrehmoment. Druck, Strömung und Drehzahl
werden routinemäßig mit
sofort verfügbaren
Sensoren gemessen. In der Vergangenheit wurden Druck- und Strömungssensoren
in hydraulische Antriebseinheiten, wie hydrostatische Pumpen und Motoren,
integriert. Beispiele für
die Verwendung von Drehzahlsensoren sind im US-Patent Nr. 5,325,055 angeführt.
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Es
stehen mehrere Techniken zur Messung des Drehmoments, das eine rotierende
Welle erfährt, zur
Verfügung.
Viele dieser üblichen
Technologien, die häufig
als „Kontakt"-Drehmomentwandler
bezeichnet werden, verwenden Dehnungsmessstreifen, Sensoren oder
Funksender, die an der rotierenden Welle befestigt sind. Des Weiteren
sind bei vielen dieser Technologien Kontakt-Drehmomentwandler in einer
hydraulischen Antriebseinheit integriert.
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Es
sind im Stand der Technik auch kontaktlose Drehmomentwandler entwickelt
worden. Ein Beispiel für
solch eine Vorrichtung wird im US-Patent Nr. 5,052,232 gezeigt.
Bei diesem System wird die rotierende Welle derart kreisförmig magnetisiert,
dass ein messbares axiales Magnetfeld außerhalb der Welle erzeugt wird,
welches das Drehmoment anzeigt, das die Welle erfährt. Des
Weiteren hat der Stand der Technik die Integration eines magnetoelastischen Drehmomentwandlers
in eine hydraulische Antriebseinheit demonstriert. Ein Beispiel
für die
Integration eines magnetoelastischen Drehmomentwandlers in eine
hydraulische Antriebseinheit wird in der US-Patentanmeldung mit
der Nr. 2003/017274 von Gandrud gezeigt.
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Obgleich
diese Drehmomentwandler in hydraulische Antriebseinheiten integriert
worden sind, hat der Stand der Technik keine Anwendungen zur Verwendung
mit Drehmomentwandlern in Verbindung mit hydraulischen Antriebseinheiten
entwickelt. Weiterhin hat der Stand der Technik keine Steuerung mit
einer hydraulischen Antriebseinheit, die mit einem Drehmomentwandler
ausgestattet ist, integriert.
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Deshalb
besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
eines Systems und eines Verfahrens zur Überwachung des Drehmoments,
mit dem eine Welle einer hydraulischen Antriebseinheit beaufschlagt
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hydraulische
Antriebseinheit mit einem Drehmomentwandler und einer Steuerung zu
versehen, die dem Wandler zugeordnet ist, um das gemessene Drehmoment
zu überwachen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Anwendung
einer integrierten Drehmomenterfassungstechnologie, die sich zu Kosten
bewerkstelligen lässt,
die ihre Verwendung auf Massenproduktionsbasis ermöglichen.
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Eine
noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Anwendung
einer Drehmomenterfassungstechnologie, die kompakt genug ist, eine
Installation in hydraulischen Antriebseinheiten bereitzustellen.
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Diese
und andere Aufgaben sind für
Fachleute ersichtlich.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebseinheit
mit einem Gehäuse,
einem hydraulischen Antriebsmittel, einem Eingangsantriebsmittel
und einem dem hydraulischen Antriebsmittel zugeordneten Abtriebsmittel.
Mindestens ein Antriebsmittel der hydraulischen Antriebseinheit ist
eine Antriebs-/Abtriebswelle
oder eine Steuerwelle. Darüber
hinaus umfasst die hydraulische Antriebseinheit einen Wandler zur
Messung von Drehmoment, der in einer kontaktlosen Beziehung zu einer
Antriebs-/Abtriebswelle neben einem Teil der Welle, der mit einem
magnetischen Feld beaufschlagt wird, im Gehäuse angebracht ist. Weiterhin umfasst
die hydraulische Antriebseinheit eine dem Wandler zugeordnete Steuerung
zur Überwachung des
gemessenen Drehmoments und entsprechenden Einstellung des Betriebs
der hydraulische Antriebseinheit.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Instrumentenfließbild
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird eine hydraulische Antriebseinheit 10 mit
einem Gehäuse 12, einem
ersten hydraulischen Antriebsmittel 14, einem zweiten hydraulischen
Antriebsmittel 16, einer hydraulischen Einheit 18 und
einer mechanischen Abtriebswelle 20 gezeigt. Wie in 1 gezeigt,
handelt es sich bei der hydraulischen Einheit 18 um eine
Hydraulikpumpe. Als Alternative dazu kann es sich bei der hydraulischen
Einheit 18 um einen Hydraulikmotor handeln.
