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Die
Erfindung betrifft ein elektromagnetisch ansteuerbares, federrückgestelltes
Schaltventil, welches insbesondere für hydraulisch betätigte Cabrio-Verdeckantriebe bestimmt
ist.
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Bei
der Steuerung von hydraulisch betätigten Cabrio-Verdeckabläufen kommen
elektromagnetische Schaltventile mit Federrückstellung zum Einsatz, die
aufgrund von Dichtigkeitsanforderungen in der Regel als Sitzventile
ausgeführt
sind und zwei Stellungen besitzen, nämlich eine geschlossene Stellung,
in der eine Ventilöffnung
des Schaltventils mittels eines Ventilkörpers verschlossen ist, und
eine geöffnete
Position, in der der Ventilkörper
die Ventilöffnung
freigibt. Zur Verlagerung des Ventilkörpers zwischen der geöffneten
und der geschlossenen Position ist dieser mit dem Spulenanker des
Elektromagneten verbunden. Mittels eines die Erregerspule des Elektromagneten
durchfließenden
Stroms wird der Spulenanker und damit der Ventilkörper aus
einer neutralen Lage entgegen der Federkraft in die gewünschte Lage
bewegt. Der Erregerstrom wird dabei so groß gewählt, dass die Federkraft und
ein ggf. entgegenwirkender Hydraulikdruck überwunden werden.
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Ein
derartiges Schaltventil für
Cabrio-Verdeckantriebe ist beispielsweise in
EP 0 565 190 A1 beschrieben.
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Das
Umschalten zwischen den beiden diskreten Ventilzuständen verursacht
abrupte Druckveränderungen.
Starke Druckschwankungen haben aber unausgewogene Bewegungsabläufe des
Cabrio-Verdeckablaufs zur Folge. Um dies zu vermeiden, werden Drosseln
in die hydraulischen Kreise eingebaut, hydraulische Zylinder mit
Endlagendämpfungen
versehen und Kinematiken vorgesehen, um die zu den Endlagen hin
zu übertragenden
Kräfte
zu reduzieren. Diese Maßnahmen
bedeuten in den meisten Fällen
Energieverluste.
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Es
sind bereits Vorschläge
gemacht worden, die betreffenden Schaltventile als Proportionalventile auszubilden.
Jedoch ist der Hubweg des Ventilkörpers eines Sitzventils in
der Regel zu kurz, um durch eine Regelung der Stromstärke des
die Erregerspule durchfließenden
Stroms einen Volumenstrom durch das Ventil exakt einstellen zu können. In
der
WO 2004/036057
A2 wird daher vorgeschlagen, den Ventilkörper als
kombiniertes Sitzventil-Schieberventil auszubilden. Über einen
ersten, relativ langen Teilweg des Hubs verschließt der Ventilkörper nach
und nach radiale Ventilöffnungen
nach Art eines Schieberventils. In diesem Hubbereich lässt sich
bei geeigneter Ausbildung des Ventils eine Proportionalventilcharakteristik
erzielen, d. h. die Durchflussmenge ändert sich proportional zur
Höhe des
die Erregerspule durchfließenden
Stroms. Nach Überschreiten dieses
ersten, langen Hubbereichs verschließt dann der Ventilkörper die
axiale Sitzventilöffnung
in einem weiteren, kurzen Hub. Der lange Ankerhub führt jedoch
zu einer größeren Baugröße, und
der Aufbau eines solchen Proportionalventils ist relativ komplex. Aufgrund
der beengten Verhältnisse
für die
Unterbringung von Cabrio-Verdeckantrieben und aufgrund der niedrig
zu haltenden Herstellungskosten sind derartige Proportionalventile
problematisch.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektromagnetisches
Schaltventil mit Federrückstellung
vorzuschlagen, welches klein baut, einfach aufgebaut ist und eine
einstellbare Volumenstromdrosselung ermöglicht, und welches vorzugsweise
als Proportionalventil einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein elektromagnetisches Schaltventil bzw. durch
ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Schaltventils mit den
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
angegeben.
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Dementsprechend
wird die Erregerspule des Elektromagneten eines herkömmlichen
elektromagnetisch ansteuerbaren, federrückgestellten Schalt ventils
mittels einer geeignet ausgebildeten Ansteuerelektronik zumindest
zeitweise mit einem gepulsten Strom beaufschlagt. Dabei ist das
Puls-Pulspause-Verhältnis von
entscheidender Bedeutung, denn durch Einstellen eines geeigneten
Puls-Pulspause-Verhältnisses
lässt sich
das Schaltventil als Drosselventil einsetzen.
