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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur Steuerung einer Schaltung eines Fahrrades, das mit einem Unterstützungsmotor ausgestattet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind seit geraumer Zeit Fahrräder bekannt, die über eine Gangschaltung verfügen. Durch die Auswahl eines Ganges kann die Übersetzung des Fahrradantriebes an die zu bewältigende Fahrstrecke (Steigung, Gefälle, Ebene) angepasst werden, wodurch die Fahrt für den Fahrradfahrer möglichst angenehm gestaltet werden kann. Neben den Komfortvorteilen kann durch die Änderung der Übersetzung im Fahrradantrieb die Schaltung an eine gewünschte Geschwindigkeit angepasst werden. Die Komponenten einer Fahrradschaltung sind seit geraumer Zeit auf dem Markt verfügbar und umfassen im Allgemeinen einen Aufbau wie folgt. Die Pedale sind an dem Kurbeltrieb montiert, der über ein Antriebsrad, bspw. ein Kettenblatt, die Pedalkraft auf ein Umhüllungsgetriebe, bspw. eine Kette oder einen Riementrieb überträgt. Der Riementrieb leitet diese Antriebskraft an ein Abtriebsrad, das mit dem angetriebenen Hinterrad verbunden ist. Solche Antriebsräder sind bspw. Kettenräder, die als Kettenritzelpaket in unterschiedlichen Größen an der Hinterradnabe angeordnet sind. Über eine Kettenschaltung können unterschiedlich große Abtriebsräder des Ritzels geschalten werden, so dass sich die Übersetzung des Umschlingungsgetriebes ändert. Alternativ dazu sind aus dem Stand der Technik sog. Nabenschaltungen bekannt. Bei diesen ist ein Übersetzungsgetriebe in der Nabe des Hinterrades integriert.
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Weiterhin können über einen Umwerfer verschiedene Kettenblätter an der Kurbel geschalten werden.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Fahrräder bekannt, die über einen Hilfs- oder Unterstützungsmotor verfügen. In jüngster Vergangenheit nimmt deren Anzahl im Straßenbild zu. Die Hilfsmotoren sind dabei meistens als Elektromotoren ausgebildet, wodurch derartige Fahrräder im Volksmund als E-Bike oder als Pedelec bezeichnet werden. Bei diesen motorisierten Fahrrädern werden die bekannten Gangschaltungskomponenten unverändert übernommen und verwendet. Fahrradkomponenten sind jedoch nur bedingt für den Einsatz in Pedelecs geeignet, da aufgrund des motorischen Antriebs höhere Kräfte und Momente wirken und dadurch ein höherer Verschleiß herrscht. Beispielsweise setzt ein optimaler Schaltvorgang bei Fahrrädern eine Drehbewegung der Pedale mit nur geringer Last (Pedaldruck) voraus, um ein schnelles und sicheres Einlegen der Gänge ohne unerwünschte Störgeräusche und ohne damit verbundenen Verschleiß zu gewährleisten. Bei Fahrrädern mit Elektromotor schaltet der Zusatzantrieb meist nur bei einer vollständigen Unterbrechung der Trittbewegung und dann zeitverzögert die Unterstützungsleistung vollständig ab. Dadurch erfolgt ein Schalten unter Motorlast und resultiert in einem hohen Verschleiß. Typische Schadensfälle sind defekte an Getriebenaben, Schaltwerken, Kettenrisse oder Risse im Riementrieb, sowie erhöhter Verschleiß der Ritzel mit Kette bzw. des Riementriebs und dessen Antriebsräder.
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Zur Reduzierung dieser Verschleißerscheinungen schlagen die Druckschriften
DE 10 2012 204 908 A1 und
DE 20 2013 001 615 U1 eine rasche Motorunterbrechung vor, beim Wechseln der Gänge. Ausgehend von einer Bewegung des Bowdenzuges, der die Schaltung steuert und damit den Gangwechsel ausführt, wird der Elektromotor abgeschaltet. Die Erfassung der Bewegung des Bowdenzuges hat als Indikator für einen beabsichtigten Gangwechsel jedoch den Nachteil, dass der Gangwechsel bereits eingeleitet wird, während auf den Antrieb die muskuläre Pedalkraft und die Antriebskraft des Motors wirken. Zu Beginn des Schaltvorganges liegt deshalb ein hoher Verschleiß an den Antriebskomponenten an.
