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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umbau eines Fahrzeugs, welches einen Frontmotor, der als ein Verbrennungsmotor ausgebildet ist, und einen Vorderradantrieb aufweist, und die Hinterräder mit Gelenkwellen für einen konventionellen Vierradantrieb vorbereitet sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit einem Frontmotor, der als ein Verbrennungsmotor ausgebildet ist, einem Vorderradantrieb und Hinterrädern mit Gelenkwellen, welche für einen konventionellen Vierradantrieb vorbereitet sind gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Es besteht ein zunehmender Bedarf an sogenannten Hybridfahrzeugen, also Fahrzeugen, welche sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen elektrischen Antrieb aufweisen. Aufgrund von gesetzlichen Vorgaben oder Luftreinhaltungsbestimmungen besteht eine steigende Anzahl von Bereichen, in welchen Fahrzeuge nicht mehr mit einem Verbrennungsmotor betrieben werden dürfen. Dies kann etwa bei bestimmten Innenstadtbereichen, Umweltschutzzonen oder innerhalb von Gebäuden verlangt sein. Zudem weisen Hybridfahrzeuge Effizienzvorteile bei Antrieb und Leistung auf.
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Allerdings sind Hybridfahrzeuge im Neukauf sehr teuer. Bestimmte Modelle werden überhaupt nicht als Hybridfahrzeuge angeboten. Ebenso sind auf dem Gebrauchtwagenmarkt Hybridfahrzeuge relativ selten und weiterhin hochpreisig.
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Die Erfindung befasst sich mit der Problematik des steigenden Bedarfes an kosteneffizienten Hybridfahrzeugen.
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Zur Lösung dieser Problematik wird nach der Erfindung ein Verfahren zum Umbau eines Fahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Umbau eines Fahrzeugs ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Hinterräder mindestens ein Elektromotor vorgesehen wird, dass der mindestens eine Elektromotor über mindestens eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung mit den Gelenkwellen der Hinterräder verbunden wird, dass eine Batterieeinheit zum Versorgen des mindestens einen Elektromotors mit elektrischer Energie angeordnet wird und dass eine Steuereinheit vorgesehen wird, welche mit einem Gaspedal in Wirkverbindung gesetzt wird und über welche eine Zuschaltung der Elektromotoren ermöglicht wird.
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Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, bestimmte herkömmliche Fahrzeuge in kostengünstiger Weise auf einen Hybridantrieb umzurüsten. Nach einer Erkenntnis der Erfindung kann dies in besonders effizienter Weise bei Fahrzeugen mit einem Frontmotor und einem Vorderradantrieb erreicht werden, welche grundsätzlich für einen konventionellen Vierradantrieb vorbereitet sind. Denn viele Fahrzeughersteller bieten Modelle sowohl als Vorderradantrieb als auch als Vierradantrieb an. Dabei wird oftmals aus Gründen der Produktionseffizienz unabhängig von der Antriebsart die Bodengruppe mit Gleichteilen aufgebaut. Insbesondere sind Gelenkwellen zum Antrieb der Hinterräder vorgesehen, welche für einen konventionellen Vierradantrieb mittels einer sogenannten Kardanwelle und Differentialgetriebe vorgesehen sind. Derartige Fahrzeuge können nach der Erfindung in besonders effizienter Weise nachträglich zu einem Hybridfahrzeug umgebaut oder umgerüstet werden.
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Nach der Lehre der Erfindung ist es hierbei vorgesehen, an den Gelenkwellen der Hinterräder mindestens einen Elektromotor zuzuordnen. Die Gelenkwelle wird dann über eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung mit dem zugeordneten Elektromotor verbunden. Die Drehmomentübertragungseinrichtung, welche Zahnräder, Riemen, Ketten oder sonstige Übertragungselemente aufweisen kann, kann vorzugsweise mit der bestehenden Antriebsverzahnung an den Gelenkwellen gekoppelt werden.
