DE102011010088A1

DE102011010088A1 - Anordnung mit einem Planetengetriebe und einer daran koppelbaren Riemenscheibe

Info

Publication number: DE102011010088A1
Application number: DE102011010088A
Authority: DE
Inventors: Andreas Misala
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: DE102011010088B4

Abstract

Ein Riementrieb wird mit einem Planetengetriebe in unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen dadurch koppelbar, dass zwischen einer Riemenscheibe (32) des Riementriebs (14) und dem Planetengetriebe (72) ein axial bewegliches, bevorzugt topfförmiges Koppelelement (72) angeordnet wird, wobei verschiedenen Stellungen desselben verschiedene Kopplungszustände entsprechen, die ihrerseits unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Planetengetriebe und einer daran koppelbaren Riemenscheibe.
Es ist häufig wünschenswert, zwei Getriebe miteinander zu koppeln, nämlich insbesondere einen Riementrieb mit einer Riemenscheibe an einem Planetengetriebe anzubinden. Beispielsweise kann eine elektrische Maschine mit dem Riementrieb gekoppelt sein, der dann seinerseits mit einem Planetengetriebe gekoppelt ist, und wobei das Planetengetriebe mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist. Über die beiden Getriebe, Riementrieb und Planetengetriebe, wird somit die elektrische Maschine mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt. Derartiges ist aus der DE 199 41 705 A1 bekannt. Dort ist auch beschrieben, dass sich in dem Planetengetriebe sich selbständig einstellende Übersetzungsstufen realisieren lassen. Genauso beschreibt auch die WO 2009/121188 A1 , wie durch Ausgestaltung eines Planetengetriebes unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bereitstellbar sind.
Das Einstellen der Übersetzungsverhältnisse geht mit dem Bereitstellen von Kupplungen in den Planetengetrieben einher. Die Kupplungen sind jedoch nur mit großem Aufwand in die Planetengetriebe zu integrieren.
Es wäre dabei wünschenswert, den Bau eines Planetengetriebes mit unterschiedlichen Übersetzungsstufen und mit einer daran koppelbaren Riemenscheibe zu vereinfachen.
So besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Anordnung mit einem Planetengetriebe und einer daran koppelbaren Riemenscheibe bereitzustellen, bei der unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse durch die Gesamtheit der beiden Getriebe, Planetengetriebe und das Riemengetriebe, zu dem die Riemenscheibe gehört, ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Das Planetengetriebe weist in an sich bekannter Weise ein Sonnenrad und ein Hohlrad auf, die um eine Drehachse drehbar sind. Zwischen Sonnenrad und Hohlrad sind Planetenräder angeordnet, die über einen um die selbe Drehachse drehbaren Planetenträger miteinander gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist nun zwischen der Riemenscheibe und dem Planetengetriebe ein bezüglich der Drehachse axial bewegliches Koppelelement angeordnet, wobei verschiedenen Stellungen desselben verschiedene Kopplungszustände entsprechen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, in der in einem ersten Kopplungszustand die Riemenscheibe mit dem Sonnenrad oder dem Hohlrad gekoppelt ist, in der in einem zweiten Kopplungszustand die Riemenscheibe von dem Planetengetriebe entkoppelt ist, und in der in einem dritten Kopplungszustand die Riemenscheibe mit dem Planetenträger gekoppelt ist.
In dem ersten und dem dritten Kopplungszustand werden unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse dadurch bereitgestellt, dass einmal die Übertragung über das Sonnenrad bzw. Hohlrad erfolgt, ein andermal über den Planetenträger erfolgt. Im zweiten Kopplungszustand erhält man ein Übertragungsverhältnis von Null, d. h. die Riemenscheibe am Planetengetriebe läuft frei um und der Riementrieb kann für die Übertragung von Energie auf eine andere Riemenscheibe genutzt werden.