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In
der Darstellung ist ein Drehmomentwandler 22 in dem Gehäuse 12 integriert.
Als Alternative dazu kann der Drehmomentwandler 22 außerhalb des
Gehäuses 12 angeordnet
sein. Der Drehmomentwandler 22 ist der mechanischen Abtriebswelle 20 zugeordnet
und misst oder erfasst das auf die mechanische Welle 20 wirkende
Drehmoment. Der Drehmomentwandler 22 ist ein kontaktloser
magnetoelastischer Wandler. Als Alternative dazu kann es sich bei
dem Drehmomentwandler 22 auch um einen Kontakt-Wandler,
wie zum Beispiel einen an der Abtriebswelle 20 befestigten
Dehnungsmessstreifen, Sensor oder einen Funksender handeln. Darüber hinaus
kann der Drehmomentwandler 22 auch andere Arten von kontaktlosen
Drehmomentwandlern umfassen, wie zum Beispiel jene, die Drehtransformatoren,
Induktion, Telemetrie oder andere kontaktlose Erfassungsmethoden
verwenden.
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Die
Steuerung 24 befindet sich außerhalb des Gehäuses 12.
Als Alternative dazu kann die Steuerung 24 auch im Gehäuse 12 integriert
sein. Die Steuerung 24 ist über Leitungen 26 mit
dem Wandler 22 verbunden. Der Drehmomentwandler 22 ist
dem Drehzahlwandler 28 zugeordnet, der die Drehgeschwindigkeit
der Welle 20 überwacht.
Die Steuerung 24 überwacht
und analysiert das auf die mechanische Welle 20 wirkende
Drehmoment, das durch den Drehmomentwandler 22 gemessen
wird. In Abhängigkeit
von der besonderen Anwendung überwacht
die Steuerung 24 das auf die mechanische Welle 20 wirkende
Drehmoment und steuert dann dementsprechend den Betrieb der hydraulischen
Antriebseinheit 10. Zum Beispiel kann die Steuerung 24 zur
Steuerung und Begrenzung der Leistung verwendet werden, die eine
hydraulische Antriebseinheit von einer Energiequelle, wie zum Beispiel
einem Verbrennungsmotor, anfordert oder zu einer Last, wie zum Beispiel
einem Rad, liefert. Darüber
hinaus kann die Steuerung 24 zur Steuerung und Begrenzung
der hydraulischen Getriebe- oder Pumpenleistung verwendet werden,
derart, dass ein übermäßiges Drehmoment
oder Stehenbleiben einer Energiequelle, wie zum Beispiel eines Verbrennungsmotors,
verhindert wird. Des Weiteren kann die Steuerung 24 zur
Steuerung und Begrenzung des Drehmoments verwendet werden, das durch
einen Hydraulikmotor oder ein hydraulisches Getriebe auf seine bzw.
ihre Last ausgeübt
wird, um eine Beschädigung
der Last zu verhindern oder um eine bessere Steuerung der Last zu
erlangen.
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Im
Betrieb kann die hydraulische Antriebseinheit 10 als ein
Hydraulikmotor arbeiten, bei dem die mechanische Abtriebswelle 20 zum
Antrieb einer externen Last rotiert, oder sie kann als eine Hydraulikpumpe arbeiten,
bei der die mechanische Abtriebswelle 20 durch eine andere
Antriebsquelle, wie zum Beispiel einen (nicht gezeigten) Verbrennungsmotor, gedreht
wird. Der Drehmomentwandler 22 misst oder erfasst das im
Betrieb auf die mechanische Welle 20 wirkende Drehmoment.