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Aus der
DE 10 2013 207 636 A1 ist eine Vorrichtung zum Abschalten einer Unterstützung durch einen ein Fahrrad unterstützend antreibenden Elektromotor bekannt, welche ein erstes Sensorelement, das ortsfest an dem Fahrrad anbringbar ist, und ein zweites Sensorelement, das an einem betätigbaren Schaltelement einer Gangschaltung des Fahrrads anbringbar ist, umfasst, wobei die Sensorelemente derart zusammenwirken, dass bei Betätigen des Schaltelements eine Unterstützung des Fahrrads durch den Elektromotor unterbrochen ist, das Schaltelement ein entlang einer Zugelementlängsachse betätigbares Zugelement ist und das zweite Sensorelement als ein um eine Sensorrad-Drehachse drehbares und federnd gehaltenes Sensorrad ausgeführt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Schalteinrichtung anzugeben, die sich durch geringen Verschleiß an den Antriebskomponenten eines Elektrofahrrads auszeichnet. Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung eine Schalteinrichtung anzugeben, mit der der Verschleiß an den Schaltungselementen eines Elektrofahrrads weiter reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Schalteinrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Schalteinrichtung, zur Steuerung einer Schaltung eines Fahrrads, das mit einem Unterstützungsmotor ausgestattet ist, vor, mit einer Betätigungsvorrichtung, zum Auslösen eines Gangwechsels der Schaltung und einer Erfassungseinrichtung, mit der eine Betätigung der Schalteinrichtung erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung ein Signal ausgibt, auf Basis dessen die Antriebsleistung des Unterstützungsmotors zumindest reduzierbar ist. Die Erfassungseinrichtung kann ein Signal unmittelbar an den Elektromotor ausgeben, bspw. in Form eines Unterbrechungssignals. Alternativ dazu kann die Erfassungseinrichtung ein Signal an eine Steuereinrichtung ausgeben, das in der Steuereinrichtung verarbeitet wird, wobei basierend darauf die Steuereinrichtung ein Unterbrechungssignal an den Motor ausgibt. Beide Varianten bieten den Vorteil, dass bereits unmittelbar bei der Berührung der Betätigungseinrichtung durch einen Bediener die Unterstützungsleistung des Unterstützungsmotors reduziert wird. Dadurch ist sichergestellt, dass wenn ein Schaltvorgang beginnt, die Antriebskraft, die auf die Schaltkomponenten wirkt, reduziert wird.
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Weiterhin ist eine Kraft FE zum Auslösen des Signals kleiner, als eine Kraft FB zum Bedienen der Betätigungseinrichtung. Derartige Betätigungseinrichtungen werden von einem Bediener mit dem Finger oder mit der gesamten Hand betätigt. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass der Bediener eine Fingerkraft auf die Betätigungseinrichtung ausübt, wobei die Kraft ab dem Berührungszeitpunkt bis zum Auslösen des Schaltvorgangs stetig oder sprunghaft/diskret ansteigt. Vorteilhafterweise erreicht die Kraft zuerst ein kleineres Kraftniveau FE, das ausreicht, um das Signal auszulösen, das die Unterstützungsleistung des Motors reduziert. Danach steigt die Bedienerkraft weiter an, bis sie ein Niveau FB erreicht, das ausreicht, um einen Gangwechsel auszulösen. Somit ist sichergestellt, dass immer vor dem Beginn des Gangwechsels die Motorleistung des Unterstützungsmotors reduziert wird.
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Weiterhin kann die Kraft FE zum Auslösen des Signals kleiner sein, als die Kraft FB zum Bedienen der Betätigungseinrichtung, jedoch größer sein als eine Kraft FL zum Durchführen eines Leerweges der Betätigungseinrichtung. Handelsübliche Betätigungseinrichtungen weisen eine Leerbetätigung auf, bei der ein Schalthebel bspw. eine Hub- oder Drehbewegung durchführt, während der Bowdenzug und damit die Schaltung jedoch keine Bewegung macht. Dies ist im Stand der Technik vorgesehen, um zu verhindern, dass ein Bediener unabsichtlich einen Schaltvorgang auslöst. Der Bediener kann folglich einen Finger auf die Betätigungseinrichtung legen, wobei sich diese um einen vorbestimmten Weg bewegt, ohne einen Schaltvorgang auszulösen. Die Erfindung eignet sich somit auch für die Integration in handelsübliche Schalteinrichtungen mit Leerbewegung. Damit ist sichergestellt, dass eine Reduzierung der Motorleistung nur durchgeführt wird, wenn ein Bediener eine Kraft auf die Betätigungseinrichtung ausübt, deren Niveau größer ist, als eine Kraft zur Durchführung einer Leerbewegung und größer ist als die Kraft FE zum Auslösen des Signals. Beim Betätigen der Betätigungseinrichtung bewegt sich diese somit zunächst um den Hub der Leerbewegung, bevor sie auf einen Widerstand stößt. Dieser Widerstand führt dazu, dass die Kraft, die der Bediener auf die Betätigungseinrichtung ausübt, ansteigt, bis sie zuerst die Kraft FE zum Auslösen des Signals überschreitet und anschließend die Kraft zum Bedienen der Betätigungseinrichtung, bzw. zum Auslösen eines Gangwechsels.
