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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hydrodynamische Bremse, mit
einem Gehäuse, in welchem ein Rotor und ein Stator, die
zusammen einen Torusraum bilden, zentriert auf einer ersten Achse angeordnet
sind, wobei zur Verminderung von Ventilationsverlusten im Leerlaufbetrieb
der Rotor und der Stator mit einer beweglichen Blendenanordnung
versehen sind, welche sich radial zur ersten Achse erstreckt und
mindestens eine Stauscheibe und einen Kolben aufweist, nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bremsen
dieser Art, die auch als Retarder bezeichnet werden, haben den Vorzug,
die abzubremsende Energie ohne Verschleiß in Wärme
umzuwandeln. Ein besonderes Problem ist jedoch die Verlustleistung
im Leerlauf, welche trotz entleertem Arbeitsraum der Bremse in Folge
der Luftzirkulation und anderer Einflüsse noch störend
sein kann.
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Es
ist bekannt, im Leerlaufzustand Strömungshindernisse, wie
z. B. Blenden, zwischen dem Stator und Rotor, die jeweils mit Schaufelkränzen versehen
sind, anzuordnen, um die Zirkulation von Luft und ggf. restlichem
Strömungsmittel zu verhindern.
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Die
DE 26 05 229 B1 beschreibt
eine hydrodynamische Bremse, die eine Vorrichtung zur Verhinderung
von Ventilationsverlusten bei nicht gefüllter Bremse aufweist.
Dabei wird ein elastisch federnder Ring mit etwa rechteckförmigem
Querschnitt verwendet, der im Bremsbetrieb hinter die Toruskontur
zurückgezogen wird und im Leerlaufbetrieb in den Spalt zwischen
Statortorus und Rotortorus hineinragt. Die Verschiebung in eine
radial äußere und eine radial innere Endstellung
erfolgt dabei über eine Kniehebelanordnung, die von einem
Druckkolben betätigt wird. Obwohl diese Vorrichtung relativ
einfach im Aufbau ist, hat sie sich nicht durchgesetzt, weil die
Breite des elastisch federnden Ringes stark begrenzt ist und damit
die Reduzierung der Verluste im Leer laufbetrieb nicht ausreicht.
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Aus
der
DE 198 51 951
A1 ist eine hydrodynamische Bremse bekannt, bei der zur
Verhinderung der Ventilationsverluste eine den gemeinsamen Torusraum
verkleinernde ortsveränderliche Trennwand vorgesehen ist,
die als ein- oder mehrteiliges glattes Ringsegment ausgebildet ist.
Jeweils ein Ende eines jeden Ringsegmentes ist an einer Achse in
der Nähe der Torusinnenwand gelenkig befestigt, und das
jeweils andere Ende eines jeden Ringsegments ist mit einer Verstelleinrichtung
verbunden, welche ein Verschwenken der Ringsegmente in Richtung
Torusinnenwand bei ölgefüllter Bremse bzw. in
Richtung Längsachse der Bremse bei ölentleerter
Bremse ermöglicht. Das Ringsegment ist mit der Verstelleinrichtung über
einen Mitnehmer mit einem federbelasteten, verstellbaren Kolben
verbunden. Der Kolben ist orthogonal zu einer Achse des Rotors bewegbar
und kann durch eine herkömmliche Verstelleinrichtung gesteuert
werden, dass heißt er ist feder- und druckgesteuert, wobei
der Druck durch Druckkanäle zum Kolben geführt
wird.
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Um
den vollen Effekt der Reduzierung der Strömungsverluste
zu erreichen, müssen zwei Ringsegmente im Torusraum eingebaut
werden, beide Ringsegmente nehmen Platz entlang die ganzen Torusinnenwand
in Anspruch, Platz, welcher anders zu einer Vergrößerung
des Bremseffekts der hydrodynamische Bremse benutzt werden könnte.
Des Weiteren wird die Reduzierung der Strömungsverluste
kleiner im Bereich der Achse eines Ringsegments, da dort kein oder
nur wenig Fläche vom Ringsegment bei einer ölentleerten
Bremse in den Torusraum hineinragt.
