DE102010052921A1

DE102010052921A1 - Freilauf und Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit diesem

Info

Publication number: DE102010052921A1
Application number: DE102010052921A
Authority: DE
Inventors: Matthias Sperber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-06-14
Also published as: CN103238004A; WO2012072280A1; CN103238004B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Freilauf (2) und eine Startvorrichtung (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem mittels Fremdkraft um eine Drehachse drehangetriebenen Innenteil (4), einem in Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors stehenden Außenring (3) und zwischen Innenteil (4) und Außenring (3) einen Freilauf (2) bildende, über den Umfang verteilte Sperrglieder (8). Um bei vorgegebenen Bauraumverhältnissen größere Momente über einen kostengünstigen Freilauf übertragen zu können, beziehungsweise bei gleichem übertragbarem Moment kleinere Bauräume vorsehen zu können, sind die Sperrglieder (8) gegenüber dem Außenring (3) radial und in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar angeordnet, ist im sperrenden Zustand des Freilaufs (2) mittels der Sperrglieder (8) ein Formschluss zwischen Außenring (3) und Innenteil (4) gebildet und sind im nicht sperrenden Zustand des Freilaufs (2) die Sperrglieder (8) mittels einer zwischen Innenteil (4) und den Sperrgliedern (8) wirksamen Verlagerungskraft in eine mit Radialspiel (14) zum Innenteil (4) behaftete Ruheposition (A) verlagert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Freilauf und eine Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem mittels Fremdkraft um eine Drehachse drehangetriebenen Innenring, einem in Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors stehenden Außenring und zwischen Innenring und Außenring einen Freilauf bildende, über den Umfang verteilte Sperrglieder.
Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße Freiläufe, sogenannte Klemmkörperfreiläufe, weisen einen Außenring und ein Innenteil – eine Welle oder einen Innenring – und dazwischen angeordnete Sperrglieder in Form von Klemmkörpern auf und sind seit langem bekannt. Beispielsweise zeigt die DE 2008 071 681 A1 einen Freilauf in Form einer Freilaufkupplung, bei der als Klemmrollen ausgebildete Sperrglieder durch Auflaufen auf Auflauframpen bei einer relativen Verdrehung von Außenring und Welle in eine erste Drehrichtung klemmen und damit eine Drehmomentübertragung zwischen Welle und Außenring ermöglichen, während bei einer relativen Verdrehung in die entgegengesetzte Drehrichtung die Klemmung aufgehoben wird und eine Drehmomentübertragung nicht erfolgt.
Insbesondere bei der Verwendung derartiger Klemmkörperfreiläufe wie Klemmrollenfreiläufe in sogenannter Außensternausführung in Startvorrichtungen treten durch die Ausbildung des Klemmkontakts in Form eines Reibschlusses zwischen dem Außenring und einem Innenteil und einer Klemmkontur wie Auflauframpen bereits bei geringen Drehmomenten sehr hohe Kontaktpressungen der Klemmrollen auf, da die Klemmwinkel von beispielsweise 4° und die Kontaktflächen in Form von Linienkontakten zwischen Klemmrollen und Innenkontur vergleichsweise gering sind. Will man das übertragbare Drehmoment dieser Klemmkörperfreiläufe erhöhen, so kann das durch Wahl der Werkstoffe und/oder durch Vergrößerung der Klemmfläche erfolgen. Dies erfordert einen Einsatz von hochwertigen und kostengünstigen Werkstoffen mit großer Festigkeit beziehungsweise erhöht in unerwünschter Weise den Bauraum des Freilaufs und damit der Startvorrichtung. Weiterhin muss bei den gattungsgemäßen Klemmkörperfreiläufen in hoher und damit kostenintensiver Genauigkeit gefertigt werden, um die Klemmsicherheit zu gewährleisten.
