DE10347265B4 - Wankstabilisator für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wankstabilisator für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges. Diese Stabilisatoren haben die Aufgabe die Wankneigung des Aufbaus bei Kurvenfahrt zu verringern und das Kurvenverhalten zu beeinflussen also die Fahrsicherheit zu erhöhen. Im Regelfall bleibt bei gleichseitiger Federung der Stabilisator wirkungslos.
- Aus
DE 100 02 455 A1 beispielsweise ist eine Stabilisatoranordnung für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs bekannt geworden, dessen mit Fremdenergie bedarfsweise beaufschlagbare Aktuator einem Wanken entgegenwirkt. Der Aktuator weist einen elektromechanischen Stellantrieb auf, dessen Rotor eine mit einer Spindelmutter versehene Gewindespindel antreibt. An diesen elektromechanischen Stellantrieb ist ein Getriebe angeschlossen, das eine Längsverschiebung der Spindelmutter auf der Gewindespindel in eine Schwenkbewegung um die Drehachse des Aktuators umwandelt. Der Aktuator ist in diesem Fall zwischen zwei Stabilisatorhälften angeordnet und verdreht diese gegeneinander, um einem Wanken entgegen zu wirken. Diese sogenannten aktiven Wankstabilisatoren müssen relativ große Leistungen bereitstellen, da den unerwünschten Wankmomenten etwa 600–1200 Nm in nur 400 Millisekunden entgegengesetzt werden müssen. - Der Aktuator gemäß
DE 100 02 455 A1 weist ein Kurvenbahngetriebe auf, dessen den Stabilisatorhälften zugeordnete Kurvenbahnträger jeweils mit einer Kurvenbahn versehen sind, entlang welcher Kurvenbahnen ein Koppelelement unter Relativdrehung der Kurvenbahnträger zueinander verschiebbar ist, wobei das Koppelelement Drehkräfte auf die Kurvenbahnträger überträgt. Die Koppelelemente können beispielsweise mit Zapfen versehen sein, die in die Kurvenbahnen hineingreifen, wobei auf den Zapfen angeordnete Kurvenrollen an den Kurvenbahnen abwälzen, wobei die Drehkräfte von den Kurvenrollen auf die Kurvenbahnträger übertragen werden. Der wirksame Hebelarm zur Übertragung des erforderlichen Drehmomentes ist gegeben durch den Abstand der Kurvenbahnen zur Drehachse des Aktuators. - Bei der bekannten Stabilisatoranordnung sind die Kurvenbahnträger rohrförmig ausgebildet und im Querschnitt gesehen kreisringförmig. Die mit den Kurvenbahnen versehenen Trägerabschnitte des kreisringförmigen Rohres sind entsprechend dem Rohrdurchmesser gekrümmt. Die neutrale Faser des Trägerabschnittes erfährt unter der Einwirkung der Drehkraft einen Querkraftanteil, der eine unerwunschte Verformung des Kurvenbahnträgers begünstigt.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wankstabilisator nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, bei dem Drehmomente einwandfrei übertragen werden können.
- Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein die Kurvenbahn aufweisender Trägerabschnitt des Kurvenbahnträgers eben und parallel zur Wirklinie der Drehkraft ausgebildet ist. Der ebene Trägerabschnitt er fährt unter der Drehkraft in seiner neutralen Faser keinen Querkraftanteil, sondern eine reine Membrankraft, dass heißt nur in der Fläche der neutralen Faser. Biegezugspannungen an der Innenfaser des Trägerabschnitts können so weiter reduziert werden
- Der Trägerabschnitt ist vorzugsweise parallel zu der Drehachse des Aktuators ausgebildet. Vorzugsweise ist der Kurvenbahnträger als Polygonrohr ausgebildet, dessen ebene Polygonabschnitte umfangsseitig durch vorzugsweise gerundete Eckprofile miteinander verbunden sind, wobei wenigstens einer der ebenen Polygonabschnitte als ebener Trägerabschnitt ausgebildet ist. Gegenüber dem bekannten Kurvenbahnträger mit kreisringförmigen Querschnitt ist das Polygonrohr für die Übertragung der geforderten Drehmomente wesentlich günstiger. Einerseits stellen sich die bereits beschriebenen Effekte ein, wonach in der neutralen Faser des Polygonrohres keine Querkraftanteile entstehen, da der Trägerabschnitt in der Ebene der Wirklinie der Drehkraft angeordnet ist. Ferner werden aufgrund der polygonartigen Gestaltung des Kurvenbahnträgers die Biegezugspannungen am Rohrinnenumfang weiter reduziert. Weiterhin ergeben sich aufgrund der Eckprofile gegenüber der bekannten kreisringförmigen Rohre deutlich vergrößerte Randfaserabstände zwischen der Wandung der Kurvenbahn und der Außenseite des Eckprofils, so dass bei dem Polygonprofil deutlich günstigere Widerstandsmomente gegen Biegung und Torsion als mit einem kreisringförmigen Rohr erzielt werden.