Die Steuerung 24 überwacht die
durch den Drehmomentwandler 22 gemessenen Drehmomentwerte
und steuert oder verstellt die Leistung der hydraulischen Antriebseinheit 10 in
Abhängigkeit
von der speziellen Anwendung.
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Eine
Anwendung der hydraulischen Antriebseinheit 10 betrifft
die Verwendung mit Axialkolbenpumpen mit offenem Kreislauf, die
von Motorzusatzzahnradantrieben angetrieben werden. Zahnradantriebe
weisen in der Regel einen begrenzten Drehmomentbereich auf. Wenn
eine Hydraulikpumpe durch den Zusatzzahnradantrieb angetrieben wird, muss
sie somit so gesteuert werden, dass der Pumpenstrom und -druck kein übermäßiges Drehmoment vom
Motor benötigen.
Eine Axialkolbenpumpe mit offenem Kreislauf kann zur Steuerung mehrerer
Fahrzeugfunktionen, wie zum Beispiel zur Bereitstellung von Hydraulikfluid
für ein
Lenksystem sowie für
ein Motorkühlgebläse, verwendet
werden. Sollte ein Bediener übermäßige Anforderungen
an das Lenksystem stellen, indem er abrupt Kurven fährt, während sich
gleichzeitig das Motorgebläse
mit Maximalgeschwindigkeit dreht, dann könnte die Hydraulikpumpe schädliche Drehmomentwerte
vom Motor anfordern. Durch Ausstatten der hydraulischen Antriebseinheit
mit einem Drehmomentwandler, der der Systemsteuerung zugeordnet
ist, könnten
diese schädlichen
Drehmomentwerte abgesenkt werden.
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Eine
andere Anwendung für
die hydraulische Antriebseinheit 10 betrifft die Verwendung
mit Kränen und
Erdaushubmaschinen. Kräne
und Erdaushubmaschinen haben spezielle Steuerungs- und „Bedienergespür-"Anforderungen. Diese Maschinen sind sehr
groß und
oftmals schwer zu steuern. Gleichzeitig ist es für die Bediener erforderlich,
dass die Maschinen genaue Bewegungen ausführen. Somit liefert die Verwendung
eines Drehmomentwandlers in Verbindung mit einer hydraulischen Antriebseinheit der
Steuerung verbesserte Informationen, wodurch eine bessere Steuerung
der hydraulischen Antriebseinheit gestattet wird.
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Noch
eine weitere Anwendung für
die hydraulische Antriebseinheit 10 betrifft die Verwendung mit
Winden, insbesondere jenen, die in See- und Straßenanwendungen verwendet werden.
Bei einigen Windenanwendungen ist es erforderlich, dass eine Winde
eine konstante Kabelspannung aufrechterhält. Bei anderen Anwendungen,
bei denen eine Winde zum Heben einer Last vom Deck eines sich bewegenden
Schiffs verwendet wird, ist es wünschenswert,
den Drehmomentwert genau steuern zu können, während die Winde das Kabel spannt.
Da das Schiff dem vertikalen Heben und Fallen von Meereswellen ausgesetzt
ist, muss die Winde möglicherweise
zum Ausgleich Kabel aufwickeln oder abwickeln. Bei Krananwendungen
enthalten Winden normalerweise ein Bremssystem. Wenn eine Last angehoben
oder abgesenkt wird, wird die Bremse gelöst und Kabel auf- oder abgewickelt.