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Die Erfindung umfasst ausdrücklich auch ein Fahrzeug, bei dem die Hinterräder über einen Frontmotor oder Heckmotor angetrieben sind, wobei die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit mit den Gelenkwellen der Vorderräder verbunden ist. Die erfindungsgemäße Umrüstung ist also von der Anordnung des Motors und der konventionell angetriebenen Räder unabhängig durchführbar.
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Nach der Erfindung ist dann noch eine entsprechende Batterieeinheit, insbesondere mit Lithiumionen-Akkus zur Versorgung der Elektromotoren mit elektrischer Energie vorzusehen. Weiterhin wird eine Steuereinheit angeordnet, welche zur Zuschaltung und Steuerung des mindestens einen Elektromotors vorgesehen ist. Die Steuereinheit kann dabei in beliebiger Weise vorgesehen werden, wobei diese vorzugsweise mit dem Gaspedal in Wirkverbindung gesetzt wird. Weiterhin ist die Steuereinheit, welche vorzugsweise im Bereich des Fahrers angeordnet ist, mit einem intelligenten Display und/oder mit Schaltelementen versehen, mit welchen ein Fahrer den Hybridantrieb aktivieren kann.
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Die Steuereinheit umfasst eine Steuerungselektronik, welche am Fahrzeug-CANbus angeschlossen wird. Diese ist so geartet, dass keine Umprogrammierung des Fahrzeug-CANbus oder Neu-Parametrierung der Steuergeräte notwendig ist. Dabei ist eine sogenannte Listen-CAN-Funktion gegeben, bei welcher die Steuereinheit des Nachrüst-Hybridantriebs nur mitliest, die vorhandenen Steuergeräte aber nicht beeinflusst. Mit der erfindungsgemäßen Nachrüstung kann ein Fahrzeug erreicht werden, welches zumindest zeitweise als ein Vierradantrieb betrieben werden kann, so dass eine insgesamt bessere Traktion gegeben ist. Abhängig von der Art der Steuerung können höhere Drehmomente und/oder eine bessere Beschleunigung erzielt werden. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäß umgerüstete Fahrzeug mit einer Rekuperation ausgebildet, wobei der mindestens eine Elektromotor als ein Generator betrieben wird und in bestimmten Betriebssituationen, etwa beim Bremsen, elektrische Energie in die Batterieeinheit einspeist. Hierdurch wird insgesamt das Abgasverhalten verbessert und der System-Wirkungsgrad gesteigert. Aufgrund der im Fahrzeug gegebenen höheren Batteriekapazität besteht zudem ein Zusatznutzen für Anwendungen mit höherem Stromverbrauch, etwa im Camping- oder Utility-Bereich.
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Bevorzugt wird der mindestens eine Elektromotor mit Gleichstrom mit einer Betriebsspannung von unter 60 V, vorzugsweise mit 24 V oder 48 V betrieben. Hierdurch können Vorkehrungen entfallen, welche ansonsten etwa bei Wartungszwecken bei elektrischen Hochspannungssystemen notwendig wären. Zudem können insgesamt kostengünstige Komponenten verwendet werden. Zudem vereinfacht sich der Aufwand für Installation und Isolierung.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass jeder Gelenkwelle der Hinterräder ein Elektromotor zugeordnet wird und dass jede Gelenkwelle mit dem zugeordneten Elektromotor über eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung verbunden wird. Somit wird jedes Hinterrad über einen eigenen Elektromotor angetrieben. Dies sorgt für besonders hohe Leistungen. Vorzugsweise sind die beiden Motoren an einem gemeinsamen Getriebe montiert, das mittig in zwei im Wesentlichen baugleichen Hälften zerlegt werden kann. Die Elektromotoren, welche vorzugsweise Gleichstromelektromotoren sind, weisen eine Leistung von vorzugsweise zwischen 20 bis 30 kW auf.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Drehmoment-Übertragungseinrichtung mit mindestens einem Riementrieb versehen wird. Die Drehmoment-Übertragungseinrichtung kann dabei vorzugsweise ein Getriebe mit einem einstufigen oder zweistufen Riementrieb aufweisen. Ein Riementrieb ist leise, kostengünstig, wartungsarm und fettfrei. Die Verwendung eines Riementriebes hat zudem den Vorteil, dass bei einem auftretenden Defekt des Elektromotors, wie eine blockierende Motorwelle durch plötzlichen Kurzschluss, Fremdkörper, Lagerschäden etc., der Riemen als Sicherheitselement wirkt und im Notfall bei Überlast abreißen kann. Hierdurch wird zuverlässig ein Blockieren der Hinterräder verhindert, wobei das Fahrzeug steuerbar bleibt.