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Während des
Strompulses bewegt sich dann der Spulenanker mit dem Ventilkörper in
eine erste Richtung, beispielsweise in eine Schließrichtung,
und während
der Pulspause bewirkt die Federkraft des Federelements eine Rückstellung
des Spulenankers in eine zweite, entgegengesetzte Richtung. Die
Länge des
Strompulses wird so kurz gewählt,
dass der Ventilkörper
die Schließposition
nicht erreicht, sondern sich dieser nur annähert. Die Länge der Pulspause ist wiederum
so kurz gewählt,
dass der Spulenanker nur teilweise in die entgegengesetzte Richtung
zurückbewegt
wird. Bei einer vorgegebenen Pulsfrequenz hat dies zur Folge, dass
sich der Spulenanker zwischen einer teilweise ausgelenkten und einer
teilweise zurückbewegten
Position um eine mittlere Ankerstellung hin- und herbewegt. Somit wird
der Anker im dynamischen Gleichgewicht gehalten. Die Drosselwirkung
eines derart gesteuerten elektromagnetischen Schaltventils entspricht
in etwa der Drosselwirkung, die das Schaltventil hätte, wenn der
Spulenanker mit dem Ventilkörper
konstant in der Position der mittleren Ankerstellung gehalten würde.
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Somit
ermöglicht
es die Erfindung, allein durch geeignete elektronische Steuerung
eines herkömmlichen
elektromagnetischen Schaltventils eine Drosselstellung des Ventils
einzustellen. Feste Drosseln zur Definition des Volumenstroms sind
nicht mehr nötig.
Die Drosselung wird vielmehr vom Ventil übernommen.
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Die
Stärke
der Drosselung ist dabei durch Veränderung des Puls-Pulspause-Verhältnisses
variabel einstellbar. Je größer das
Verhältnis
ist, d. h. je länger
der Strompuls im Vergleich zur Pulspause ist, desto stärker ist
die mittlere Ankerauslenkung. Auf diese Weise lassen sich mit billigen
Schaltventilen Proportionalfunktionen ohne Mehraufwand oder Mehrkosten
realisieren, denn der Mittelwert des Ankerwegs ist weitgehend proportional
zum (normierten) Puls-Pulspause-Verhältnis des Erregersignals.
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Gleichzeitig
bleiben die Vorteile der niedrigen Druckverluste und kurze Schaltzeiten
dieser Schaltventile erhalten. Wegen der einfachen Bauweise und
des kleinen Ankerhubs ist die Baugröße und Verlustleistung der
Schaltventile im Vergleich zu den eingangs erwähnten Proportionalventilen
wesentlich kleiner.
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Das
Puls-Pulspause-Verhältnis
kann als rampenähnliche
Zeitfunktion eingestellt werden, um beispielsweise eine Durchflussströmung kontinuierlich
zu steigern oder zu drosseln bzw. um eine Last rampenförmig hoch
oder runter zu fahren. Sprungartige Druckänderungen werden dadurch vermieden, ebenso
wie dauerhafte Drosselverluste. Stattdessen sind sanfte Start-Stopp-Funktionen möglich, um
beispielsweise bei Cabrio-Verdeckabläufen ein ungebremstes Einfahren
in die Anschläge,
was zu störenden
Geräuschen
und Rückprallen
führen
würde,
zu vermeiden.
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Anstatt
einer festen Einstellung des zeitlichen Verlaufs des Puls-Pulspause-Verhältnisses kann
das Puls-Pulspause-Verhältnis
auch als Stellgröße in eifern
Regelkreis genutzt werden. Die zu regelnde Größe (Regelgröße) des Regelkreises kann beispielsweise
ein Weg – etwa
der Weg eines Stellkolbens-, ein Druck – z. B. der Druck in einem
Stellkolben als Maß für die Kolben kraft – oder ein
Volumenstrom – z.
B. der Volumenstrom zu oder von einem Stellkolben als Maß für die Stellgeschwindigkeit des
Kolbens – sein.