Die Bremse wird betätigt,
wenn die Last aufgehängt
ist oder der Kran auf sonstige Weise stationär ist. Zum Zeitpunkt des Lösens der
Bremse ist es wichtig, dass die hydraulische Antriebseinheit das
von der Last benötigte
genaue Drehmoment anlegt. Wenn der Drehmomentwert nicht korrekt
ist, könnte
die Last unkontrollierbar steigen oder fallen. Im Stand der Technik
wurde Antriebseinheitsdruck gemessen, und es wurde eine theoretische
Berechnung zur Abschätzung
des Antriebseinheitsdrehmoments verwendet. Diese Berechnung erfordert,
dass die Verdrängung
der hydraulischen Antriebseinheit bekannt oder leicht messbar ist
und dass der Drehmomentwirkungsgrad der Antriebseinheit genau geschätzt werden
kann. Da eine genaue Schätzung
des Drehmomentwirkungsgrads einer hydraulischen Antriebseinheit schwierig
ist, sind die Steuerverfahren nach dem Stand der Technik möglicherweise
nicht immer optimal. Durch Verwendung eines Drehmomentwandlers in
Verbindung mit einer hydraulischen Antriebseinheit kann die Steuerung
die Situationen überwachen
und schnell darauf reagieren, wodurch Drehmomentwerte für einen
verbesserten Betrieb durch Reduzieren unerwünschter Lastbewegungen eingestellt
werden.
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Eine
andere Anwendung für
die hydraulische Antriebseinheit 10 betrifft die Verwendung
mit Beton- oder
Asphaltfertigern. Bei der Verwendung von Beton- oder Asphaltfertigern wird von der
Baumannschaft in der Regel eine Reihe von Lastwagen eingesetzt,
die zwischen der Baustelle und einem Vorratshof hin- und herpendeln,
um dem Staßenfertiger
kontinuierlich Beton- oder Asphaltflastermaterialien zuzuführen. Wenn
ein Straßenfertiger
unerwartet ausfällt,
müssen
die Pflastermaterialien entsorgt werden, bevor sie im Lastwagen
nutzlos werden. Die Verschwendung solcher Pflastermaterialmengen
zusammen mit den Entsorgungskosten können beträchtlich sein. Die Verbindung
eines Drehmomentwandlers und einer Steuerung mit der hydraulischen Antriebseinheit,
die die Straßenfertiger
antreibt, ist zur Vorhersage des Versagens des Systems nützlich. Durch
eine frühzeitige
Erfassung solch eines bevorstehenden Versagens könnte ein Bediener die Baumannschaft
dahingehend anweisen, das Abschicken von Lastwagen mit Pflastermaterialien
zu unterbrechen und stattdessen einen Reparaturmechaniker zu senden.
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Noch
eine weiteren Anwendung für
die hydraulische Antriebseinheit 10 betrifft die Verwendung von
Bohrmaschinen, wie zum Beispiel jene, die zum Bohren von Wasser-, Öl- oder
Erdgasbrunnen verwendet werden. Bohrgerüste werden zum Bohren von Wasserbrunnen, Ölbrunnen
und Erdgasbrunnen sowie zum Bohren von Sprenglöchern für Minen verwendet. Horizontalbohrmaschinen
werden zum Installieren von Kabeln und anderen Versorgungseinrichtungen
ohne Stören
von Verbesserungen über der
Erde verwendet. Durch Verwendung eines Drehmomentwandlers und einer
Steuerung in Verbindung mit der hydraulischen Antriebseinheit, die
diese Maschinen antreibt, ergibt sich eine verbesserte Leistung, Überwachung
und Steuerung.
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Noch
eine weitere Anwendung für
die hydraulische Antriebseinheit 10 betrifft die Verwendung mit
Hydraulikpumpen, die an einen Verbrennungsmotor gekoppelt sind.
Bei einer solchen Anordnung könnte
die hydraulische Antriebseinheit mehr Drehmoment vom Verbrennungsmotor
erfordern, als der Motor sicher Rechnung tragen kann. Somit könnte der
Verbrennungsmotor stehen bleiben oder anhalten, was einen Neustart
des Motors durch den Bediener erforderlich macht. Die Verwendung
eines Drehmomentwandlers und einer Steuerung in Verbindung mit der
hydraulischen Antriebseinheit könnte
solch ein Stehenbleiben verhindern. Wenn sich die hydraulische Antriebseinheit
dem Drehmomentwert nähert, der
ansonsten den Verbrennungsmotor anhalten würde, könnte die Steuerung die Pumpenanforderung
begrenzen, wodurch das Drehmoment begrenzt wird, mit dem der Motor
beaufschlagt wird, und jegliches Stehenbleiben verhindert wird.