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Weiterhin ist es nach einer erfindungsgemäßen Weiterbildung vorteilhaft, dass die Drehmoment-Übertragungseinrichtung mit einem Getriebe zur Drehmomentwandlung versehen wird. Sofern die Drehmomentwandlung mit dem Riemenantrieb noch nicht ausreichend ist, kann ein weiteres Über- oder Untersetzungsgetriebe zwischen der Gelenkwelle und dem Elektromotor vorgesehen sein. Unter der Gelenkwelle ist allgemein eine Welle zu verstehen, welche zum Antrieb des Hinterrades dient. Die Über- oder Untersetzung des Antriebs kann auf die jeweilige bevorzugte Anwendung zugeschnitten sein. So kann der Elektroantrieb für den gesamten Geschwindigkeitsbereich eines Fahrzeuges von bis zu 200 km/h und mehr mit einem leichten Drehmoment an der Hinterradachse unterstützend sein. Alternativ kann das Getriebe besonders für langsame Geschwindigkeiten, zum Beispiel mit einem Geschwindigkeitsbereich von 0 bis 50 km/h, ausgelegt sein, wobei ein hohes Drehmoment an den Hinterrädern angelegt wird. Dies ist für rein elektrische Fahrten, im Stop-and-Go-Verkehr oder im Zulieferverkehr vorteilhaft. Im letztgenannten Fall besteht die Gefahr, dass der elektrische Zusatzantrieb bei Autobahnfahrten, also bei hohen Geschwindigkeiten überlastet oder überdreht. Unter anderem für diesen Fall wird nach einer Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise an einem Motorritzel des Elektromotors oder am Abtrieb an die Gelenkwelle ein Freilauf vorgesehen. Dadurch kann der Elektromotor bei Fahrten mit Verbrennungsmotor bei hohen Geschwindigkeiten nicht mehr überdreht werden. So können auch Schleppverluste vermieden werden. Um dabei eine rein elektrische Rückwärtsfahrt oder einen Schubbetrieb zur Rückspeisung elektrischer Energie in die Batterie zu erreichen, ist vorzugsweise eine zweite, parallel angeordnete Reihe von Riemenscheiben mit abweichender Größe und umgekehrt gerichtetem Freilauf angeordnet. Es wirken bei dieser Paarung dann andere Übersetzungsverhältnisse bei Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt. So kann, ohne dass eine Kupplung oder andere Zusatzelemente benötigt werden, mit zwei unterschiedlichen Übersetzungen angetrieben und eine Rückspeisung im Rekuperationsbetrieb vorgesehen werden. Dabei hat das erfindungsgemäße Konzept den Vorteil, dass das Fahrzeug in Ortschaften oder im Gelände bei langsamer Fahrt eine erhöhte Steigfähigkeit hat. Ein Einsatz für Post- oder Zulieferverkehr ist auch rein elektrisch möglich. Bei der Fahrt auf der Autobahn oder Schnellstraße mit hoher Geschwindigkeit kann die Batterie wieder aufgeladen werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass über die Steuereinheit die Elektromotoren ergänzend oder alternativ zu dem Verbrennungsmotor zugeschaltet werden. Es kann somit ein echter Hybridantrieb mit einem Antrieb aller vier Räder und alternativ ein reiner Antrieb über den Verbrennungsmotor mit den Vorderrädern oder ein reiner Elektroantrieb über die Hinterräder erfolgen. Die Steuereinheit weist dabei ein Bedienmodul auf, welches im Fahrzeug, insbesondere im Bereich des Fahrers, etwa auf dem Armaturenbrett, angebracht werden kann.