Dadurch, dass das Koppelelement zwischen der Riemenscheibe und dem Planetengetriebe angeordnet wird, erfolgt die Kupplung im Übergang von der Riemenscheibe zum Planetengetriebe bzw. umgekehrt. Es müssen daher in dem Planetengetriebe nicht notwendigerweise Kupplungen vorgesehen sein, sodass das Planetengetriebe verhältnismäßig einfach und kompakt baubar ist. Das Koppelelement lässt sich relativ einfach radial außerhalb des Planetengetriebes vorsehen und die Riemenscheibe dann noch weiter radial außerhalb aufsetzen, sodass die Konstruktion unaufwändig gestaltet werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sonnenrad bzw. Hohlrad einerseits mit einem ersten Ring gekoppelt und der Planetenträger andererseits mit einem zweiten Ring gekoppelt. Beide Ringe weisen radial (bezogen auf die Drehachse) außen eine Verzahnung auf. Zudem weist das Koppelelement eine Verzahnung auf, die bei einer ersten Stellung in die Verzahnung des ersten Rings eingreift und bei einer zweiten Stellung in keine Verzahnung des ersten oder zweiten Rings eingreift und bei einer dritten Stellung in die Verzahnung des zweiten Rings eingreift. Das Kuppelelement lässt sich daher einfach in unterschiedliche Stellungen bewegen und bewirkt dann automatisch das Koppeln über die Ringe mit dem Sonnenrad bzw. Hohlrad oder dem Planetenträger.
Bezüglich der zweiten Stellung ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Koppelelement dort in eine Verzahnung einer um die Drehachse drehbaren Einrichtung eingreift, die vom Planetengetriebe entkoppelt ist. Die Drehbarkeit dieser Einrichtung ermöglicht es, von der ersten Stellung bei laufendem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und/oder elektrischen Maschine in die dritte Stellung überzugehen, und zwar über die zweite Stellung, weil die Einrichtung eine Synchronisierung ermöglicht.
Das Koppelelement weist bevorzugt zudem (bezogen auf die Drehachse) bevorzugt radial außen ebenfalls eine Verzahnung auf, die in eine entsprechende Verzahnung an der Riemenscheibe eingreift. Somit ist das Koppelelement auch besonders einfach in Eingriff mit der Riemenscheibe bringbar.
Das Koppelelement weist bevorzugt einen topfförmigen Abschnitt auf, und durch die Topfform lässt es sich von einer Seite her über das gesamte Planetengetriebe stülpen. Das Koppelelement weist zudem bevorzugt eine Scheibe auf, damit eine Angriffsmöglichkeit besteht, um es zu bewegen. Das Bewegen erfolgt bevorzugt berührungslos mit Hilfe eines Elektromagneten. Dieser kann die Scheibe anziehen, ggf. bei einer Bestückung der Scheibe mit Permanentmagneten sogar abstoßen. Die Kupplung der Anordnung zwischen Riemenscheibe und Planetengetriebe ist daher durch elektrische Steuersignale betätigbar, sodass man bestimmte Betriebszustände präzise hervorrufen kann.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben, in der
1 die in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug realisierte Anordnung aus Verbrennungskraftmaschine, elektrischer Maschine und dazwischen geschalteten Getrieben mit Kupplungen schematisch veranschaulicht,
2 eine Teildarstellung eines bei der Anordnung aus 1 eingesetzten Planetengetriebes mit den Kupplungen und einer Riemenscheibe eines Riemengetriebes der Anordnung im axialen Schnitt veranschaulicht, und die
3 bis 5 unterschiedliche Schaltstellungen eines Schaltelements der Anordnung aus 2 veranschaulicht und hierzu den bei einem zugehörigen Betriebszustand auftretenden Kraftfluss anhand von Pfeilen zeigt.
Eine mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine ist über ein Planetengetriebe 12 und einen Riementrieb 14 mit einer elektrischen Maschine 16 koppelbar, sodass die elektrische Maschine 16 als Starter für die Verbrennungskraftmaschine 10 fungieren oder umgekehrt als Generator arbeiten kann, der aufgrund von mechanischer Energie, die die Verbrennungskraftmaschine 10 bereitstellt, elektrische Energie erzeugen kann.