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Vorzugsweise
wird die Pulsfrequenz konstant gewählt, um gleichmäßige und
vorhersehbare Ergebnisse zu erzielen. Es ist aber nicht ausgeschlossen,
dass mit der Veränderung
des Puls-Pulspause-Verhältnisses
auch die Pulsfrequenz geringfügig
variiert wird. Die Pulsfrequenz sollte jedoch auf einen Wert im
Bereich zwischen 0,1 × Fkr < f < 3 × Fkreingestellt
werden, wobei Fkr die Resonanzfrequenz des Ankermasse-Feder-Systems ist. Wird
die Pulsfrequenz zu hoch gewählt,
so würde
sich die Erregung wegen der Massenträgheit nicht auf die mechanischen
Elemente auswirken und der Spulenanker nicht aus seiner neutralen
Lage herausbewegt. Wird dagegen die Pulsfrequenz zu niedrig gewählt, so würde sich
die Frequenz auf das Hydrauliksystem insgesamt auswirken und zu
unerwünschten
Schwingungen des Systems führen.
In der elektronischen Steuerung kann die Pulsfrequenz direkt, oder
als Modulation einer anderen Trägerfrequenz
verwendet werden. Art und Umfang der Modulation ist so zu wählen, dass
die mechanische Auswirkung auf den Anker einer direkten Pulsfrequenz
gleich ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Darin
zeigen:
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1 schematisch
die wesentlichen Elemente eines elektromagnetischen ansteuerbaren,
federrückgestellten
2/2-Schaltventils in Sitzventilbauweise;
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2 eine
Signalfolge zur elektronischen Ansteuerung des Schaltventils aus 1;
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3A ein
Hydraulikschaltbild zu einem ersten Versuchsaufbau;
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3B die
Ansteuerung zum Hydraulikschaltbild aus 3A;
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3C die
mit dem Versuchsaufbau aus 3A erzielte
Volumenstromdrosselung für
unterschiedliche Puls-Pulspause-Verhältnisse
PWM;
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4A ein
Hydraulikschaltbild zu einem zweiten Versuchsaufbau;
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4B die
Ansteuerung zum Hydraulikschaltbild aus 4A;
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4C den
zeitlichen Verlauf der Winkellage eines mittels der Hydraulikschaltung
nach 4A abgesenkten Hebels für unterschiedliche PWM-Werte;
und
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4D den
zeitlichen Verlauf der Winkellage eines mittels der Hydraulikschaltung
nach 4A angehobenen Hebels für unterschiedliche PWM-Werte.
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1 zeigt
schematisch die wesentlichen Elemente eines elektromagnetisch ansteuerbaren, federrückgestellten
2/2-Schaltventils in Sitzventilbauweise. Ein solches Ventil umfasst
eine Erregerspule 1, einen in der Erregerspule axial verlagerbaren
Spulenanker 2, der an einem axialen Ende einen Ventil körper 3 trägt, der
bei entsprechender Verlagerung des Spulenankers 2 einen
Dichtsitz 4 verschließt,
um eine Ventilöffnung 5 eines
Ventilgehäuses 6 zu schließen. Die
Ventilöffnung 5 kann
beispielsweise an einen Verbraucher A oder eine Pumpe P angeschlossen
sein. Über
eine Fluidaustrittsöffnung 7 kann
bei geöffnetem
Ventilsitz 4 ein Fluid durch das Ventilgehäuse 6 hindurch
zum Tank T oder, falls die Ventilöffnung 5 zur Pumpe
führt,
zu einem Verbraucher A austreten. Ein Federelement 8 drängt den Spulenanker 2 in
eine Ausgangsposition, in welcher die Ventilöffnung geöffnet ist. Das Ventil kann
alternativ so ausgeführt
sein, dass es in seiner Neutralstellung, also bei nicht erregter
Spule 1, geschlossen ist.
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Über eine
Steuerung 9 wird der Elektromagnet angesteuert. Durch Beaufschlagen
der Erregerspule 1 mit einem ausreichend hohen Strom bewegt sich
der Spulenanker 2 unter Überwindung der Kraft der Feder 8 und
eines ggf. entgegenwirkenden Hydraulikdrucks schlagartig gegen den
Ventilsitz 4 und verschließt die Ventilöffnung 5.
Das Ventil kann also in herkömmlicher
Weise als Schaltventil verwendet werden, welches mit kurzen Schaltzeiten
zwischen nur zwei Zuständen
schaltet.