Alternativ stehen sogenannte Klinkenfreiläufe, wie sie aus der DE 40 26 213 A1 bekannt sind, zur Verfügung, bei denen der Außenumfang des Innenteils eine Rampenkontur aufweist, gegen die an fester Position begrenzt verdrehbar an dem Außenring angeordnete Klinken elastisch verspannt sind, so dass bei einer Verdrehung des Außenrings gegen die Rampen ein Formschluss zwischen dem Außenring über die Klinken und die Rampen zum Innenteil hergestellt wird und vergleichsweise hohe Drehmomente übertragen werden können. Nachteilig ist die ständige radiale Vorspannung der Klinken gegenüber dem Innenteil, die insbesondere bei Startvorrichtungen zu einer nicht tolerierbaren, dauerhaften Geräuschbelastung und zu Verschleiß während des Betriebs des Verbrennungsmotors führt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist daher die Weiterbildung von Freiläufen und Startvorrichtungen für Verbrennungsmotoren insbesondere vor dem Hintergrund einer kostengünstigen und Bauraum sparenden Verbesserung dieser bei hoher Drehmomentleistung.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem mittels Fremdkraft um eine Drehachse drehangetriebenen Innenring, einem in Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors stehenden Außenring und zwischen Innenring und Außenring einen Freilauf bildende, über den Umfang verteilte Sperrglieder gelöst, wobei die Sperrglieder gegenüber dem Außenring radial und in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar angeordnet sind, im sperrenden Zustand des Freilaufs mittels der Sperrglieder ein Formschluss zwischen Außenring und Innenring gebildet ist und im nicht sperrenden Zustand des Freilaufs die Sperrglieder mittels einer zwischen Innenring und Sperrgliedern wirksame Verlagerungskraft in eine mit Radialspiel zum Innenring behaftete Ruheposition verlagert sind.
Die Ausgestaltung des Freilaufs erfolgt erfindungsgemäß mittels begrenzt verlagerbarer Sperrglieder, die an die Stelle von einen Reibschluss bildenden Klemmkörpern treten und aufgrund der an die Außenkontur dieser angepassten, zu dieser komplementär ausgebildeten Außenkontur des Innenteils, das eine Welle oder ein Innenring sein kann, einen Formschluss bilden, sobald diese auf den Außenring, beispielsweise an diesem vorgesehenen Auflauframpen, auflaufen. Infolge der weniger toleranzempfindlichen Ausbildung des Formschlusses gegenüber Klemmkontakten, ist die Herstellung des Freilaufs kostengünstiger. Weiterhin können über den Formschluss bei gleicher Bauraumbeanspruchung und im Wesentlichen gleicher Ausbildung, beispielsweise gleicher Anzahl und Größe von den Klemmkörpern entsprechenden Sperrgliedern, höhere Drehmomente vom Innenteil auf den Außenring und umgekehrt im sperrenden Zustand des Freilaufs übertragen werden.
Durch die Steuerung der Sperrglieder mittels der Verlagerungskraft verlagern sich diese bei einer Entsperrung des Freilaufs bei Änderung des Drehsinns zwischen Innenteil und Außenring in die Ruheposition, in der kein Kontakt zu dem Innenteil ausgebildet ist, so dass weder eine Geräuschbelastung noch Verschleiß und Reibung der Sperrglieder gegenüber dem Innenteil auftritt.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann ein Freilauf und eine Startvorrichtung in der Weise vorteilhaft ausgebildet werden, dass der Innenring einen Außenumfang mit einer Vielzahl über den Umfang verteilter, einen Teilkreisbogen der Sperrglieder komplementär abbildender Vertiefungen aufweist und die Sperrglieder in jeweils einer Ausnehmung des Außenrings mit einer in einer Umfangsrichtung vorgesehen Auflauframpe aufgenommen sind. Dabei können die Ausnehmungen in Umfangsrichtung benachbart zu den Auflauframpen radiale Erweiterungen zur Einstellung der Ruheposition der Sperrglieder aufweisen. Auf diese Weise laufen die Sperrglieder bei einem den Sperrzustand einstellenden Drehsinn von Innenteil und Außenring auf die Auflauframpen auf und klinken gleichzeitig in eine der Vertiefungen formschlüssig ein. Bei einer Drehsinnumkehr werden die Sperrglieder entlastet und durch die Verlagerungskraft in ihre Ruheposition verlagert.
Die Art der Verlagerungskraft kann dabei durch verschiedenste bauliche Einrichtungen und physikalische Effekte bewirkt werden. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Verlagerungskraft durch Reibung vorgesehen werden. Hierbei wird zwischen dem Eingangsteil oder einem diesem drehfest zugeordneten Bauteil und den Sperrgliedern ein Reibeingriff erzeugt, der bei einer Änderung des Drehsinns zwischen Innenteil und Außenring infolge der dem Reibeingriff zugrunde liegenden Reibkraft eine Verlagerung der Sperrglieder von der Auflauframpe zur Ruheposition und zurück verursacht, wodurch die Sperrglieder zur Einstellung der Sperr- und Freilaufposition entsprechend gesteuert werden. Hierzu kann beispielsweise das Innenteil von zwei Reibscheiben drehschlüssig flankiert sein, von denen die auf die Sperrglieder wirkende Reibkraft ausgeübt wird. In die Reibscheiben können dabei jeweils Kunststoffringe, beispielsweise O-Ringe eingelegt sein, die jeweils zu einer Stirnfläche der Sperrglieder in Anlagekontakt stehen. Alternativ oder zusätzlich zu Reibelementen aus Kunststoff können Reibelemente aus anderen Materialien wie Stahl vorgesehen sein. Beispielsweise können zwischen den Sperrgliedern und einem eingangsseitigen Bauteil Federelemente, beispielsweise eine Tellerfeder, verspannt sein. Weiterhin können Reibelemente auch an den Stirnseiten der Sperrglieder vorgesehen sein.