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Daher
ist es die Aufgabe der Erfindung, eine hydrodynamische Bremse und
ein Verfahren zur Steuerung einer hydrodynamischen Bremse darzustellen,
welche einen effektiveren und immer noch einfachen Aufbau zur Reduzierung
der Strömungsverluste aufweist und womit eine vereinfachte
Steuerung der hydrodynamische Bremse realisiert wird.
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Ausgehend
von einer Bremse der eingangs näher genannten Art, erfolgt
die Lösung dieser Aufgabe mit den in Anspruch 1 und 9 angegebenen Merkmalen;
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
hydrodynamische Bremse ist in einem Gehäuse angeordnet
und weist einen Rotor und einen Stator auf, die zusammen einen Torusraum
bilden. Der Rotor und der Stator sind auf einer ersten Achse zentriert.
Eine Blendenanordnung ist im Torusraum vorgesehen, um die Ventilationsverluste
im Leerlaufbetrieb der Bremse zu reduzieren. Die Blendenanordnung
der hydrodynamischen Bremse weist zumindest einen Kolben und eine
Stauscheibe auf, wobei der Kolben erfindungsgemäß radial
zur ersten Achse bewegbar ist. Der Kolben und die Stauscheibe sind
durch eine Kolbenmitnahme derart zusammengekoppelt, dass eine Bewegung
des Kolbens eine Bewegung der Stauscheibe ebenso radial zur Achse des
Rotors bewirkt. Die Stauscheibe weist gegen den Torusraum eine zirkuläre
Kante auf und wird bei Aktivieren der Bremse vom Kolben in einen
Schlitz im Gehäuse hineingezogen. Der Schlitz und der Torusraum
bilden zusammen einen Druckraum, wobei ein Ende des Kolbens Kontakt
mit dem Druckraum aufweist. Der Kolben wird durch den inneren Druck
der hydrodynamischen Bremse gesteuert.
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Durch
die zur ersten Achse radiale Bewegung der Stauscheibe ist es möglich
zwei Stauscheiben einander gegenüber zu platzieren und
somit kann der ganze Rand bzw. Umfang des Rotors bzw. Stators von
der Blendenanordnung abgedeckt werden und daher wird eine höhere
Verlustleistungsreduzierung erreicht. Des Weiteren wird keine separate Leitung
für die Kolbensteuerung notwendig, sonder den Kolben wird
direkt durch den inneren Druck der hydrodynamischen Bremse gesteuert.
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In
eine bevorzugte Ausführungsform der Blendenanordnung ist
im Gehäuse eine Anschluss-Öffnung mit einer zweiten
Achse im wesentlich parallel zur ersten Achse vorgesehen. Die Bewegungsrichtung
des Kolbens und somit auch der Stauscheibe ist im wesentlichen orthogonal
zu einer Linie zwischen der ersten und zweiten Achse. Durch diese Auslegung
kann die Wand zwischen dem vom Stator und Rotor gebildeten Torusraum
und der Anschluss-Öffnung dünn gehalten werden,
da kein Platz für die Stauscheibe in der Wand vorgesehen
werden muss. Somit kann der Rotor und Stator einen größeren
Radius bekommen und der Bremseffekt der Bremse erhöht werden,
ohne dass die Bremse mehr Bauraum in Anspruch nimmt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform der Blendenanordnung
sind zwei im wesentlichen halbkreisförmige Stauscheiben
einander gegenüber angeordnet. Mit zwei halbkreisförmigen
Stauscheiben wird die Verlustleistungsreduzierung der Blendenanordnung
deutlich verbessert, da der ganze Rand des Rotors bzw. Stators von
der Blendenanordnung abgedeckt werden kann.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der hydrodynamischen
Bremse weisen die Enden der wenigstens einen Stauscheibe Abwinklungen
auf, welche derart geformt sind, dass sie beim Hereinragen in den
Torusraum den Stator umgreifen, welcher damit als radiale Führung
der Stauscheibe wirkt. Da die Führung auf der Kante des
verschleißfesten Stators erfolgt, wird das Gehäuse
geschont, was vorteilhaft ist, da das Gehäuse normalerweise
in einem weicheren Material als der Stator ausgebildet ist. Die
Stauscheibe bekommt eine radiale Abstützung an Positionen
im Torusraum, und die Stauscheibe wird nicht durch Wirbelströme
im Torusraum in Schwingung gesetzt. Die Abwinklungen können
breiter gemacht werden, um eine größere Gleitfläche
gegen das Gehäuse aufzuweisen, wenn keine Abstützung
am Stator möglich ist, um somit den Verschleiß des
Gehäuses weiter zu verringern. Seitlich, dass heißt
in Richtung der ersten Achse, wird die Stauscheibe von der Gehäuse-
bzw. Schlitzwand und/oder des Stators geführt.