Das Planetengetriebe weist ein Sonnenrad 18 auf, Planetenräder 20 und ein Hohlrad 22. Die Planetenräder 20 sind über einen ersten Planetenträger 24 miteinander gekoppelt, der mit der Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. der von dieser angetriebenen Kurbelwelle 26 verbunden ist. Der Riementrieb 14 umfasst eine Riemenscheibe 28, die über eine Welle 30 von der elektrischen Maschine 16 gedreht wird. Eine Riemenscheibe 32 ist über einen Riemen 34 mit der Riemenscheibe 28 gekoppelt. Die Riemenscheibe 32 ist wahlweise über eine erste Kupplung 36 mit den Planetenrädern 20 und insbesondere einem zweiten Planetenträger 38 des Planetengetriebes koppelbar, und genauso ist sie über eine zweite Kupplung 40 mit dem Sonnenrad 18 koppelbar.
Es kann gleichzeitig nur eine der Kupplungen 36, 40 geschlossen sein. Es ist aber bevorzugt auch möglich, dass beide Kupplungen gleichzeitig offen sind.
Das Hohlrad 32 ist über eine Kupplung 42, oder die auch als Freilauf ausgestaltet sein kann, mit einem verbrennungsmotorfesten Bauteil 44 gekoppelt bzw. verbindbar.
2 zeigt eine Ausgestaltungsform der Anordnung aus 1 und zwar lediglich die Anbindung der Riemenscheibe 32 an das Planetengetriebe 12 über die Kupplungen 36 und 40. In der Schnittdarstellung ist nur der obere Teil gezeigt, der untere Teil ergibt sich durch Spiegelung an der Drehachse A, um die sich das Sonnenrad 18, die Planetenträger 24 und 38 und das Hohlrad 22 drehen.
Vorliegend ist die Kurbelwelle 26 über einen Zwischenadapter 46 mit dem ersten Planetenträger 24 gekoppelt. In den Zwischenadapter 46 greift eine Axialsicherungsschraube 48 ein, die durch eine Aufnahme im Sonnenrad 18 geführt ist, ohne mit diesem gekoppelt zu sein. An dem ersten Planetenträger 24 ist ein Planetenrad 20 über einen Stift 50 verbunden, gegenüber dem das Planetenrad 20 mit Gleitlagerrollen 52 gekoppelt ist. Der Stift 50 greift gleichzeitig in den zweiten Planetenträger 38 ein. Dieser weist im Querschnitt radial innen einen ersten rohrförmigen Abschnitt 54 auf, der über eine Scheibe 56 mit einem zweiten rohrförmigen Abschnitt 58 gekoppelt ist. Der erste rohrförmige Abschnitt 38 ist mit einem Blechgehäuse 60 gekoppelt, das eine Aufnahme bereitstellt, in die ein Stahlring 62 eingebracht ist, der als sogenannter Kurbelwellendämpfer dient: Wird die Kurbelwelle durch die Anregungen der Gas- und Massenkräfte aus endlich vielen Brennkammern in Schwingungen versetzt, so übertragen sich diese auf den Kurbelwellendämpfer 62, der dann die Energie von der Kurbelwelle aufnimmt, damit die Kurbelwelle nicht übermäßig stark schwingt.
Das Blechgehäuse 60 ist von einem Ringprofilteil 64 umgeben, das mit dem Sonnenrad 18 gekoppelt ist und sich daher mit diesem dreht. Auf der dem Sonnenrad 18 abgewandten Seite des Ringprofilteils 64 weist dieses einen Abschnitt 66 auf, der weiter radial außen liegt als das Hohlrad 22 und auch der Abschnitt 58 des Planetenträgers 38. Auf dem Abschnitt 66 des Ringprofilteils 64 sitzt ein Kupplungsring 68 auf. Der Kupplungsring 68 ist Teil der zweiten Kupplung 40.
