DE102007042930A1 - Serielles elektrisches Getriebe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein serielles elektrisches Getriebe (11a-d), insbesondere für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit zwei elektrischen Maschinen (E1a-d, E2a-d). Es wird vorgeschlagen, dass das serielle elektrische Gerät (11a-d) eine Leistungsverzweigungseinheit (10a-d) umfasst, die dazu vorgesehen ist, einen Leistungsfluss aufzuteilen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein serielles elektrisches Getriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es sind bereits serielle elektrische Getriebe, insbesondere für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit zwei elektrischen Maschinen bekannt.
  • Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, Bauraum und Gewicht des seriellen elektrischen Getriebes zu reduzieren. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung geht aus von einem seriellen elektrischen Getriebe, insbesondere für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit zwei elektrischen Maschinen.
  • Es wird vorgeschlagen, dass das serielle elektrische Getriebe eine Leistungsverzweigungseinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, einen Leistungsfluss aufzuteilen. Unter einem seriellen elektrischen Getriebe soll insbesondere ein Getriebe verstanden werden, bei dem ein Übersetzungsverhältnis zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite mittels zweier elektrischer Maschinen eingestellt wird. Unter einer „Leistungsverzweigungseinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, die einen Leistungsfluss zwischen zwei Einheiten, insbesondere zwischen einem Verbrennungsmotor und Antriebsrädern, aufteilt, und zwar insbesondere in einen elektrischen Leistungsfluss und einen mechanischen Leistungsfluss. Durch eine Leistungsverzweigungseinheit kann das serielle elektrische Getriebe für eine kleinere Momentübertragung ausgelegt werden, wodurch Bauraum, Gewicht und Kosten eingespart werden können. Zudem kann ein Wirkungsgrad des Getriebes erhöht werden.
  • Weiter wird vorgeschlagen, dass die elektrischen Maschinen unmittelbar benachbart angeordnet sind. Unter „unmittelbar benachbart" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass auf eine Trennung der elektrischen Maschinen insbesondere mittels einer Getriebewand verzichtet wird. Dadurch ist das serielle elektrische Getriebe besonders kompakt gestaltbar.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die elektrischen Maschinen koaxial angeordnet sind. Unter „koaxial" soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Rotationsachse der beiden elektrischen Maschinen gleich ist. Dadurch kann der Bauraum des seriellen elektrischen Getriebes weiter verringert werden.
  • Außerdem wird vorgeschlagen, dass die elektrischen Maschinen zumindest teilweise einstückig ausgeführt sind, wodurch Bauteile und Baukosten eingespart werden können. Insbesondere ist vorteilhafterweise ein Gehäuse der beiden elektrischen Maschinen einstückig ausgeführt.
  • Vorteilhafterweise weisen die elektrischen Maschinen zumindest einen gemeinsamen Stator und/oder zumindest einen gemeinsamen Rotor auf. Dadurch kann ein besonders kostengünstiges serielles elektrisches Getriebe erreicht werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass das serielle elektrische Getriebe eine Leistungssteuerungseinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, einen Leistungsfluss zu steuern und/oder zu regeln. Durch eine Leistungssteuerungseinheit wird das Getriebe besonders flexibel einsetzbar.