- Das Polygonrohr weist an wenigstens seinem einen Ende eine kreisrunden Endabschnitt auf. Dieser kreisrunde Endabschnitt wird vorzugsweise als Lagersitz zur radialen Lagerung des Polygonrohres ausgebildet. Selbstverständlich kann auch der andere Endabschnitt kreisrund ausgebildet sein, wobei in diesen anderen Endabschnitt das Drehmoment eingeleitet werden kann.
- Das Polygonrohr ist vorzugsweise aus einem Stück hergestellt, also sind die Polygonabschnitte einstückig mit den Eckprofilen verbunden, wobei auch die Endabschnitte einstückig mit den Polygonabschnitten und den Eckprofilen verbunden sind. Derartige Polygonrohre lassen sich auf wirtschaftlich gunstige Weise herstellen. Beispielsweise kann ein ursprünglich rundes Rohr durch Prägeprozesse zu einem Polygonrohr umgeformt werden, oder ein zum Beispiel stranggepresstes Polygonprofil kann an seinen Endabschnitten entsprechend rund umgeformt werden.
- Es wurde herausgefunden, dass es besonders günstig ist, wenn das Polygonrohr als Dreieckrohr ausgebildet ist, dessen ebene Mantelabschnitte jeweils mit einer der Kurvenbahnen versehen sind. Stellt man sich die Eckprofile jeweils als stehendes V vor, so ist bei Polygonrohren mit größerer Zahl der Ecken und gleichbleibendem Abstand der Enden der V-Schenkel zueinander die Höhe der V-förmigen Eckprofile größer, als bei Polygonrohren mit kleinerer Zahl der Ecken. Bei dem dreieckförmigen Rohr kann daher das Widerstandsmoment gegen Biegung und Torrsion größer sein im Vergleich zu einem etwa gleich großen Rohr mit kreisringförmigen Querschnitt.
- Das Koppelelement kann innerhalb des Polygonrohres angeordnet sein, wobei an dem Koppelelement sternförmig angeordnete, Kurvenrollen tragende Zapfen mit den Kurvenrollen in die Kurvenbahnen eingreifen.
- Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in insgesamt sieben Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wankstabilisator, -
2 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Wankstabilisator, -
3 in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt des Kurvenbahnträger des erfindungsgemäßen Wankstabilisators, -
4 den Kurvenbahnträger im Querschnitt, -
5 den Kurvenbahnträger gemäß4 im Längsschnitt, -
6 in schematischer Darstellung die Krafteinleitung bei einem bekannten Wankstabilisator und -
7 in schematischer Darstellung die Krafteinleitung bei einem Wankstabilisator gemäß der Erfindung. - Der in den
1 bis5 dargestellte erfindungsgemäße Wankstabilisator für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges umfasst Stabilisatorhälften1 ,2 die hier nur angedeutet sind. Zwischen den Stabilisatorhälften1 ,2 ist ein Aktuator3 angeordnet. der Aktuator3 verdreht bedarfsweise die beiden Stabilisatorhälften1 ,2 um die Drehachse D des Aktuators3 zueinander. - Der Aktuator
3 weist zwei koaxial ineinander angeordnete Kurvenbahnträger4 ,5 auf, die axial unverschieblich aber drehbar zueinander gelagert sind. Die beiden Kurvenbahnträger4 ,5 sind hier etwa rohrförmig ausgebildet. Der äußere Kurvenbahnträger4 ist mit seinem rechtsseitigen Ende an die Stabilisatorhälfte2 drehfest angeschlossen, der innere Kurvenbahnträger5 ist mit seinen linksseitigen Ende an die Stabilisatorhälfte1 drehfest angeschlossen. - Der innere Kurvenbahnträger
5 beinhaltet einen Elektromotor6 , dessen Rotor eine Gewindespindel7 antreibt. Auf der Gewindespindel7 ist eine nicht weiter dargestellte Spindelmutter nach Art eines an sich bekannten Kugelgewindetriebes drehbar angeordnet; mit dieser Anordnung ist ein elektromechanischer Stellantrieb8 gebildet. Eine Relativdrehung zwischen der Gewindespindel7 und der Spindelmutter wird in eine axiale Bewegung der Spindelmutter gegenüber den Kurvenbahnträgern4 ,5 umgewandelt. - Der Kurvenbahnträger
4 weist mehrere über den Umfang verteilt angeordnete etwa S-förmige Kurvenbahnen9 auf, wie dies beispielsweise aus der eingangs erwähntenDE 100 02 455 A1 bekannt ist. Der innere Kurvenbahnträger5 weist mehrere über den Umfang verteilt angeordnete gradlinige Kurvenbahnen10 auf, die parallel zur Drehachse D des Aktuators3 asugerichtete sind. Auf der Spindelmutter ist ein Koppelelement11 angeordnet, dass sowohl in die S-förmige Kurvenbahn9 als auch in die gradlinige Kurvenbahn10 eingreift. Wenn die Spindelmutter gemeinsam mit dem Koppelelement11 axial verlagert wird, findet eine Relativverschiebung zwischen dem Koppelelement11 und den Kurvenbahnen9 und10 statt. Das Koppelelement11 bildet gemeinsam mit den Kurvenbahnen9 ,10 ein erstes Kurvenbahngetriebe12 , das dem elektromechanischen Stellantrieb8 nachgeschaltet ist. - Der äußere Kurvenbahnträger
4 ist ferner mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten etwa U- oder V-förmigen Kurvenbahnen13 versehen, deren beiden Kurvenbahnschenkel14 ,15 spiegelsymmetrisch zu einer der Drehachse D des Aktuators3 enthaltenden Längsmittelebene angeordnet sind. Die beiden Kurvenbahnschenkel14 ,15 vereinigen sich in einer in der Längsmittelebene enthaltenen Schnittstelle16 . - Der innere Kurvenbahnträger
5 ist ferner an mehreren über seinen Umfang verteilt angeordneten Stellen mit weiteren gradlinigen, parallel zur Drehachse D angeordneten Kurvenbahnen17 versehen. Weitere Koppelelemente18 sind vorgesehen, die in beide Kurvenbahnen17 ,13 eingreifen und entlang dieser Kurvenbahnen verschiebbar sind. Unter einer Verschiebung des Koppelelementes18 entlang der Kurvenbahnen17 ,13 erfolgt eine Relativdrehung zwischen den beiden Kurvenbahnträgern4 ,5 . Das Koppelelement18 bildet gemeinsam mit den Kurvenbahnen17 ,13 ein zweites Kurvenbahngetriebe19 . - Eine koaxial zur Gewindespindel