Dem Kupplungsring 68 entspricht ein weiterer Kupplungsring 70, der auf dem Abschnitt 58 des Planetenträgers 38 aufsitzt und sich mit diesem mitdreht. Der Abschnitt 58 des Planetenträgers befindet sich ebenfalls radial außerhalb des Hohlrads 22. Die beiden Kupplungsringe 68 und 70 sind mit dem Sonnenrad 18 bzw. dem Planetenträger 38 gekoppelt und stellen von außen her zugängliche Elemente dar, um die Ringscheibe 32 an das Sonnenrad 18 bzw. den Planetenträger 38 anzukoppeln. Die Kopplung der Ringscheibe 32 an die beiden Kupplungsringe 80 und 70 erfolgt mit Hilfe eines Kupplungstopfes 72. Dieser ist in den Raum zwischen der Riemenscheibe 32 und den Kupplungsringen 68, 70 eingeschoben. Ein verbreiterter Rand 74 des Kupplungstopfes ist sowohl radial außen als auch radial innen mit einer Verzahnung versehen. Die radial äußere Verzahnung des Randes 74 kämmt mit einer Innenverzahnung 76 der Riemenscheibe 32. Die Innenverzahnung lässt sich wahlweise in Eingriff mit einer Außenverzahnung an den Kupplungsringen 68 oder 70 oder an zwei Synchronisierringen 78a, 78b bringen. In der in 2 gezeigten Stellung ist letzteres der Fall, der Rand 74 des Kupplungstopfes 72 kämmt mit den Synchronisierringen 78a, 78b. Gleichzeitig wird ein Stift 80 unter der Wirkung einer Feder 82 gegen den Rand 74 gedrückt. Die Synchronisierringe 78a, 78b sind mit einem gleitgelagerten Rohr 84 verbunden, das auf dem Abschnitt 78 des Planetenträgers 38 abrollen kann. Die Synchronisierringe 78a und 78b sind über Mitnehmelemente 86a, 86b an den Ringen 68 bzw. 70 abgestützt.
Der Topf 72 ist über eine Schaltscheibe 88 bewegbar, die von einem elektromagnetischen Aktor bezüglich der Drehachse A axial hin- und herverschoben bzw. gerückt werden kann. Der Topf 72 durchdringt einen Abdichtdeckel 90, der verbrennungsmotorfest ist, genauso wie das verbrennungsmotorfeste Bauteil 44, das einen vorderen Dichtflansch des Verbrennungsmotors darstellt, der mit Hilfe von Schrauben 92 an der Verbrennungskraftmaschine festgeschraubt ist. Gegenüber dem Dichtflansch 44 ist die Riemenscheibe mit einer Dichtlippe 94 abgestützt. Durch die Abdeckung 90, die Riemenscheibe 32 mit der Dichtlippe 94 und den Dichtflansch 44 ist gewährleistet, dass das gesamte Getriebe mit den Kupplungen 36 und 40 geschlossen und so abgedichtet ist.
Nachfolgend werden die drei möglichen Betriebsstellungen des Kupplungstopfes 72 anhand der 3, 4 und 5 erläutert.
Bei der Stellung gemäß 3 kämmt die Innenverzahnung des Randes 74 des Kupplungstopfes 72 mit der Verzahnung an dem Kupplungsring 68. Gleichzeitig kämmt die Außenverzahnung des Randes 74 mit der Innenverzahnung 76 der Riemenscheibe 32. Wird nun über den Riemen 34 (1) von der elektrischen Maschine 16 Drehmoment zugeführt, wobei der Riemen 34 über die Außenverzahnung 96 an der Riemenscheibe in einer in der Figur nicht gezeigten Weise angekoppelt ist, so wird das Drehmoment gemäß den Pfeilen von der Riemenscheibe 32 auf den Kupplungstopf 72 übertragen, von diesem auf den Ring 68, der das Moment über das Ringprofilteil 64 an das Sonnenrad 18 weiterleitet. Vom Sonnenrad wird das Moment über die Planeten 20 auf den ersten Planetenträger 24 übertragen, von diesem über das Zwischenadapterstück 64 an die Kurbelwelle 26 der Verbrennungskraftmaschine. Auf diese Weise kann die elektrische Maschine bei geschlossener zweiter Kupplung 40 die Verbrennungskraftmaschine starten: Es wird solange Drehmoment auf die Kurbelwelle 26 gegeben, bis eine bestimmte Drehzahl erreicht ist, und sodann wird Kraftstoff eingespritzt und gezündet. Das Hohlrad 22 ist hier fest mit dem verbrennungsmotorfesten Bauteil 44 gekoppelt. Bei Ausführung des Elements 42 als dritte Kupplung ist diese zu schließen.