Alternativ kann die Startvorrichtung oder die Umgebung des Freilaufs in einem Schmiermedium nass betrieben werden und die Reibkraft mittels des Schmiermediums aufgebracht werden. Dabei hat sich gezeigt, dass die Adhäsionskräfte und die Viskosität von üblicherweise verwendetem Schmiermittel wie Öl oder Transmissionsfluid bereits ausreichend ist, um bei üblicherweise verwendeten Spaltweiten von Bruchteilen von Millimetern bis zu wenigen Millimetern zwischen Bauteilen des Eingangsteils und den Sperrgliedern diese bei wechselndem Drehsinn zwischen Ruheposition und Anlagekontakt an den Auflauframpen steuern zu können.
Um auf während der nicht sperrenden Position auftretende Reibungskräfte zur Steuerung der Sperrglieder verzichten zu können, kann alternativ vorgesehen sein, dass die Sperrglieder mittels eines Federelements in einer den Formschluss bildenden Sperrposition gehalten sind und die Verlagerungskraft durch die Fliehkraft aufgebracht wird. Hierbei kann jedes einzelne Sperrglied in der Sperrposition an den Auflauframpen und in Formschluss mit dem Innenteil von jeweils einer einzelnen oder von auf mehrere oder alle Sperrglieder wirkenden Federelementen gehalten werden. Hierbei nimmt beispielsweise in einer Startvorrichtung mit zunehmender Beschleunigung des Außenrings bei startendem Verbrennungsmotor die Fliehkrafteinwirkung auf die Sperrglieder zu, so dass diese die Federkraft der Federelemente überwinden und in die gegenüber den Auflauframpen radial erweiterten Ausnehmungen in dem Außenring verdrängt werden. In diesen nehmen die Sperrglieder gegenüber dem Innenteil eine kontaktlose Ruheposition ein. Wird der Verbrennungsmotor abgestellt, verlagern die Sperrglieder durch die Federspeicher unterstützt wieder in die Sperrposition unter Bildung des Formschlusses mit dem Außenprofil des Innenteils.
Alternativ oder zusätzlich zu Federelementen können die Sperrglieder mittels eines Magnetkörpers in einer den Formschluss bildenden Sperrposition gehalten sein. Hierzu werden die Sperrkörper weichmagnetisch ausgebildet, wobei diese jeweils mittels einer Magnetkraft eines hartmagnetischen Magnetkörpers, der benachbart an den Sperrgliedern in Sperrposition angebracht ist, in Sperrposition gehalten. In speziellen Ausführungsbeispielen können die Sperrglieder hartmagnetisch ausgebildet sein, wobei lediglich an den Auflauframpen ein weichmagnetisches Bauteil angeordnet ist und die übrigen Bauteile in der Umgebung der Sperrglieder eine geringe Magnetisierbarkeit aufweisen, beispielsweise aus nicht magnetischem Stahl hergestellt sind. Die Verlagerungskraft zur Verlagerung der Sperrglieder in die Ruheposition wird entsprechend der Verwendung von Federelementen durch die Fliehkraft aufgebracht.
Unabhängig von der Verwendung des vorgeschlagenen Freilaufs in einer Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor wird die Aufgabe durch einen Freilauf mit einem Innenring und einem Außenring sowie zwischen diesen angeordneten, über den Umfang verteilten Sperrgliedern gelöst, wobei die Sperrglieder gegenüber dem Außenring radial und in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar angeordnet sind, im sperrenden Zustand des Freilaufs mittels der Sperrglieder ein Formschluss zwischen Außenring und Innenring gebildet ist und im nicht sperrenden Zustand des Freilaufs Sperrglieder mittels einer zwischen Innenring und Sperrgliedern wirksame Verlagerungskraft in eine mit Radialspiel zum Innenring behaftete Ruheposition verlagert sind.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Ansicht einer Startvorrichtung im Sperrzustand
2 einen Schnitt durch die Startvorrichtung der 1 im Sperrzustand,
3 eine Ansicht der Startvorrichtung der 1 im Überholbetrieb
und
4 einen Schnitt durch die Startvorrichtung der Figur im Überholbetrieb.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die 1 bis 4 zeigen die Startvorrichtung 1 mit dem Freilauf 2 jeweils in Ansicht (1 und 3) und im Schnitt (2 und 4) sowie in Sperrmodus (1 und 2) und im Überrollmodus (3 und 4).