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Alternativ dazu kann in einer anderen Ausführungsform die Kraft FE zum Auslösen des Signals kleiner sein als die Kraft FB zum Bedienen der Betätigungseinrichtung und auch kleiner sein als eine Kraft FL zum Durchführen eines Leerweges der Betätigungseinrichtung. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass schon während die Betätigungseinrichtung einen Leerweg durchführt, die Unterstützung durch den Motor abgeschaltet ist. Dadurch wird eine sehr schnell reagierende Abschaltung bzw. Zuschaltung der Motorunterstützung sichergestellt.
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Die Erfassungseinrichtung ist in der Betätigungseinrichtung integriert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung auf einer Berührfläche der Betätigungseinrichtung angeordnet. Die Berührfläche ist der Bereich der Oberfläche der Betätigungseinrichtung, die von einem Bediener mit einem Finger berührt werden kann, um eine ausreichende Kraft auf die Betätigungseinrichtung auszuüben, so dass ein Gangwechselvorgang ausgelöst wird.
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Die Erfassungseinrichtung kann insbesondere als elektrischer Schalter, als Mikroschalter und/oder als Druckmessfolie ausgebildet sein. Damit wird von der Erfassungseinrichtung ein elektrisches Signal ausgegeben zur Reduzierung der Unterstützungsmotorleistung. Alternativ dazu kann die Erfassungseinrichtung auch als optischer Sensor, beispielsweise als Photodiode ausgebildet sein. Dadurch kann eine vollkommen kraftfreie Auslösung realisiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch das Signal die Motorleistung des Unterstützungsmotors gänzlich abgeschalten. Dies bietet zum einen den Vorteil, dass so die Antriebskomponenten nur noch durch die Last der Pedalkraft bzw. durch die Antriebsleistung des Bedieners beaufschlagt sind. Zum anderen wird dadurch die Belastung auf die Antriebskomponenten sogar unterhalb des Belastungsniveaus des reinen Fahrradbetriebes reduziert. Zur Verdeutlichung soll dieser Effekt an folgendem Beispiel erläutert werden. Würde ein Fahrrad bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit bewegt werden, so müsste hierfür der Fahrradfahrer eine der Geschwindigkeit entsprechenden Pedallast aufbringen. Ein Gangwechsel würde also unter dieser ersten Last erfolgen. Betrachtet man nun den Fall, indem ein Pedelec in derselben vorbestimmten Geschwindigkeit bewegt wird, so wirkt auf den Antrieb dieselbe Last. Diese Last setzt sich zusammen aus der Pedallast, die der Fahrer aufbringt und der Last des elektrischen Motors. Betätigt der Pedelec-Fahrer erfindungsgemäß analog wie im Fahrradbetrieb die Schaltung, so wird die Last des Elektromotors schlagartig abgeschaltet und nur noch die Pedallast auf die Antriebskomponenten wirken. Diese Pedallast ist jedoch kleiner als die Pedallast, die bei einem Fahrrad herrschen würde. Folglich können mithilfe dieser Erfindung handelsübliche Komponenten aus dem Fahrradbau für elektrisch unterstützte Fahrräder verwendet werden. Vorteilhafterweise ergibt sich dabei sogar ein geringerer Verschleiß, beim Schalten unter Last.