  • Weiter wird vorgeschlagen, dass die Leistungssteuerungseinheit elektronisch und/oder mechanisch ausgebildet ist. Eine elektronische Leistungsregelung ist besonders einfach und schnell schaltbar. Eine mechanische Leistungsregelung ist sehr robust.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leistungsverzweigungseinheit zumindest ein Differential umfasst, das dazu vorgesehen ist, eine zumindest einfache Leistungsverzweigung bereitzustellen. Unter einem „Differential" soll im Folgenden insbesondere ein Planetenradgetriebe verstanden werden, das insbesondere drei Getriebeglieder aufweist, die vorteilhafterweise mit Getriebewellen verbunden sind. Diese Getriebewellen können insbesondere als eine Eingangswelle und zwei Ausgangswellen oder als zwei Ausgangswellen und eine Eingangswelle ausgebildet sein. Durch ein Differential kann ein mechanischer Leistungsfluss besonders einfach aufgeteilt werden, wodurch eine einfache Leistungsverzweigung besonders einfach erreicht werden kann. Unter einer „einfachen Leistungsverzweigung" soll dabei insbesondere eine Leistungsverzweigung in zwei Leistungsflüsse verstanden werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Leistungsverzweigungseinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einen ersten Fahrbereich auszubilden. Unter einem „Fahrbereich" soll insbesondere ein Bereich verstanden werden, in dem ein Übersetzungsverhältnis eingestellt werden kann, wobei eine stufenlose Einstellung in diesem Bereich besonders vorteilhaft ist. Eine Leistungsverzweigungseinheit mit einem Fahrbereich, insbesondere mit einem Fahrbereich mit einer stufenlos veränderbaren Übersetzung, ist für einen Fahrkomfort vorteilhaft.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leistungsverzweigungseinheit zumindest ein zweites Differential umfasst, das dazu vorgesehen ist, eine doppelte Leistungsverzweigung bereitzustellen. Durch ein zweites Differential kann eine doppelte Leistungsverzweigung realisiert werden, wodurch sich weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben. Unter einer „doppelten Leistungsverzweigung" soll dabei insbesondere eine Leistungsverzweigung in drei Leistungsflüsse verstanden werden.
  • Insbesondere kann durch eine doppelte Leistungsverzweigung zumindest ein weiterer Fahrbereich ausgebildet werden, wodurch der Fahrkomfort weiter erhöht werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist der weitere Fahrbereich als ein Overdrive ausgebildet, wodurch ein vorteilhaft lang übersetzter Fahrbereich bereitgestellt werden kann.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung, die Zeichnungen und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch ein serielles elektrisches Getriebe mit einer Leistungsverzweigungseinheit,
  • 2 das serielle elektrische Getriebe aus 1,
  • 3 eine alternative Ausführungsform eines seriellen Getriebes,
  • 4 schematisch ein serielles elektrisches Getriebe mit einer alternativen Leistungsverzweigungseinheit und
  • 5 schematisch ein serielles elektrisches Getriebe mit einer dritten Leistungsverzweigungseinheit.
  • 1 zeigt schematisch eine Struktur eines seriellen elektrischen Getriebes 11a, das eine Leistungsverzweigungseinheit 10a mit einem eingangsseitig angeordneten Differential Dia umfasst. Die Leistungsverzweigungseinheit 10a stellt eine einfache Leistungsverzweigung bereit. Das Differential Dia ist über ein erstes Getriebeglied D11a und über eine Eingangswelle 12a mit einem nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor verbunden. Ein zweites Getriebeglied D12a des Differentials Dia ist mit einer Eingangsseite 14a des seriellen elektrischen Getriebes 11a verbunden. Ein drittes Getriebeglied D13a des Differentials Dia ist mit einer Ausgangsseite 15a des seriellen elektrischen Getriebes 11a verbunden, wobei das dritte Getriebeglied D13a und damit auch die Ausgangsseite 15a des seriellen elektrischen Getriebes 11a mit einer Ausgangswelle 13a verbunden sind.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein an der Ausgangswelle 13a anliegendes Moment bzw. eine Drehzahl über Drehzahlen bzw. Momente des ersten Getriebeglieds D11a und des zweiten Getriebeglieds D12a definiert. Eine Übersetzung zwischen dem ersten Getriebeglied D11a und dem dritten Getriebeglied D13a des Differentials D1a, das als eine Übersetzung für die Brennkraftmaschine wirkt, kann mittels der mit dem zweiten Getriebeglied D12a verbundenen Eingangsseite 14a des seriellen elektrischen Getriebes 11a eingestellt werden.
  • Das serielle elektrische Getriebe 11a umfasst zwei elektrische Maschinen E1a, E2a, die als Motoren und als Generator betrieben werden können. In einem passiven Modus, in dem das serielle elektrische Getriebe 11a eine Übersetzung zwischen der Eingangsseite 14a und der Ausgangsseite 15a einstellt, wird eine der elektrischen Maschinen E1a, E2a als ein Generator betrieben. Eine mechanische Leistung, die mittels des Verbrennungsmotors erzeugt wird, wird durch die als Generator fungierende elektrische Maschine E1a, E2a in elektrische Leistung umgewandelt und der anderen elektrischen Maschine E2a, E1a, die als Motor betrieben wird, zugeführt. Eine Drehzahl bzw. ein Moment, das die als Motor betriebene Maschine E2a, E1a erzeugt, kann dabei unabhängig von einer Drehzahl der als Generator betriebenen Maschine E1a, E2a eingestellt werden. Dadurch kann mittels des seriellen elektrischen Getriebes 11a eine stufenlose Übersetzung zwischen dem ersten Getriebeglied D11a, das über die Eingangswelle 12a mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, und dem dritten Getriebeglied D13a, das mit der Ausgangswelle 13a verbunden ist, eingestellt werden, wodurch ein erster Fahrbereich ausgebildet ist.