Die Startvorrichtung 1 enthält den Außenring 3, der direkt, beispielsweise mittels einer Verzahnung mit der Kurbelwelle oder dem Schwungrad des Verbrennungsmotors, oder indirekt beispielsweise über ein Nebenaggregat wie einem Generator wirksam mit der Kurbelwelle verbunden ist. Entsprechende mechanische Verbindungseinrichtungen an dem Außenring 3 sind nicht dargestellt.
Radial innerhalb des Außenrings 3 ist das Innenteil 4 angeordnet, das beim Start des vorzugsweise in einem Zweirad angeordneten Verbrennungsmotors von einer Fremdkraft wie Elektromotor oder Kickstarter drehangetrieben wird. Das Innenteil 4 wird von den beiden Reibscheiben 5, 6, an denen die Fremdkraft, beispielsweise ein nicht dargestellter Rotor eines Elektromotors angeflanscht werden kann, flankiert und mit diesen mittels der Schraubverbindung 7 fest verbunden. Die Reibscheiben 5, 6 (in den 1, 3 der Übersicht halber weggelassen) überdecken den Außenring 3 zumindest teilweise und bilden eine Verliersicherung für die Sperrglieder 8, die über den Umfang verteilt in den Ausnehmungen 9 des Außenrings 3 in Umfangsrichtung und radial begrenzt verlagerbar aufgenommen sind.
Die – hier in der Anzahl drei – in den Ausnehmungen 9 untergebrachten Sperrglieder 8 sind als Zylinderrollen mit kreisrundem Umfang ausgebildet. Der Weg dieser in den Ausnehmungen 9 ist jeweils in eine Umfangsrichtung gegenüber dem Außenring durch die Auflauframpen 10 und in die andere Umfangsrichtung durch die radial gegenüber der Auflauframpen 10 erweiterten Erweiterung 11 begrenzt. Dabei bilden die radialen Erweiterungen 11 die Ruheposition A ( 3) der Sperrglieder 8 im Überrollmodus, während die Sperrposition B (1) im Sperrmodus die Sperrglieder 8 radial innerhalb der Erweiterungen 11 in Eingriff mit dem Außenprofil 12 des Innenteils 4 bringt, wodurch sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei einer relativen Verdrehung des Innenteils 4 gegenüber dem stehenden Außenring 3 bei stehendem Verbrennungsmotor im Uhrzeigersinn ein Formschluss zwischen jeweils einer Vertiefung 13 des Außenprofils 12, den Sperrgliedern 8 und den Auflauframpen 10 des Außenrings 3 ergibt (1) und somit Drehmoment von dem Innenteil 4 auf den Außenring 3 übertragen wird. Bei Eintragung einer Fremdkraft auf das Innenteil 4 wird der nachgeschaltete Verbrennungsmotor daher gestartet.
Das Außenprofil 12 wird durch die Vielzahl von über den Umfang gleichmäßig verteilten, zu dem Außenumfang der Sperrglieder 8 komplementäre Teilkreise bildenden Vertiefungen 13 gebildet, in die bei einer Verdrehung des Innenteils 4 gegenüber dem Außenring 3 jeweils ein Sperrglied 8 hinein gleitet und den Formschluss bildet. Bei umgekehrtem Drehsinn, wenn also der Außenring 3 das Innenteil 4 bei gestartetem Verbrennungsmotor überholt und der Außenring 3 gegenüber dem Innenteil 4 im Gegenuhrzeigersinn relativ dreht, werden die Sperrglieder 8 an die radialen Erweiterungen 11 verlagert und bilden das Radialspiel 14 gegenüber dem Außenprofil 12, so dass weder störende Geräusche noch Verschleiß an Sperrgliedern 8 und Außenprofil 12 auftritt.