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Im Folgenden soll die Erfindung nochmals kurz in anderen Worten zusammengefasst und deren Vorteile genannt werden. Durch die Integration einer Erfassungseinrichtung in eine Betätigungseinrichtung kann eine Schaltbedieneinheit bzw. eine Schalteinrichtung realisiert werden, mit der eine sofortige Abschaltung oder Reduzierung der Motorleistung des Unterstützungsmotors erzielt wird. Dadurch wird innerhalb kürzester Zeit eine Umschaltung auf reinen Pedalantrieb ohne Motoreingriff ermöglicht, wodurch sich Verschleißerscheinungen an den Antriebskomponenten reduzieren lassen. Analog zum klassischen Fahrradantrieb, hat der Fahrer dann auch noch die Möglichkeit, ohne Pedaldruck den Schaltvorgang völlig lastfrei und zügig durchzuführen. Mit der erfindungsgemäßen Schaltbedieneinheit erfolgt der Eingriff in die Motorsteuerung unmittelbar kurz vor dem Schaltvorgang (Abschaltung / Reduzierung) bzw. nach dem Schaltvorgang, wobei beim Loslassen der Schaltbedieneinheit eine Zuschaltung der Motorunterstützung bzw. eine Anhebung des Unterstützungsmoments erfolgt.
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Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch ein Komfort-Gewinn für den Fahrer, da das Schalten eines motorunterstützten Elektrofahrrads nun analog wie bei nicht unterstützten Fahrrädern vonstattengeht. Die vollständige Abschaltung der Unterstützungsleistung des Motors bietet den Vorteil einer besonders robusten und simplen Lösung, wobei Anpassungen unterschiedlicher Motorsteuerungen nicht notwendig sind.
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Die Entkoppelung der Motorabschaltung von der Schaltmechanik ermöglicht dem Fahrer eine direkte Kontrolle über den Zeitpunkt der Abschaltung/Zuschaltung der Unterstützungsleistung. Die erfindungsgemäße Schaltmechanik ist somit völlig losgelöst von der Schaltseilzug-Bewegung oder von der Schaltseilzugspannung bzw. hiervon entkoppelt. Dabei kann der Fahrer kann auch problemlos mehrere Gangstufen hoch-/runterschalten. Eine Motorunterstützung setzt erst (wieder) ein, wenn die Unterbrechung aufgehoben ist. Der individuellen, fahrerspezifischen Schaltbedienung (z.B. unterschiedlichste Betätigungsdauer; stockende Trittfrequenz, zeitgleiche Betätigung der Rücktrittbremse) wird somit auch Rechnung getragen.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung erläutert werden. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche zeigen Ausführungsformen der Erfindung, deren Merkmale ein Fachmann auch in anderer Kombination in Betracht ziehen würde zur Anpassung an andere Anforderungen.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Schalteinrichtung in zwei verschiedenen Positionen und
- 2a bis 2c eine zweite Ausführungsform der Schalteinrichtung in unterschiedlichen Betätigungszuständen.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Schalteinrichtung 10 in einer unbetätigten Stellung (Position 1) und einer betätigten Stellung (Position 2) abgebildet. Die Schalteinrichtung 10 umfasst eine Betätigungseinrichtung 11, hier als Schalthebel dargestellt und eine Erfassungseinrichtung 12. Die Erfassungseinrichtung 12 ist hier als Schalter ausgebildet, der sich über eine Tellerfeder 13 gegenüber der Betätigungseinrichtung 11 abstützt, ausgebildet. Durch Beaufschlagen der Betätigungseinrichtung 11 mit einer Kraft FE, wobei ein Bediener mit einem Finger auf eine Oberfläche der Erfassungseinrichtung 12 drückt, bewegt sich zuerst die Erfassungseinrichtung 12 in Richtung der Betätigungseinrichtung 11 entgegen der Federkraft der Tellerfeder 13. Die Erfassungseinrichtung 12 detektiert folglich die Berührung eines Bedieners und gibt ein Signal zur Reduzierung der Leistung des Unterstützungsmotors aus. Bei weiterer Beaufschlagung mit einer größeren Kraft FB, wird eine Bewegung der Betätigungseinrichtung 11 erzeugt, wobei sich diese um einen Drehpunkt in Richtung des Pfeiles R verschwenken lässt. Dadurch wird ein Bowdenzug betätigt, der an einer Schalteinrichtung, bspw. einer Kettenschaltung oder einer Nabenschaltung einen Gangwechsel auslöst. Nach dem Durchführen des Gangwechsels, wenn der Bediener die Schalteinrichtung 10 los lässt, springt die Betätigungseinrichtung 11 in die Ursprungsstellung Position 1 zurück. Dabei wird auch die Erfassungseinrichtung 12 durch die Tellerfeder 13 in ihre ursprüngliche Stellung zurückgestellt, wobei die Unterstützungsleistung des Motors wieder erhöht wird, bzw. der Motor wieder eingeschalten wird.