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Erfindungsgemäß ist die
Ansteuerelektronik 9 so ausgebildet, dass auch Zwischenzustände erreichbar
sind, in denen der Durchfluss durch die Ventilöffnung 4 lediglich
gedrosselt ist. Dazu wird die Erregerspule mit einem gepulsten Strom
beaufschlagt. Dies ist in 2 diagrammartig
dargestellt. Demnach wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen ein
Strom mit der Stromstärke
I0 über
eine Pulsdauer tP durch die Erregerspule 1 hindurchgeleitet,
gefolgt von einer Pulspause tPP. Die Gesamtzeitspanne
eines einzelnen Zyklus ergibt sich zu T = tP + tPP und das
Puls-Pulspause-Verhältnis
PWM ergibt sich dann zu
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Die
Zyklusfrequenz f = 1/T beträgt
beispielsweise etwa 50 Hz für übliche Schaltventile,
wie sie bei Cabrio-Verdeckantrieben Anwendung finden. Die Frequenz
f sollte der folgenden Anforderung genügen: 0,1 × Fkr < f < 3 × Fkrwobei
Fkr die Resonanzfrequenz des Ankermasse-Feder-Systems ist.
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Wenn
nun der Erregerstrom I0 auf die Erregerspule 1 periodisch
mit der Pulsdauer tP aufgebracht wird, so
wird der Spulenanker 2 in einem dynamischen Gleichgewicht
zwischen der neutralen Position und der Schließposition gehalten, sofern
die Stromstärke
I0 und die Pulsdauer tP ausreichend
groß sind,
um die Gegenkraft der Feder 8 sowie Trägheitskräfte des Systems, insbesondere
die Trägheitskraft des
Spulenankers, und ggf. einen entgegenwirkenden Hydraulikdruck zu überwinden.
Tatsächlich
wird daher der Spulenanker aus seiner neutralen Position nicht bereits
bei einem PWM-Wert größer null
herausbewegt, sondern erst bei einem PWM-Wert von z. B. 0,3 oder
darüber.
Aus ähnlichen
Gründen
erreicht der Spulenanker seine Schließposition auch nicht erst bei
einem PWM-Wert von 1, sondern bereits bei einem weit darunterliegenden
Wert von beispielsweise etwa PWM = 0,5. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die Federkraft nur bis zu einem gewissen Grad ausreicht, die Massenträgheit des
Spulenankers zu überwinden.
Unterschreitet die Dauer tPP der Pulspause
einen bestimmten Wert, so reicht die Kraft des Federelements nicht
aus, um den Spulenanker vom Ventilsitz abzuhe ben. Ein Drosselverhalten
ist daher nur innerhalb der Grenzen PWMmin von
beispielsweise 0,3 und PWMmax von beispielsweise
0,5 gegeben. Der PWM-Wert
lässt sich
daher auf diesen beschränkten
Bereich PWMmax – PWMmin normieren
und der normierte PWM-Wert ist dann weitgehend proportional zu einer
mittleren Ankerstellung, um die herum der Spulenanker aufgrund der
periodischen Strombeaufschlagung oszilliert.
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3A zeigt
einen ersten Versuchsaufbau zur Erläuterung der Schaltventilsteuerung.
Ein elektromagnetisch ansteuerbares, federrückgestelltes 2/2-Schaltventil SV ist
in seiner Neutralstellung zum Tank T hin geöffnet. Über eine Zykluszeit von 100
Sekunden wird, bei einem Hydraulikdruck von 100 bar, der PWM-Wert
von PWMmin = 0,32 auf einen PWM-Wert von
PWMmax = 0,48 und wieder zurück auf PWMmin verändert.
PWMmin entspricht dabei dem normierten PWM-Wert
0 und PWMmax dem normierten PWM-Wert 1.
Der sich bei den jeweiligen PWM-Werten einstellende Volumenstrom
Q wird mittels eines Volumenstromsensors 10 gemessen und
ist in 3C über dem zugehörigen PWM-Wert
aufgetragen. Der Versuchsaufbau zeigt, dass jede Stellung des Spulenankers 2 zwischen
der offenen Position und der geschlossenen Position des Schaltventils
SV stabil erreicht wird und der Volumenstrom Q weitgehend proportional
zum normierten PWM-Wert ist.