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Eine
Bohrung zur Aufnahme des Kolbens ist im Schlitz der Stauscheibe vorgesehen.
Des Weiteren durchdringt die Bohrung die Gehäusewand oder ist
von innen nur bis zur gewünschten Tiefe ausgeführt.
Bei einer durchdringenden Bohrung wird die Bohrung von außen
mit einer Verschlusskappe irgendwelcher Art, beispielsweise einen
Deckel oder eine Schraube, geschlossen. Auch der Kolben weist eine
Bohrung auf, in welcher eine Feder angeordnet ist. Die Feder wirkt
mit einer Kraft auf den Kolben in Richtung der Achse und ist mit
dem Kolben durch eine kraft- oder formschlüssige Verbindung
verbunden. Eine kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise
mit einer Stufenbohrung im Kolben und eine formschlüssige
Verbindung kann beispielsweise mittels eines Freistiches in der
Bohrung realisiert werden.
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Bei
einer durchdringenden Bohrung kann die Funktion der Blendenanordnung
nach Montage der hydrodynamischen Bremse kontrolliert werden dadurch,
dass die Verschlusskappe geöffnet wird und die Feder hin
und her gezogen wird. Wenn die Feder, der Kolben und die Stauscheibe
korrekt montiert sind, werden alle die drei Teile sich mit der Feder
bewegen. Eine nicht durchdringende Bohrung anderseits, spart Teile
und Prozessschritte bei der Montage ein und wird somit kostengünstiger.
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Die
Kolbenmitnahme der Stauscheibe weist eine Abwinklung auf, welche
derart ausgeformt ist, dass der radiale Bewegungsweg der Stauscheibe durch
den Stator begrenzt wird und behindert somit die Stauscheibe, zu
weit im Torusraum hineinzuragen. Insbesondere bei einem falsch oder
nicht montierten Kolben schützt die Abwinklung die Stauscheibe
davor, zu tief im Torusraum einzutauchen und dadurch der Stator
und Rotor zu zerstören.
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Die
hydrodynamische Bremse ist entweder in einem aktiven oder passiven
Zustand, wobei in einem aktiven Zustand der Bremse der Torusraum
mit einer Strömungsflüssigkeit gefüllt
und die Stauscheibe in ihrem Schlitz eingezogen ist und in einem
passiven Zustand der Torusraum von der Strömungsflüssigkeit
geleert und die Stauscheibe im Torusraum eingeführt ist.
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Während
eines aktiven Zustands der Bremse ist die Stauscheibe im Schlitz
eingezogen und es ist vorteilhaft wenn die Blendenanordnung fixiert
ist, um Geräusch und Verschleiß von einer klappernden Stauscheibe
zu vermeiden. Drei einfache Alternativen um die im Schlitz eingezogene
Stauscheibe zu fixieren sind:
- • dass
sich der Kolben gegen die Verschlusskappe bzw. das Gehäuse
abstützt, um eine feste radiale Position der Stauscheibe
zu erreichen;
- • dass sich die Stauscheibe gegen die radiale Schlitzwand
abstützt, um die Stauscheibe zu fixieren;
- • dass sich die Stauscheibe erst gegen die Schlitzenden
abstützt und nach einer elastischen Deformation der Stauscheibe
der Kolben sich gegen die Verschlusskappe abstützt.
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Während
eines passiven Zustands der Bremse ist die Stauscheibe im Torusraum
eingeführt und wird so weit eingeführt bis der
Kolben gegen den Stator anliegt.