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Bei einer alternativen Schalteinrichtung, die nicht in den Figuren dargestellt ist, führt die Betätigungseinrichtung eine Leerbewegung durch, bei der noch kein Schaltsignal und auch kein Signal von der Erfassungseinrichtung ausgegeben wird. Am Ende dieser Leerbewegung nimmt die Betätigungseinrichtung eine Stellung ein, die der Position 1 in 1 entsprechen würde.
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Die 2a bis 2c zeigen eine alternative Ausführungsform der Schalteinrichtung 10, bei der die Schalteinrichtung als Drehgriff ausgebildet ist. Ein Drehgriff 10 wird durch umschließen mit der ganzen Hand betätigt. Gleiche Bezugszeichen benennen gleiche Bauteile wie in der 1. 2a zeigt einen Schnitt durch einen Lenker 14, auf den eine Schalteinrichtung 10 montiert ist. Die Schalteinrichtung 10 weist einen äußeren Ring auf, der als Erfassungseinrichtung 12 ausgebildet ist. Durch Drehung im Gegenuhrzeigersinn, d.h. entlang der Drehrichtung des Pfeiles R bewegt sich die Erfassungseinrichtung 12 gegen die Kraft der Schraubenfeder 13. Die Erfassungseinrichtung 12 umfasst einen radial nach innen ausgerichteten Mitnehmer 12a, der mit einem Gegenstück an der Betätigungseinrichtung 11 in Eingriff gebracht werden kann. Dies ist in der 2b dargestellt, wobei auf die Abbildung einer komprimierten Schraubenfeder 13 verzichtet wurde, aus Übersichtlichkeitsgründen. In der in 2b dargestellten Abbildung liegt der Mitnehmer 12a der Erfassungseinrichtung 12 auf einem radial nach außen gerichteten Anschlag 11a der Betätigungseinrichtung 11 auf. Durch eine weitere Verdrehung der Erfassungseinrichtung 12 wird die Betätigungseinrichtung 11 mitgedreht und dadurch ein Schaltvorgang ausgelöst. In 2b ist eine Position dargestellt, in der die Erfassungseinrichtung ein Signal ausgibt, durch das die Leistung des Unterstützungsmotors reduziert bzw. abgeschalten wird. In der 2c ist eine Position dargestellt, in der ein Gangwechsel ausgelöst wird.
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Obwohl die Erfindung anhand eines Schalthebels und eines Drehgriffs in den 1 und 2a bis 2c erläutert wurde, soll sie nicht darauf beschränkt sein. Es ist denkbar, dass mit einem Schalthebel bzw. einem Drehgriff Gangwechsel jeweils in den nächst höheren oder in den nächst niedrigeren Gang möglich sind. Hierzu können verschiedene Betätigungseinrichtungen 11 vorgesehen sein als separate Elemente. Alternativ dazu kann auch eine einzelne Betätigungseinrichtung vorgesehen sein, die jeweils in eine erste Richtung beweglich ist, um in einen nächsthöheren Gang zu schalten und in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung beweglich ist, zum Schalten in einen nächst niedrigeren Gang. In diesem Fall sind an einer Betätigungseinrichtung zwei Erfassungseinrichtungen vorzusehen, so dass in jeder der beiden möglichen Bewegungsrichtungen eine Leistungsreduzierung oder Abschaltung des Motors durchgeführt werden kann.
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Ferner soll die Erfindung auch nicht auf Schaltungseinrichtungen beschränkt sein, die über einen Bowdenzug betreibbar sind. Seit geraumer Zeit haben sich auch sog. elektronische Schaltungen durchgesetzt, insbesondere im hochpreisigen Fahrradsegment, bei denen ein Schaltsignal von einem Schalthebel zu einem Schaltwerk elektrisch über ein Kabel oder sogar drahtlos übertragbar ist. Auf derartige Schaltungen ist die vorliegende Erfindung ebenfalls anwendbar. Dabei wird ein erstes Signal von der Erfassungseinrichtung zur Motorunterbrechung ausgesendet und ein zweites Signal von der Betätigungseinrichtung zur Durchführung eines Gangwechsels ausgegeben.