  • In einem aktiven Modus kann dem seriellen elektrischen Getriebe 11a elektrische Leistung aus einer in 4 schematisch dargestellten Akkumulatoreinheit 17a zugeführt werden, bzw. eine elektrische Leistung, die durch das serielle elektrische Getriebe 11a erzeugt wird, kann der Akkumulatoreinheit 17a zugeführt werden. Dadurch können mittels des seriellen elektrischen Getriebes 11a Antriebs- und Bremsmomente erzeugt werden, die sowohl auf die Eingangswelle 12a als auch auf die Ausgangswelle 13a wirken können. Somit kann die mechanische Leistung, die von der Brennkraftmaschine oder von der Ausgangswelle 13a in das serielle elektrische Getriebe 11a eingeführt wird, in elektrische Leistung umgewandelt werden, die dann in der Akkumulatoreinheit 17a zwischengespeichert und später wieder als mechanische Leistung mittels des seriellen elektrischen Getriebes 11a an die Eingangswelle 12a oder an die Ausgangswelle 13a abgegeben werden kann. Auch im aktiven Modus kann durch eine gezielte Steuerung der elektrischen Leistungen im seriellen elektrischen Getriebe 11a die Übersetzung zwischen der Eingangswelle 12a und der Ausgangswelle 13a stufenlos eingestellt werden.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform des seriellen elektrischen Getriebes 11a. Das serielle elektrische Getriebe 11a umfasst zwei elektrische Maschinen E1a, E2a, die unmittelbar benachbart innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 21a angeordnet sind. Die beiden elektrischen Maschinen E1a, E2a sind als permanentmagnetisch erregende Außenläufer ausgeführt. Die Eingangsseite 14a des seriellen elektrischen Getriebes 11a ist drehfest mit einem Rotor 18a der ersten elektrischen Maschine E1a verbunden. Die Ausgangsseite 15a ist drehfest mit einem Rotor 19a der zweiten elektrischen Maschine E2a verbunden. Die beiden Rotore 18a, 19a wirken auf eine gemeinsame Wicklung, die auf einen gemeinsamen drehfest mit dem Gehäuse verbundenen Stator 20a, der einstückig als ein Stator 20a für beide elektrische Maschinen E1a, E2a ausgebildet ist, angeordnet ist. Die Rotore 18a, 19a der beiden elektrischen Maschinen E1a, E2a sind koaxial ausgeführt, der Stator 20a ist innerhalb der Rotore 18a, 19a axial verschiebbar, wodurch eine wirksame Leiterlänge eines gemeinsamen elektrischen Strangs im gegensätzlichen Verhältnis in den beiden elektrischen Maschinen E1a, E2a variiert werden kann. Durch eine Rotation einer der elektrischen Maschinen E1a, E2a, wobei sowohl die eingangsseitig angeordnete Maschine E1a als auch die ausgangsseitig angeordnete Maschine E2a angetrieben werden kann, wird in den Stator 20a eine von der wirksamen Leiterlänge abhängige Spannung induziert. Durch ein Kurzschließen des Strangs fließt ein Strom, der zu einem Antrieb der abtreibenden Maschine E2a, E1a verwendet werden kann, wenn der Strang in einem vorteilhaften Moment kurzgeschlossen wird. Alternativ kann die durch die angetriebene elektrische Maschine E1a, E2a erzeugte Leistung an die Akkumulatoreinheit 17a abgegeben werden oder es kann eine elektrische Leistung aus der Akkumulatoreinheit 17a entnommen werden, um die abtreibende Maschine E2a, E1a anzutreiben.