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Die
Blendenanordnung wird vom Betriebsdruck der hydrodynamischen Bremse
gesteuert. Der Druck des Torusraums und des Schlitzes sind gleich, und
während eines Bremsvorgangs wird der Druck im Torusraum
erhöht durch die Befüllung des Torusraumes mit
Strömungsflüssigkeit und somit wird auch der Druck
auf das Kolben-Ende, welches gegen den Torusraum gerichtet ist,
erhöht. Wenn der Druck im Torusraum so hoch wird, dass
die Federkraft, welche den Kolben im Richtung Torusraum drückt, überwunden
wird, wird der Kolben in die Kolbenführung eingedrückt.
Da der Kolben radial zur Achse des Rotors angeordnet ist, ist kein
extra Druck-Kanal oder keine Druck-Führung zum Kolben notwendig,
um die Steuerung des Kolbens durchzuführen. In einem passiven Zustand
der Bremse wird der innere Druck des Torusraums so niedrig gehalten,
dass die vom inneren Druck des Torusraums auf den Kolben wirkende
Kraft geringer wird als die auf dem Kolben wirkende Federkraft.
Dabei wird der Kolben die Stauscheibe in den Torusraum hineindrücken.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Patentansprüchen und den unter Bezugnahme
auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
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1 ein
Schnitt durch eine hydrodynamische Bremse im aktiven Zustand
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2 ein
Schnitt durch eine hydrodynamische Bremse im passiven Zustand,
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3 ein
Querschnitt durch einen Kolben und eine Stauscheibe,
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4 ein
Schnitt durch einen Teil des Torusraums und
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5 ein
Querschnitt durch einen Kolben
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Da
hydrodynamischen Bremsen der eingangs näher genannten Art
dem Fachmann geläufig sind, sind in den Figuren nur die
zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile mit Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
eine hydrodynamische Bremse 1 in einem aktiven Zustand
dargestellt. Die Bremse 1 weist ein Gehäuse 2 auf,
in welchem ein Stator 4 und ein nicht gezeigter Rotor einen
Torusraum 5 bilden. Der Rotor und der Stator 4 ist
zentriert auf einer ersten Achse 6 angeordnet. Zur Verminderung
von Ventilationsverlusten im Leerlaufbetrieb der Bremse 1 sind
der Rotor und der Stator 4 mit einer beweglichen Blendenanordnung 8 versehen,
welche sich radial zur ersten Achse 6 erstreckt. Die Blendenanordnung 8,
weist zwei Stauscheiben 9 auf, welche je mit einem Kolben 11 durch
eine Kolbenmitnahme 14 verbunden sind. Der Kolben 11 ist
radial zur ersten Achse 6 entlang seiner Längsachse bewegbar
und ist in einer Kolbenbohrung 12 angeordnet. Eine radiale
Bewegung des Kolbens 11 bewirkt eine ebenso zur ersten Achse 6 radiale
Bewegung der Stauscheibe 9. Des Weiteren ist der Kolben 11 mit
einer Feder 13 vorgesehen, welche mit einer Federkraft
den Kolben 11 in Richtung des Torusraums 5 drückt.
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Die
Stauscheibe 9 ist bei aktiver Bremse in einem Schlitz 10 angeordnet
und wie in 2 gezeigt, ist die Stauscheibe 9 bei
passiver Bremse 1 im Torusraum 5 zwischen dem
Rotor und Stator 4 eingeschoben. Da das Kolbenende 15 dem
inneren Druck des Torusraums 5 ausgesetzt wird, wird der
Druck auf den Kolbenende 15 erhöht, wenn der Torusraum 5 mit
Strömungsflüssigkeit gefüllt wird. Wenn
der Druck auf den Kolben 11 so hoch ist, dass die Federkraft
der Feder 13 überwunden wird, wird der Kolben in
die Kolbenbohrung 12 hineingedrückt und somit auch
die Stauscheibe 9 in dem Schlitz 10.
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In
der gezeigten Ausführung in 1 und 2 sind
zwei Stauscheiben 9 vorgesehen. Die Stauscheiben 9 sind
einander gegenüber angeordnet und die Bewegungsrichtung 17 der
Stauscheiben 9 und deren Kolben 11 sind orthogonal
zu einer Linie 23 zwischen der ersten 6 und einer
zweiten Achse 7. Die zweite Achse 7 ist die Achse
einer Anschluss-Öffnung 16, beispielsweise für
einen Getriebeabtrieb. Durch die orthogonale Auslegung zur Linie 23 kann der
Bauraum der Bremse 1 so gering wie möglich gehalten
werden, da die Blendenanordnung 8 somit geringen oder keinen
Platz in Anspruch nimmt zwischen dem Torusraum 5 und der
Anschluss-Öffnung 16.