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3b zeigt
dazu schematisch die Ansteuerung, die sich bei dem Versuchsaufbau
darauf beschränkt,
dass die Ansteuerelektronik 9 ohne irgendeine Rückkopplung
das Schaltventil SV steuert. Mit einer solchen Steuerung lässt sich
beispielsweise eine Rampenfunktion fest vorgeben. So kann ein Stellglied
zunächst
mittels eines hohen Volumenstroms zügig bewegt werden und diese
Bewegung durch Veränderung
des PWM-Werts entsprechend der Zeitfunktion und der damit einhergehenden
zunehmenden Drosselung des Volumenstroms langsam in seine Endlage
bewegt werden.
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Anstelle
einer fest vorgegebenen Zeitfunktion kann der PWM-Wert und damit
die Drosselung aber auch über
einen Regelkreis gesteuert werden, indem beispielsweise der mittels
des Volumenstromsensors 10 ermittelte Volumenstrom Q als
Regelgröße dient.
Auch der Weg bzw. die Position der Ankerspule relativ zu ihrer neutralen
Stellung oder des Stellglieds können
als Regelgröße dienen.
Auch der Druck hinter dem Schaltventil, also der Druck der gedrosselten
Strömung,
kann als Regelgröße dienen. Zahlreiche
andere Regelgrößen sind
je nach Einsatz des Schaltventils denkbar.
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4A bis 4D zeigen
einen zweiten Versuchsaufbau am Beispiel eines hydraulischen Schaltkreises
mit zwei 3/2-Schaltventilen. Ein Zylinder 11 wird über einen
Hebel 12 mechanisch belastet und über die Schaltventile SV1 und
SV2 angehoben bzw. abgesenkt. Im Versuchsaufbau wurde die Masse
m so gewählt,
dass die auf den Hydraulikzylinder 11 wirkende Last etwa
2.500 N betrug. Die beiden Schaltventile SV1 und SV2 sind in ihrer
neutralen Stellung wiederum zum Tank T offen (4A).
Bei Werten von PWM = 0 (ungedrosselt), PWM = 0,28 (mittlere Drosselung)
und PWM = 0,52 (sehr starke Drosselung) wurde dann die Zeit gemessen,
die der Hebel benötigt,
um von einer 100°-Winkellage
auf eine 0°-Winkellage
abzusinken (4C) bzw. von einer 0°-Winkellage
auf eine 100°-Winkellage
anzuheben (4D). Das Absinken bei ungedrosselter
Ventilstellung dauert bei einem PWM-Wert von 0 weniger als 1 Sekunde
und kann durch Drosselung mit einem PWM-Wert von 0,52 auf bis zu
14 Sekunden gestreckt werden. Entsprechend kann das Heben (4D)
von etwa 1,5 Sekunden auf 18 Sekunden gestreckt werden.
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Es
sind auch unterschiedlichste sequentielle Kombinationen der einzelnen
Drosselstellungen möglich.
Dies ist beispielhaft in 4C beim
Absinken des Hebels 12 dargestellt. Zunächst wird der Hebel von der
100°-Winkelposition auf
die 20°-Winkelposition
ungedrosselt abgesenkt und von der 20°-Winkelposition wird das Ventil dann
mit einem PWM-Wert PWM' =
0,52 gedrosselt und bis zur 0°-Winkelstellung
weiter abgesenkt. Während
die Absenkung über
die ersten 80° innerhalb
von etwa 0,8 Sekunden erfolgt, wird der Einlauf von der 20°-Winkelposition
in die 0°-Endposition über 1 Sekunde
gestreckt.
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Dazu
zeigt 4B die entsprechende Regelung.
Mittels eines Winkelsensors W wird die jeweils aktuelle Winkelposition
des Hebels 12 erfasst und der Ansteuerelektronik 9 übermittelt.
Wenn die Winkelposition von 20° erreicht
ist, legt die Ansteuerelektronik 9 der Ansteuerung des
Schaltventils SV1 statt des ungedrosselten PWM-Werts von 0 den stark gedrosselten
PWM-Wert von 0,52 zugrunde. Das heißt, ab diesem Zeitpunkt ist
die Dauer der Strompulse geringfügig
größer als
die Dauer der Pulspausen, so dass das Ventil nahezu geschlossen
ist bis auf eine geringfügige
Restströmung,
welche zum langsamen Annähern
des Hebels 12 in seine Endposition führt.