7 angeordnete Schraubenfeder20 ist einerseits an dem Kurvenbahnträger5 abgestützt und greift andererseits an dem Koppelelement18 an. In der Darstellung gemäß1 ist die Schraubenfeder vorgespannt und in einer Halteposition. Die Halteposition ist mittels einer Halteeinrichtung21 gewährleistet, die dadurch gebildet ist, dass an der inneren Wandung der U-förmigen Kurvenbahn13 eine Halteposition22 gebildet ist. Die Halteposition22 ist demzufolge im Bereich der Schnittstelle16 angeordnet Die Schraubenfeder20 bildet einen Energiespeicher23 , wobei die gespeicherte Federenergie unter Verrichtung von Arbeit ein Verdrehen der beiden Kurvenbahnträger4 ,5 ermöglicht, um einem Wanken entgegen zu wirken. - Solange die Schraubenfeder
20 in der Halteposition23 des Koppelelementes18 eingreift, ist eine Neutralposition der vorgespannten Schraubenfeder20 eingestellt. Gemäß1 sind die beiden Koppelelemente11 und18 in einer Neutralposition angeordnet, in der der Aktuator3 in einer Neutralposition gehalten, also wirkungslos ist. - Wenn nun einem Wankmoment entgegengewirkt werden soll, wird der Motor
5 mit Strom beaufschlagt, wobei der Rotor die Gewindespindel7 in einer Drehrichtung antreibt, die ein axiales Verschieben der Spindelmutter und somit des Koppelelementes11 entlang der S-förmigen Kurvenbahn9 in die Richtung einleitet, die ein Verdrehen der beiden Kurvenbahnträger3 ,4 zur Folge hat. -
2 zeigt eine Arbeitsposition des Aktuators3 , in der die beiden Kurvenbahnträger4 ,5 , also auch die beiden Stabilisatorhälften1 ,2 relativ zueinander verdreht sind. Das Koppelelement11 ist axial nach rechts verlagert, wobei eine Relativverschiebung des Koppelelementes11 entlang der Kurvenabahnen9 ,10 erfolgt. Unter dieser von dem Koppelelement11 eingeleiteten Verdrehung der beiden Kurvenbahnträger4 ,5 zueinander findet zwangsweise eine relative Verlagerung des Koppelelementes18 gegenüber den Kurvenbahnen13 ,17 statt. Das bedeutet, dass das Koppelelement11 seine Halteposition22 verlasst und in den oberen Kurvenbahnschenkel15 der U-förmigen Kurvenbahn13 eingelenkt ist. Unter der axialen Druckkraft der Schraubenfeder20 wird nun das Koppelelement18 axial nach rechts gedrückt, wobei diese axiale Druckkraft über das zweite Kurvenbahngetriebe ein zwischen den beiden Kurvenbahnträgern4 ,5 wirkendes Drehmoment erzeugt. Dieses Drehmoment unterstützt das von dem ersten Kurvenbahngetriebe12 aufgebrachte Drehmoment. Die erforderliche elektrische Leistung des Elektromotors6 kann aufgrund der zusätzlich wirksamen Schraubenfeder20 reduziert werden. Sobald das Wankmoment nachläßt, fährt der Motor6 das Koppelelement11 zurück in seine Neutralstellung, die etwa in der Mitte der S-förmigen Kurvenbahn9 liegt. Unter diesem Verfahrweg des Koppelelementes11 findet wiederum zwangsweise eine Relativverdrehung zwischen den beiden Kurvenbahnträgern4 ,5 statt. Diese Relativdrehung hat ebenfalls zur Folge, dass das Koppelelement18 zwangsweise entlang der Kurvenbahnen17 ,13 relativ verschoben wird, bis die Halteposition12 erreicht ist. Das bedeutet, dass die Schraubenfeder20 wieder vorgespannt wird. Die erforderliche Arbeit zum Vorspannen der Schraubenfeder20 kann aufgebracht werden einerseits durch den Elektromotor6 , andererseits aber auch durch die Fahrwerksfedern, die nach dem Wegfall eines Wankmomentes unter Federentlastung Federenergie abgeben. - Die Gestaltung der U-förmigen Kurvenbahn
13 und der S-förmigen Kurvenbahn9 können derart aufeinander abgestimmt werden, dass der Drehmomentverlauf zur Verdrehung der beiden Stabilisatorhälften1 ,2 an das jeweils gegebene Fahrwerk optimal angepasst ist. - Die hier vorgeschlagenen Energiespeicher sind lediglich beispielhaft erwähnt; Gasdruckfedern, hydraulische oder elektrische Energiespeicher sind ebenfalls geeignet, den regulären Stellantrieb zu entlasten. Als Stellantrieb können auch Schwenkmotoren oder hydraulische Zylinder eingesetzt werden.