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Vorzugsweise ist das Bedienmodul mit einem intelligenten Display, also einem berührungsempfindlichen Display versehen. Damit können die Betriebsart über das Display eingegeben werden. Alternativ oder ergänzend können auch Schaltelemente vorgesehen sein.
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Die erfindungsgemäße Umrüstung kann grundsätzlich bei jedem Fahrzeug erfolgen, bei welchen die Hinterräder mit einer Antriebswelle versehen sind. Dies ist bei zahlreichen Neuwagen gegeben, obwohl diese aufgrund des Fehlens einer Kardanwelle nicht als Vierradantrieb ausgebildet sind. Es ist sogar möglich, bestehende Vierradantriebe durch Ausbau der Kardanwelle und/oder des Differentialgetriebes entsprechend der Erfindung in ein Hybridfahrzeug umzubauen.
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Besonders bevorzugt ist es nach der Erfindung, dass als Fahrzeug ein Transporter verwendet wird. Insbesondere Transporter vom Typ VW T5 und T6 (eingetragene Marken) sind für die erfindungsgemäße Umrüstung besonders geeignet. Derartige Transporter weisen an der Bodengruppe ausreichend Freiraum auf, weil sie etwa für Zusatztanks von Campingfahrzeugen Platz aufweisen. In einem solchen Freiraum können die Elektromotoren und die Batterieeinheit eingesetzt werden, welche vorzugsweise gemeinsam als eine Moduleinheit kompakt zusammengefasst sind.
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Grundsätzlich kann die Batterieeinheit jedoch an jeder geeigneten Stelle im Fahrzeug, insbesondere in einem Koffer- oder Laderaum vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, dass der mindestens eine Elektromotor und/oder die Batterieeinheit an einer Bodengruppe des Fahrzeugs angeordnet sind. Die Bodengruppe weist dabei in der Regel vorgesehene Aufhängepunkte auf, an welchen zusätzliche Komponenten angebracht werden können.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses nachträglich zu einem Hybridfahrzeug umgebaut ist, insbesondere nach dem zuvor beschriebenen Verfahren, wobei zum Antrieb der Hinterräder mindestens ein Elektromotor angebaut ist, der mindestens eine Elektromotor über eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung mit den Gelenkwellen verbunden ist, eine Batterieeinheit zum Versorgen des mindestens einen Elektromotors mit elektrischer Energie angeordnet ist und eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche mit einem Gaspedal in Wirkverbindung steht und über welche eine Zuschaltung des mindestens einen Elektromotors ermöglicht ist. Mit diesem Umrüstfahrzeug können die zuvor beschriebenen Vorteile erzielt werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeuges besteht darin, dass zwei Elektromotoren vorgesehen sind, dass jeder Gelenkwelle ein Elektromotor zugeordnet ist und dass zum Betreiben der Elektromotoren ein gemeinsamer DC-Drehzahlregler vorgesehen ist, welcher zum Erzeugen einer elektronischen Differentialsperre ausgebildet ist. Um eine Kosteneinsparung zu erzielen, werden Gleichstrom-Elektromotoren verwendet, die – im Falle einer Parallelschaltung von zwei Motoren – an nur einem gemeinsamen DC-Drehzahlregler, also einem Gleichstrom-Drehzahlregler, betrieben werden können. Der bereitgestellte Strom verteilt sich automatisch auf beide Elektromotore symmetrisch, wenn diese den gleichen Innenwiderstand aufweisen und mit gleicher Drehzahl betrieben werden. Verliert ein Hinterrad an Traktion, so sinkt das anliegende Drehmoment. Damit