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Durch
das Vorsehen der Blendenanordnung 8 kann durch eine nachhaltige
Störung des Strömungskreislaufs der Luft in der
entleerten hydrodynamischen Bremse 1 eine Verlustleistungsreduzierung
erreicht werden. Die erfindungsgemäße radiale Bewegung
der Blendenanordnung 8 ermöglicht, dass ein großer
Teil des Umfangs des Rotors und des Stators 4 von der Blendenanordnung 8 abgedeckt
wird und erhöht somit den Effekt der Blendenanordnung 8.
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3 zeigt
einen Querschnitt mittig durch einen Kolben 11 und eine
Stauscheibe 9 der hydrodynamischen Bremse 1. Die
Kolbenbohrung 12 durchdringt das Gehäuse 2 und
ist mit einem Verschlussdeckel 18 geschlossen. Der Kolben 11 ist
mit einer Stufenbohrung 19 mit der Stufe 20 vorgesehen.
In der Stufebohrung 19 ist eine Feder 13 angeordnet. Die
Stufe 20 ist derart ausgelegt, dass die Feder 13 mit
dem Kolben 11 kraftschlüssig verbunden ist. Die Feder 13 stützt
sich gegen den Verschlussdeckel 18 ab. Im passiven Zustand
der Bremse wird die Stauscheibe 9 durch den niedrigen Druck
im Torusraum 5 zwischen Rotor 3 und Stator 4 eingeschoben.
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4 zeigt
einen Schnitt durch einen Teil des Torusraums 5. Die Stauscheibe 9 weist
eine Abwinklung 21 auf, welche derart geformt ist, dass
sie in eingeschobener Lage zwischen Rotor 3 und Stator 4 den
Stator 4 umgreift. Dadurch kann sich die Stauscheibe 9 gegen
den Stator 4 abstützen statt auf dem weicheren
Gehäuse 2 und somit wird der Verschleiß verringert.
Des Weiteren wird eine größere Anlagefläche
gegen das Gehäuse 2 erzeugt, wenn sich die Stauscheibe 9 im
Schlitz 10 befindet, was auch zu einem verringerten Verschleiß des
Gehäuses 2 führt.
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5 zeigt
einen Schnitt durch den Kolben 11 in Höhe der
Kolbenmitnahme 14 der Stauscheibe 9 in Blickrichtung
auf den Torusraum 5. Die Kolbenmitnahme 14 weist
eine Abwinklung 22 auf. Die Abwinklung 22 ist
derart ausgeformt, dass der Bewegungsweg der Stauscheibe 9 vom
Stator 4 begrenzt wird. Somit kann, z. B. durch eine Fehl-
oder Falschmontage des Kolbens 11, die Stauscheibe 9 nicht
vollständig in den Torusraum 5 hineinfallen und dadurch
Schaden am Rotor 3 und/oder Stator 4 verursachen.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung eignet sich nicht
nur für hydrodynamische Bremsen, sonder auch für
andere hydrodynamische Strömungsmaschinen, Drehmomentwandler,
Kupplungen und dergleichen.
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- 1
- Hydrodynamische
Bremse
- 2
- Gehäuse
- 3
- Rotor
- 4
- Stator
- 5
- Torusraum
- 6
- erste
Achse
- 7
- zweite
Achse
- 8
- Blendenanordnung
- 9
- Stauscheibe
- 10
- Schlitz
- 11
- Kolben
- 12
- Kolbenbohrung
- 13
- Feder
- 14
- Kolbenmitnahme
- 15
- Kolbenende
- 16
- Anschluss-Öffnung
- 17
- Bewegungs-Richtung
der Stauscheibe
- 18
- Verschlussdeckel
- 19
- Stufenbohrung
- 20
- Stufe
- 21
- Abwinklung
der Stauscheibe
- 22
- Abwinklung
der Kolbenmitnahme
- 23
- Linie
zwischen erster und zweiter Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2605229
B1 [0004]
- - DE 19851951 A1 [0005]