  • Zur Steuerung eines Leistungsflusses umfasst das serielle elektrische Getriebe 11a eine Leistungssteuereinheit 16a. Der Stator 20a bildet dabei einen mechanisch ausgebildeten Teil der Leistungssteuereinheit 16a, da durch die Verschiebung des Stators 20a der Leistungsfluss zwischen der angetriebenen elektrischen Maschine E1a, E2a und der abtreibenden elektrischen Maschine E2a, E1a gesteuert werden kann. Ein weiterer Teil der Leistungssteuereinheit 16a ist elektronisch ausgebildet und steuert den Leistungsfluss zwischen der Akkumulatoreinheit 17a und dem seriellen elektrischen Getriebe 11a. Die Leistungssteuereinheit 16a ist hier nur schematisch abgebildet.
  • 3 zeigt eine Ausbildung eines seriellen elektrischen Getriebes 11b, das als eine Alternative zu dem in 2 gezeigten seriellen elektrischen Getriebe 11a eingesetzt werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 durch die Buchstaben b bis d in den Bezugszeichen der Ausführungsbeispiele in den 3 bis 5 ersetzt. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel in den 1 und 2, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 verwiesen werden kann.
  • Auf einer an der Eingangsseite 14b angeordneten Welle ist ein Rotor 18b angeordnet, der einer ersten elektrischen Maschine E1b zugeordnet ist. Der Rotor 18b der ersten elektrischen Maschine E1b ist von einem zweiten Rotor 19b umgeben, der einer zweiten elektrischen Maschine E2b zugeordnet ist. Der Rotor 19b der zweiten elektrischen Maschine E2b ist mit einer an der Ausgangsseite 15b angeordneten Welle verbunden. Er weist elektrische und magnetische Elemente auf und wird von einem Stator 20b umgeben. Der Stator 20b ist drehfest mit einem Gehäuse 21b, in dem die beiden elektrischen Maschinen E1b, E2b angeordnet sind, verbunden. Der Rotor 18b der ersten elektrischen Maschine E1b und der Rotor 19b der zweiten elektrischen Maschine E2b bilden mit dem gemeinsamen Stator 20b zwei Asynchronmaschinen, die als Motor und als Generator eingesetzt werden können. Eine elektrische Leistung kann über eine Leistungssteuereinheit 16b, die insbesondere einen AC-DC-Spannungswandler umfasst, direkt zwischen den elektrischen Maschinen E1b, E2b ausgetauscht werden oder mittels einer Akkumulatoreinheit 17b zwischengespeichert werden.
  • Neben den gezeigten Ausführungsformen für serielle elektrische Getriebe gibt es noch weitere Ausführungsformen. Grundsätzlich können verschiedene Ausführungsformen von seriellen elektrischen Getrieben eingesetzt werden.
  • 4 zeigt schematisch eine Struktur eines seriellen elektrischen Getriebes 11c mit einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Leistungsverzweigungseinheit 10c, die eine einfache Leistungsverzweigung bereitstellt. Das serielle elektrische Getriebe 11c ist analog dem Ausführungsbeispiel in 2 ausgeführt, kann aber alternativ auch analog zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein.
  • In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Differential D1c ausgangsseitig angeordnet. Eine Eingangswelle 12c ist mit einem ersten Getriebeglied D11c des Differentials D1c und mit einer Eingangsseite 14c des seriellen elektrischen Getriebes 11c verbunden. Eine Ausgangsseite 15c des seriellen Getriebes 11c ist mit einem zweiten Getriebeglied D12c verbunden, ein drittes Getriebeglied D13c ist mit einer Ausgangswelle 13c verbunden.
  • In einem passiven Modus, in dem auf eine Zwischenspeicherung von zugeführter Leistung in einer Akkumulatoreinheit 17c verzichtet wird, wird über das serielle elektrische Getriebe 11c mittels des Differentials D1c eine Übersetzung zwischen der Eingangswelle 12c und der Ausgangswelle 13c eingestellt.