sinkt auch die Gleichstromaufnahme des zugeordneten Elektromotors. Dabei erfährt der Elektromotor des anderen Hinterrads einen Stromüberschuss und steigert automatisch sein Drehmoment. Hierdurch wird also die Funktion einer elektronischen Differential(teil-)sperre erzielt. Hierdurch kann die Anordnung einer aufwändigen mechanischen Differentialsperre entfallen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, dass zum Bilden der Drehmomentübertragungseinrichtung an den Ausgangswellen von zwei Elektromotoren jeweils ein Motorritzel angeordnet ist, welches jeweils über einen Zahnriemen mit einer Abtriebsriemenscheibe an den Gelenkwellen verbunden ist, und dass die beiden Abtriebsriemenscheiben koaxial und nebeneinander angeordnet sind und sich gegeneinander abstützen, wobei die beiden Abtriebsriemenscheiben relativ zueinander drehbar gelagert sind. Die beiden Abtriebsriemenscheiben sind dabei gegenüber den zugeordneten Motorritzeln durchmessergrößer. Die beiden Abtriebsriemenscheiben sind jeweils in einem Getriebegehäuse gelagert und stützen sich innen gegenseitig ab. Eine Abtriebsriemenscheibe hat eine zentrale Welle, während die andere Abtriebsriemenscheibe innen eine Wellenlagerung aufweist. Die beiden Elemente werden bei der Montage ineinandergesteckt und sind somit voneinander drehzahlunabhängig gelagert. Die Abtriebsriemenscheiben sind so gefertigt, dass sie gleichzeitig außen die Enden der Gelenkwellen aufnehmen. Die Riemenscheiben können für einen Keilriemen, einen Poly-V-Riemen oder vorzugsweise einen Zahnriemen ausgebildet sein. Eine korrespondierende Ausbildung weist auch das Motorritzel auf.
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Die Steuereinheit mit der Gleichstrom-Leistungselektronik regelt Drehzahl und Drehmoment der Elektromotoren und sitzt vorzugsweise zwischen den Elektromotoren und der Batterie. Ein kleines intelligentes Display der Steuereinheit kann auf dem Armaturenbrett montiert werden. Durch das Auslesen der ABS-Raddrehzahlen durch die Steuereinheit können Fahrstabilisationsfunktionen realisiert werden.
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Weiterhin ist die Steuereinheit so ausgebildet, dass diese einen kalten Startzustand des Verbrennungsmotors erkennen kann, etwa mittels eines vorhandenen Temperaturfühlers zum Messen der Motortemperatur, wobei durch die Steuereinheit der Lastpunkt für den Rekuperationsmodus erhöht wird. Der Motor wird somit schneller warm und zeigt ein besseres Abgasverhalten (aktives „low point-shifting“).
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Die Batterieeinheit kann vorzugsweise beim Einsatz des Fahrzeuges als ein Camping- oder Nutzfahrzeug zur Bordspannungs-Unterstützung oder als eine Versorgungquelle für Zusatzfunktionen verwendet werden. Zudem kann die Batterieeinheit auch zur Speicherung von Strom dienen, welcher über Solarzellen, etwa auf dem Dach des Fahrzeuges, eingespeist wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter erläutert, welche schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges von unten;
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2 eine vergrößerte Darstellung der elektrischen Antriebseinheit gemäß 1;
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3 eine perspektivische Darstellung der Antriebseinheit gemäß 2 und
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4 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Teil der elektrischen Antriebseinheit gemäß der Erfindung.