Die Sperrglieder 8 werden zur Einstellung von Sperr- und Ruheposition mittels einer Verlagerungskraft gesteuert, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Reibkraft ist, die von den Reibscheiben 5, 6 erzeugt wird. Auf radialer Höhe der Sperrglieder 8 ist hierzu in den beiden Reibscheiben 5, 6 jeweils ein den Sperrgliedern 8 zugewandter und mit den Stirnflächen 16 dieser in Reibkontakt stehender Kunststoffring 15 wie O-Ring, Quadring oder dergleichen aufgenommen. Der Kunststoffring 15 überträgt die Drehbewegung des Innenteils 4 auf die Sperrglieder 8, so dass diese entsprechend der relativen Drehbewegung des Innenteils 4 gegenüber dem Außenring 3 in den Ausnehmungen 9 in Umfangsrichtung durch die auf die Sperrglieder 8 wirkende. Verlagerungskraft wie Reibkraft verlagert werden. Die Fixierung der Sperrglieder 8 an den radialen Erweiterungen 11 erfolgt durch Fliehkraft. Im Weiteren kann durch entsprechende Ausgestaltung der Ausnehmungen 9 die Verlagerung der Sperrglieder 8 in die radialen Erweiterungen und damit in die Ruheposition A durch Fliehkraft zumindest unterstützt werden.
Bezugszeichenliste

1: Startvorrichtung
2: Freilauf
3: Außenring
4: Innenteil
5: Reibscheibe
6: Reibscheibe
7: Schraubverbindung
8: Sperrglied
9: Ausnehmung
10: Auflauframpe
11: radiale Erweiterung
12: Außenprofil
13: Vertiefung
14: Radialspiel
15: Kunststoffring
16: Stirnfläche
A: Ruheposition
B: Sperrposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2008071681 A1 [0002]
DE 4026213 A1 [0004]

Claims

Startvorrichtung (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem mittels Fremdkraft um eine Drehachse drehangetriebenen Innenteil (4), einem in Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors stehenden Außenring (3) und zwischen Innenteil (4) und Außenring (3) einen Freilauf (2) bildende, über den Umfang verteilte Sperrglieder (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrglieder (8) gegenüber dem Außenring (3) radial und in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar angeordnet sind, im sperrenden Zustand des Freilaufs (2) mittels der Sperrglieder (8) ein Formschluss zwischen Außenring (3) und Innenteil (4) gebildet ist und im nicht sperrenden Zustand des Freilaufs (2) die Sperrglieder (8) mittels einer zwischen Innenteil (4) und den Sperrgliedern (8) wirksame Verlagerungskraft in eine mit Radialspiel (14) zum Innenring (4) behaftete Ruheposition (A) verlagert sind.
Startvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (4) ein Außenprofil (12) mit einer Vielzahl über den Umfang verteilter, einen Teilkreisbogen der Sperrglieder (8) komplementär abbildender Vertiefungen (13) aufweist und die Sperrglieder (8) in jeweils einer Ausnehmung (9) des Außenrings (3) mit einer in einer Umfangsrichtung vorgesehen Auflauframpe (10) aufgenommen sind.
Startvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (9) in Umfangsrichtung benachbart zu den Auflauframpen (10) radiale Erweiterungen (11) zur Einstellung der Ruheposition (A) der Sperrglieder (8) aufweisen.
Startvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungskraft eine Reibkraft ist.
Startvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (4) von zwei Reibscheiben (5, 6) drehschlüssig flankiert ist, von denen die auf die Sperrglieder (8) wirkende Reibkraft ausgeübt wird.
Startvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Reibscheiben (5, 6) jeweils ein Kunststoffring (15) eingelegt ist, der jeweils zu einer Stirnfläche (16) der Sperrglieder (8) in Anlagekontakt steht.
Startvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Startvorrichtung in einem Schmiermedium nass betrieben wird und die Reibkraft mittels des Schmiermediums aufgebracht wird.
Startvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrglieder mittels eines Federelements in einer den Formschluss bildenden Sperrposition gehalten sind und die Verlagerungskraft durch die Fliehkraft aufgebracht wird.
Startvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrglieder mittels eines Magnetkörpers in einer den Formschluss bildenden Sperrposition gehalten sind und die Verlagerungskraft durch die Fliehkraft aufgebracht wird.
Freilauf (2) mit einem. Innenteil (4) und einem Außenring (3) sowie zwischen diesen angeordneten, über den Umfang verteilten Sperrgliedern (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrglieder (8) gegenüber dem Außenring (3) radial und in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar angeordnet sind, im sperrenden Zustand des Freilaufs (2) mittels der Sperrglieder (8) ein Formschluss zwischen Außenring (3) und Innenteil (4) gebildet ist und im nicht sperrenden Zustand des Freilaufs (2) die Sperrglieder (8) mittels einer zwischen Innenteil (4) und Sperrgliedern (8) wirksame Verlagerungskraft in eine mit Radialspiel (14) zum Innenteil (4) behaftete Ruheposition (A) verlagert sind.