-
3 zeigt einen Ausschnitt des Kurvenbahnträgers5 , wobei Endabschnitte des Kurvenbahnträgers5 in den4 und5 deutlich abgebildet sind. Der Kurvenbahnträger5 gemäß3 ist als Dreieckrohr24 ausgebildet Es umfasst ebene Mantelabschnitte25 , die einstückig mit V-förmigen Eckprofilen26 verbunden sind. Jeder ebene Mantelabschnitt25 ist eben und parallel zur Drehachse D des Aktuators3 angeordnet. Die drei ebenen Mantelabschnitte25 sind jeweils mit der gradlinigen Kurvenbahn10 versehen. Die gradlinige Kurvenbahn10 erstreckt sich parallel zur Drehachse D des Aktuators3 . - Die
4 und5 zeigen zusätzlich die an das Polygonprofil einstückig angeformten Endabschnitte27 ,28 , die im Querschnitt gesehen kreisringformig ausgebildet sind. - Die Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Gegenüberstellung eines Kurvenbahnträgers gemäß dieser Erfindung und einem bekannten Kurvenbahnträger mit kreisringförmigen Querschnitt dargestellt.
- Bei dem bekannten Kurvenbahnträger
29 gemäß6 werden Drehkräfte F über das hier nicht dargestellte Koppelelement eingeleitet. Gemäß dieser Darstellung sind drei über den Umfang verteilt angeordnete Kurvenbahnen30 vorgesehen, wobei zwischen zwei umfangsseitig einander benachbarten Kurvenbahnen30 kreisringsegmentförmige Stege31 ausgebildet sind. Einander zugewandte Stegwände32 ,33 von zwei Stegen31 begrenzen jeweils eine der Kurvenbahnen30 umfangsseitig. Damit hier nicht dargestellte Kurvenrollen einwandfrei an den Stegwänden32 ,33 abwälzen können, sind die Stegwände32 ,33 parallel zueinander in Ebenen angeordnet, wobei eine die Drehachse D enthaltene Ebene parallel und mittig zwischen diesen beiden Ebenen angeordnet ist. Aufgrund der kreisringförmigen Geometrie des Kurvenbahnträgers29 entstehen in der neutralen Faser der Stege31 Querkräfte Fquer, die in ungünstiger Weise den Kurvenbahnträger29 belasten. Die Kreisringsegmenthöhe H wird auch als Randfaserabstand bezeichnet. Je höher der Randfaserabstand H ausgebildet ist, desto höher ist ein Widerstandsmoment gegen Biegung und Torsion. Die Breite b bezeichnet den Abstand von zwei umfangsseitig einander benachbarten Stegwänden32 ,33 zweier Kurvenbahnen30 , gemessen von der neutralen Faser aus. Diese Breite b ergibt sich aus den gegebenen Abmessungen des Rohrdurchmessers und der Breite der Kurvenbahnen30 . -
7 zeigt im Querschnitt in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße Dreieckrohr24 . Aufgrund der ebenen Ausbildung der Mantelabschnitte25 wirkt die Drehkraft parallel zur neutralen Faser, so dass keinerlei Querkräfte Fquer auftreten. Ferner weisen die V-förmigen Eckprofile26 bei einer gleichen Breite b wie der bekannte Kurvenbahnträger gemäß6 einen deutlich erhöhen Randfaserabstand H auf. Demzufolge ist das Widerstandsmoment bei dem Dreieckrohr24 bei annähernd gleicher Dimensionierung wie der Kurvenbahnträger gemäß6 deutlich erhöht - Bei erfindungsgemäßen Wankstabilisatoren können die Kurvenbahnträger einseitig eingespannt sein um das Drehmoment einzuleiten. Das freie Ende des Kurvenbahnträgers kann gelagert werden. Zu diesem Zweck kann der kreisrunde Endabschnitt