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Gemäß dem Ausschnitt nach 1 eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges 10 ist an einer Bodengruppe 16 an einem Querträger 17 des Fahrgestells des Fahrzeuges 10 eines elektrische Antriebseinheit 19 mit zwei Elektromotoren 20 und einer Batterieeinheit 40 angebaut. Über die Elektromotoren 20 werden Gelenkwellen 18 drehend angetrieben. Hinterräder 12 sind über eine Radaufhängung 14 an dem Fahrgestell des Fahrzeuges 10 in bekannter Weise angebracht. Die Gelenkwellen 18 dienen als Antriebswellen zum Antreiben der Fahrzeugräder 12. Derartige Antriebs- und Gelenkwellen 18 sind häufig bei frontgetriebenen Fahrzeugen bereits vom Hersteller eingebaut oder deren Einbau zumindest vorbereitet, so dass derartige Fahrzeuge 10 gemäß der Erfindung in effizienter Weise zu einem Hybridfahrzeug mit einem Elektroantrieb umgerüstet werden können.
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Die elektrische Antriebseinheit 19 von 1 ist näher in 2 dargestellt. Die Batterieeinheit 40 weist dabei ein kastenförmiges Gehäuse auf, an welchem zwei Halteplatten 24 parallel zueinander in einem Mittenbereich befestigt sind. Die Halteplatten 24 bilden ein offenes Gehäuse 22 an welchem jeweils seitlich ein Elektromotor 20 angeflanscht ist. Eine Antriebswelle des jeweiligen Elektromotors 20 erstreckt sich nach innen in das offene Gehäuse 22, wobei an den Antriebswellen jeweils ein Motorritzel 32 angeordnet ist. Das Gehäuse 22 kann mit einer Abdeckung geschlossen werden. Über einen nicht-dargestellten Zahnriemen wird das Drehmoment der Elektromotoren 20 über das jeweilige Motorritzel 32 auf eine durchmessergrößere Antriebsriemenscheibe 34 übertragen. Die Antriebsriemenscheiben 34 stehen in drehfester Verbindung mit den Gelenkwellen 18, welche jeweils in drehender Verbindung mit den in 2 nicht gezeigten Hinterrädern 12 stehen. Motorritzel 32 und Antriebsriemenscheibe 34 bilden zusammen mit dem nicht-dargestellten Zahnriemen jeweils eine Drehmomentübertragungseinrichtung 30.
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Eine perspektivische Ansicht der elektrischen Antriebseinheit 19 gemäß 2 ist in 3 dargestellt, wobei für die gleichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen vergeben sind. Die elektrische Antriebseinheit 19 ist ein kompaktes und leicht einbaubares Modul, welches die Elektromotoren 20, die Batterieeinheit 40 und die Drehmomentübertragungseinheiten 30 umfasst.
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Aus 4 ist ersichtlich, dass die beiden Antriebsriemenscheiben 34 jeweils über äußere Drehlager 36 an den Halteplatten 24 des Gehäuses 22 drehbar gelagert sind.
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Zusätzlich weist eine erste Antriebsriemenscheibe 34a eine mittige Stützwelle 37 auf, welche drehfest mit einer Nabe der ersten Antriebsriemenscheibe 34 verbunden ist. Die Stützwelle 37 ragt seitlich in einen Aufnahmeraum 38 der angrenzenden, koaxial gelagerten zweiten Antriebsriemenscheibe 34b hinein. Das freie Ende der Stützwelle 37 ist in dem Aufnahmeraum 38 der zweiten Antriebsriemenscheibe 34b über ein Doppelkugellager 39 drehbar gelagert und so gegenüber der zweiten Antriebsriemenscheibe 34b abgestützt. Die beiden Antriebsriemenscheiben 34 sind über jeweils ein Wellenrohr 35 drehbar mit der jeweiligen Gelenkwelle 18 verbunden.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Drehzahlgrenze des Elektromotors bei 5.000 U/min vorgesehen. Bei einer Antriebsuntersetzung motorisch 8:1 ist diese für Geschwindigkeiten bis 50 km/h ausgelegt. Bei einer Antriebsuntersetzung generatorisch 2:1 sind Geschwindigkeiten bis 200 km/h möglich. Eine entsprechend Auslegung des Untersetzungsverhältnisses kann so je nach Anwendungsfall ausgewählt werden.