  • In einem aktiven Modus, in dem Leistung von der Akkumulatoreinheit 17c zugeführt wird oder Leistung an die Akkumulatoreinheit 17c abgegeben wird, kann das serielle elektrische Getriebe 11c sowohl Antriebsmomente als auch Abtriebsmomente an der Eingangswelle 12c als auch an der Ausgangswelle 13c anlegen sowie die Übersetzung zwischen der Eingangswelle 12c und der Ausgangswelle 13c einstellen.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines seriellen elektrischen Getriebes 11d mit einer Leistungsverzweigungseinheit 10d, die ein zweites Differential D2d umfasst, das eine doppelte Leistungsverzweigung bereitstellt. Ein erstes Differential D1d ist eingangsseitig angeordnet, das zweite Differential D2d ist ausgangsseitig angeordnet. Eine Eingangswelle 12d ist mit einem ersten Getriebeglied D11d des ersten Differentials D1d und einem zweiten Getriebeglied D22d des zweiten Differentials D2d verbunden. Ein zweites Getriebeglied D12d des ersten Differentials D1d ist mit einer Eingangsseite 14d des seriellen elektrischen Getriebes 11d gekoppelt, eine Ausgangsseite 15d des seriellen elektrischen Getriebes 11d ist mit einem dritten Getriebeglied D13d des ersten Differentials D1d und mit einem ersten Getriebeglied D21d des zweiten Differentials D2d verbunden. Ein drittes Getriebeglied D23d des zweiten Differentials D2d ist mit einer Ausgangswelle 13d gekoppelt.
  • Alternativ können die beiden dreiwelligen Differentiale D1d, D2d einteilig als ein vierwelliges Differential ausgeführt werden. Das serielle elektrische Getriebe 11d wäre dann direkt über zwei Wellen mit dem vierwelligen Differential verbunden.
  • Das serielle elektrische Getriebe 11d kann neben einer Einstellung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Eingangswelle 12d und der Ausgangswelle 13d auch bei einer doppelten Leistungsverzweigung Antriebs- und Bremsmomente an der Eingangswelle 12d und an der Ausgangswelle 13d einstellen.
  • Durch die Leistungsverzweigungseinheit 10d mit der doppelten Leistungsverzweigung kann ein weiterer Fahrbereich realisiert werden, der sich an einen ersten Fahrbereich anschließt und der einen Overdrive bildet, der eine vorteilhaft lange Übersetzung aufweist.
  • Neben den in den 1, 4 und 5 gezeigten elementaren Ausführungsbeispielen für Leistungsverzweigungseinheiten 10a, 10c, 10d sind noch weitere Ausgestaltungen mit zusätzlichen Differentialen, die teilweise bremsbare oder miteinander kuppelbare Getriebeglieder aufweisen können, denkbar.

Claims (12)

  1. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d), insbesondere für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit zwei elektrischen Maschinen (E1a–E1d, E2a–E2d), gekennzeichnet durch eine Leistungsverzweigungseinheit (10a–d), die dazu vorgesehen ist, einen Leistungsfluss aufzuteilen.
  2. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (E1a–E1d, E2a–E2d) unmittelbar benachbart angeordnet sind.
  3. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (E1a–E1d, E2a–E2d) koaxial angeordnet sind.
  4. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (E1a–E1d, E2a–E2d) zumindest teilweise einstückig ausgeführt sind.
  5. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (E1a–E1d, E2a–E2d) zumindest einen gemeinsamen Stator (20a–d) und/oder zumindest einen gemeinsamen Rotor (18a–d, 19a–d) aufweisen.
  6. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Leistungssteuereinheit (16a–d), die dazu vorgesehen ist, einen Leistungsfluss zu steuern und/oder zu regeln.
  7. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungssteuereinheit (16a–d) elektronisch und/oder mechanisch ausgebildet ist.
  8. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverzweigungseinheit (10a–c) zumindest ein Differential (D1a–D1c) umfasst, das dazu vorgesehen ist, eine zumindest einfache Leistungsverzweigung bereitzustellen.
  9. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverzweigungseinheit (10a–c) dazu vorgesehen ist, zumindest einen ersten Fahrbereich auszubilden.
  10. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) zumindest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverzweigungseinheit (10d) zumindest ein zweites Differential (D2d) umfasst, das dazu vorgesehen ist, eine doppelte Leistungsverzweigung bereitzustellen.
  11. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverzweigungseinheit (10d) dazu vorgesehen ist, zumindest einen weiteren Fahrbereich auszubilden.
  12. Serielles elektrisches Getriebe (11a–d) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Fahrbereich als ein Overdrive ausgebildet ist.
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