28 des Dreieckrohrs24 als Lagersitz zur radialen Lagerung des Dreieckrohrs24 ausgebildet sein. - Mit erfindungsgemäßen Polygonrohren, insbesondere mit einem Dreieckrohr können aus den aufgezeigten Gründen gegenüber einem bekannten Kurvenbahnträger mit kreisringförmigen Querschnitt Spannungen um ca. 55% reduziert werden.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stabilisatorhälfte
- 2
- Stabilisatorhälfte
- 3
- Aktuator
- 4
- Kurvenbahnträger
- 5
- Kurvenbahnträger
- 6
- Motor
- 7
- Gewindespindel
- 8
- Stellantrieb
- 9
- S-förmige Kurvenbahn
- 10
- gradlinige Kurvenbahn
- 11
- Koppelelement
- 12
- erstes Kurvenbahngetriebe
- 13
- U-förmige Kurvenbahn
- 14
- Kurvenbahnschenkel
- 15
- Kurvenbahnschenkel
- 16
- Schnittstelle
- 17
- gradlinige Kurvenbahn
- 18
- Koppelelement
- 19
- zweites Kurvenbahngetriebe
- 20
- Schraubenfeder
- 21
- Halteeinrichtung
- 22
- Halteposition
- 23
- Energiespeicher
- 24
- Dreieckrohr
- 25
- Mantelabschnitt
- 26
- Eckprofil
- 27
- Endabschnitt
- 28
- Endabschnitt
- 29
- Kurvenbahntrager
- 30
- Kurvenbahn
- 31
- Steg
- 32
- Stegwand
- 33
- Stegwand
Claims (8)
- Wankstabilisator für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges, mit einem zwischen Stabilisatorhälften (
1 ,2 ) angeordneten und diese bedarfsweise gegeneinander um eine Drehachse D verdrehenden Aktuator (3 ), der ein Kurvenbahngetriebe (12 ) aufweist, dessen den Stabilisatorhälften (1 ,2 ) zugeordnete Kurvenbahnträger (4 ,5 ) jeweils mit einer Kurvenbahn (9 ,10 ) versehen sind, entlang welcher Kurvenbahnen (9 ,10 ) ein Koppelelement (11 ) unter Relativdrehung der Kurvenbahnträger (4 ,5 ) zueinander verschiebbar ist, wobei das Koppelelement (11 ) Drehkräfte auf die Kurvenbahnträger (4 ,5 ) überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Kurvenbahn (10 ) aufweisender Trägerabschnitt (25 ) des Kurvenbahnträgers (5 ) eben und parallel zur Wirklinie der Drehkraft ausgebildet ist. - Wankstabilisator nach Anspruch 1, bei dem der Trägerabschnitt (
25 ) parallel zu der Drehachse ausgebildet ist. - Wankstabilisator nach Anspruch 1, bei dem der Kurvenbahnträger (
5 ) als Polygonrohr (24 ) ausgebildet ist, dessen ebene Polygonabschnitte (25 ) umfangsseitig durch gerundete Eckprofile (26 ) miteinander verbunden sind, wobei wenigstens einer der ebenen Polygonabschnitte (25 ) als ebener Trägerabschnitt (25 ) ausgebildet ist. - Wankstabilisator nach Anspruch 3, bei dem das Polygonrohr (
24 ) an wenigstens seinem einen Ende einen kreisrunden Endabschnitt (27 ,28 ) aufweist. - Wankstabilisator nach Anspruch 4, bei dem der kreisrunde Endabschnitt (
28 ) als Lagersitz zur radialen Lagerung des Polygonrohrs (24 ) ausgebildet ist. - Wankstabilisator nach Anspruch 3, bei dem die Polygonabschnitte (
25 ) einstückig mit den Eckprofilen (26 ) verbunden sind. - Wankstabilisator nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Endabschnitte (
27 ,28 ) einstückig mit den Polygonabschnitten (25 ) und den Eckprofilen (26 ) verbunden sind, - Wankstabilisator nach Anspruch 3, bei dem das Polygonrohr als zu der Drehachse D koaxial angeordnetes Dreieckrohr (
24 ) ausgebildet ist, dessen drei ebene Mantelabschnitte (25 ) jeweils mit einer der Kurvenbahnen (10 ) versehen sind.
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