In Umkehr der Wirkrichtung ist es auch möglich, dass die Verbrennungskraftmaschine die elektrische Maschine mitdreht, die dann als Generator arbeitet. Man muss sich bei geschlossener zweiter Kupplung 40 dann nur eine Umkehr der Pfeile aus 3 vorstellen.
Bevorzugt erfolgt der Generatorbetrieb jedoch mit einem anderen Übersetzungsverhältnis: In der in 4 gezeigten Stellung des Kupplungstopfes 72 kämmt dessen Rand 74 mit der Riemenscheibe 32 und dem Ring 70. Mit anderen Worten ist die erste Kupplung 36 geschlossen.
Drehmoment wird nun über die Kurbelwelle 26 auf den Zwischenadapter 46, von diesem auf den Planetenträger 24, über die Planeten 20 auf den zweiten Planetenträger 38 und vom zweiten Planetenträger 38 auf den Ring 70, den Kupplungstopf 72 und die Riemenscheibe 32 übertragen, und dann über den Riemen 34 an die elektrische Maschine 16 übertragen. Bei Ausführung des Elements 42 als Kupplung ist diese zu öffnen, damit das Hohlrad 22 umlaufen kann.
Bei der in 5 gezeigten Zwischenstellung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine 16 ein Nebenaggregat antreibt, das in 1 mit 98 bezeichnet ist und über eine Riemenscheibe 100 mit dem Riemen 34 und damit mit der elektrischen Maschine 16 gekoppelt ist. Bei dem Nebenaggregat 98 kann es sich um den Kompressor einer Klimaanlage handeln, der bei einer Standklimatisierung zu betreiben ist, ohne dass die Verbrennungskraftmaschine 10 arbeitet. In diesem Falle wird die in 5 gezeigte Stellung des Kupplungstopfes 72 angesteuert: Die Riemenscheibe 32 kämmt mit dem Kupplungstopf 72, dieser über den Stift 80 bzw. den Synchronisierungsring 78a, 78b mit dem gleitgelagerten Rohr 84, und es dreht sich weder das Sonnenrad 18 mit, noch der Planetenträger 38 bzw. 24. Bei Ausführung des Elements 42 als Kupplung ist diese zu öffnen, damit sich das Hohlrad 22 frei drehen kann.
Zum Riementrieb 14 ist auszuführen, dass dieser beispielsweise eine Übersetzung von 2,0962 aufweisen kann. Das Sonnenrad kann über 38 Zähne verfügen, das Planetenrad über 24 Zähne und das Hohlrad über 86 Zähne, sodass es sich in Umkehrrichtung dreht. Bei dieser Wahl der Zähnezahlen beträgt die Übersetzung des Planetengetriebes – 3,2632.
Im Falle der 3 ergibt sich aus der Übersetzung des Planetengetriebes von 3,2632 zusammen mit der Übersetzung des Riemengetriebes die Gesamtübersetzung für den Start von 6,8401.
Im Falle der Schaltstellung gemäß 4 beträgt die Übersetzung im Planetengetriebe genau 1,00, da die beiden Planetenträger 38 und 24 unmittelbar miteinander gekoppelt sind. Für den Generatorbetrieb gemäß 4 beträgt die Gesamtübersetzung dann 0,4771.