Neben dem Verhindern eines Stehenbleibens des Motors könnte solch
ein System zur Verwendung kleinerer Verbrennungsmotoren führen, da
keine überdimensionierten Motoren
mehr erforderlich wären,
um potentiellen Anhaltezuständen
Rechnung zu tragen.
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Eine
weitere Anwendung für
die hydraulische Antriebseinheit 10 betrifft die Verwendung
mit Zementmischwagen. Solche Wagen besitzen in der Regel einen sich
drehenden Tank auf der Heckpartie, der dazu verwendet wird, den
Beton zu mischen und zu verhindern, dass er während der Fahrt zur Baustelle
erstarrt. Wenn er sich auf der Baustelle befindet, ist von der den
Beton gießenden
Baumannschaft eine bestimmte Konsistenz erwünscht. Oftmals ist der Beton,
der am Vorratshof anfangs in den Tank platziert wird, viskoser als
wenn er gegossen wird. Baumannschaften setzen der Mischung am Bauort Wasser
zu, bis die gewünschte
Konsistenz erreicht ist. Hydraulische Antriebseinheiten werden dazu
verwendet, den Betonmischtank auf den meisten Zementwagen zu drehen.
Durch Verwendung eines Drehmomentwandlers und einer Steuerung in
Verbindung mit einer hydraulischen Antriebseinheit, ist es möglich, das
Drehmoment, das zum Mischen des Betons erforderlich ist, zu überwachen
und zu begrenzen. Durch Verwendung solch eines Systems kann eine
verbesserte und objektiv steuerbare Konsistenz erreicht werden.
Betongieß-
und -glättmannschaften
wünschen
eine ganz bestimmte Konsistenz für
jeden Job, um das Formen, Glätten
und Pflastern zu erleichtern. In der derzeitigen Technik wird diese Konsistenz
durch die Trial-and-error-Zugabe von Wasser zu jeder Betoncharge
durch Betonfachleute erhalten. Durch Bereitstellung eines Systems
zur genauen Messung von Betonkonsistenz, werden objektive Messungen
verwendet, um eine erwünschte
Betonkonsistenz zu erreichen, ohne dass Trial-and-error-Methoden
angewendet werden müssen,
die sich auf die Erfahrung der Betonfachleute verlassen.
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Eine
andere Anwendung der hydraulischen Antriebseinheit sind Maschinen,
bei denen eine Schrägscheibe
bewegt wird, um die Verdrängung
der hydraulischen Antriebseinheit zu ändern. Bei solchen Maschinen
sind die Position der Schrägscheibe
und das zum Halten der Schrägscheibe
in einem gewünschten
Winkel erforderliche Drehmoment für das Steuersystem der hydraulischen
Antriebseinheit von Bedeutung. Durch Messung des von der Schrägscheibe
der hydraulischen Antriebseinheit erforderlichen tatsächlichen
Drehmoments ist es möglich,
die Steuerung der Antriebseinheit einzustellen und Steuerergebnisse
zu verbessern.
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Noch
eine weitere Anwendung der hydraulischen Antriebseinheit ist als
ein hydraulisches Steuerventil. Hydraulische Steuerventile werden
zum Regeln und Steuern des Hydraulikfluidstroms in einer hydraulischen
Maschine verwendet. Durch Messen des Drehmoments, das durch ein
Bedienersignal oder durch eine andere Quelle auf das hydraulische Ventil
ausgeübt
wird, kann der Betrieb einer hydraulischen Antriebseinheit so eingestellt
werden, dass er genauer auf die von dem Maschinenbediener erwünschte Leistung
reagiert.
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Deshalb
ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung durch die Verwendung
eines Drehmomentwandlers und einer dem Wandler zugeordneten Steuerung
die Überwachung
von Drehmoment, mit dem die Antriebs-/Abtriebswelle einer hydraulischen Antriebseinheit
beaufschlagt wird, gestattet wird.