Die Gesamtübersetzung für den Generatorbetrieb gemäß 4 bei geschlossener erster Kupplung 36 ist um das 2,26-fache höher als die Übersetzung, die sich bei Schließen der ersten Kupplung 40 ergeben würde.
Hier zeigt sich der Vorteil des Bereitstellens unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse. Je nach Bedarf kann jedoch auch bei der Schaltstellung gemäß 3 Generatorbetrieb erfolgen. Bei der Schaltstellung gemäß 4 kann umgekehrt ein Boost-Betrieb erfolgen.
Um einen Wechsel zwischen den Schaltstellungen 3, 4 und hervorrufen zu können, muss Kraft auf den Kupplungstopf 72 ausgeübt werden. Insbesondere muss die Federkraft der Feder 82, die den Stift 80, gegebenenfalls mit einer Halbkugel, gegen den Rand 74 des Kupplungstopfes 72 drückt, überwunden werden. Zur Synchronisierung ist es wesentlich, dass sich zunächst die Synchronisierungsringe 78a und 78b mit einem der Ringe 68, 70 mitdrehen, was durch die Mitnehmelemente 86a, 86b ermöglicht wird, und dass dann die Synchronisierungsringe 78a, 78b den anderen der Ringe mitdrehen. Erst bei erreichter Synchronisierung kann der Rand 74 des Kupplungstopfes 72 in Eingriff an einen der Ringe 68 bzw. 70 gelangen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19941705 A1 [0002]
WO 2009/121188 A1 [0002]

Claims

Anordnung mit einem Planetengetriebe (12) und einer daran koppelbaren Riemenscheibe (32), wobei ein Sonnenrad (18) und ein Hohlrad (22) des Planetengetriebes (12) um eine Drehachse drehbar sind und zwischen Sonnenrad (18) und Hohlrad (22) Planetenräder (20) angeordnet sind, die über einen um die selbe Drehachse drehbaren Planetenträger (38, 24) miteinander gekoppelt sind, gekennzeichnet durch ein zwischen der Riemenscheibe (32) und dem Planetengetriebe (12) axial bewegliches Koppelelement (72), wobei verschiedenen Stellungen des Koppelelements (72) verschiedene Kopplungszustände entsprechen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, in der in einem ersten Kopplungszustand die Riemenscheibe (32) mit dem Sonnenrad (18) oder dem Hohlrad (22) gekoppelt ist, in der in einem zweiten Kopplungszustand die Riemenscheibe (32) von dem Planetengetriebe (12) entkoppelt ist, und in der in einem dritten Kopplungszustand die Riemenscheibe (32) mit dem Planetenträger (38, 24) gekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei dem Sonnenrad (18) oder Hohlrad (22) einerseits mit einem ersten Ring (68) gekoppelt ist und der Planetenträger (38) andererseits mit einem zweiten Ring (70) gekoppelt ist, wobei beide Ringe (68, 70) radial außen eine Verzahnung aufweisen, und wobei das Koppelelement (72) eine Verzahnung aufweist, die bei der ersten Stellung in die Verzahnung des ersten Rings (68) eingreift und bei einer zweiten Stellung in keine Verzahnung des ersten oder zweiten Rings (68, 70) eingreift und bei einer dritten Stellung in die Verzahnung des zweiten Rings (70) eingreift.
Anordnung nach Anspruch 2, bei dem das Koppelelement (72) in der zweiten Stellung in eine Verzahnung einer in die Drehachse drehbaren Einrichtung (78a, 78b) eingreift, die vom Planetengetriebe (12) entkoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem das Koppelelement (72) radial außen ebenfalls eine Verzahnung aufweist, die in eine entsprechende Verzahnung an der Riemenscheibe (32) eingreift.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem das Koppelelement (72) einen topfförmigen Abschnitt aufweist oder topfförmig ist.
Anordnung nach Anspruch 5, bei der das Koppelelement (72) eine Scheibe (88) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 6 mit einem Elektromagneten zum Bewegen der Scheibe (88).