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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Patentoffenbarung betrifft im Allgemeinen Getriebe, die zur Verwendung in Fahrzeug- und Maschinenantriebssträngen geeignet sind, und insbesondere stufenlose Getriebe.
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Hintergrund
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Verschiedene Fahrzeuge oder Maschinen wie beispielsweise Radlader, Kraftfahrzeuge, Lastkraftwagen oder andere Maschinen mit Rädern nutzen Antriebsstränge, die einen Drehmomentwandler zwischen dem Motor und dem Getriebe aufweisen. Der Drehmomentwandler kann in einem gesperrten oder in einem nicht gesperrten Modus betrieben werden, wenn sich die Maschine bewegt, wodurch für einige Maschinen, die auf verhältnismäßig unverrückbare Hindernisse stoßen können, eine erwünschte Funktion der Drehmomentregelung bereitgestellt wird. Beispielsweise kann ein Radlader eine Schaufel gegen einen Materialhaufen drücken, ein Ripper kann auf einen Felsblock stoßen usw. Um den Nutzen einer Regelung des Getriebeabtriebsmoments beispielsweise bei Kontaktaufnahme mit dem Hindernis zu schaffen, wird auf Drehmomentwandlerschlupf zurückgegriffen, da dieser das Getriebeantriebsmoment begrenzt und die Wahrscheinlichkeit eines Abwürgens des Motors aufgrund zu niedriger Drehzahl oder Motorstillstand verringert. Es wurde jedoch herausgefunden, dass Drehmomentwandlerschlupf und andere Verluste im Vergleich zu anderen Kraftübertragungsverfahren, wie etwa stufenlosen Getrieben (CVTs), den Kraftstoffverbrauch der Maschine erhöhen.
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CVT-Getriebe ermöglichen ein stufenlos variables Drehmoment, was eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Drehmomentwandler/Getriebeantriebssträngen darstellt. Ein typisches CVT-Getriebe nutzt ein Drehmomentregelelement, das die Möglichkeit eines stufenlos verstellbaren Drehmoments bzw. einer stufenlosen Drehzahlübertragung vorsieht. Eine bekannte Anwendung von CVT-Getrieben bei Maschinen ist das Ausführungsbeispiel eines Getriebes mit verteiltem Drehmoment (engl. „split torque transmission”), das einen Triebstrang aufweist, der durch duale Antriebe angetrieben wird – wobei ein Antrieb ein drehmoment- oder drehzahlgeregelter Antrieb ist, wie etwa ein Antrieb durch einen Hydraulikvariator, und der andere ein direkter Leistungsantrieb von einem Motor ist. Diese zwei Antriebe werden in einer oder mehreren Planetengetriebeanordnungen kombiniert, die jeweils Abtriebe aufweisen, welche die verschiedenen Übersetzungsverhältnisse des Getriebes antreiben.
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Bei Getrieben mit verteiltem Drehmoment ist es erwünscht, den Variator genau zu regeln, besonders wenn rasche Änderungen des Drehmoments durch das Getriebe auftreten, beispielsweise bei Antreffen eines Hindernisses. Die Regelung des Variators unter derartigen Bedingungen erfordert eine rasche Erkennung von vorübergehenden bzw. transienten Drehmomentänderungen (im Weiteren „Drehmomentübergängen”), was bei den meisten derzeitigen Implementierungen der Wahrnehmung der Bedienungsperson überlassen wird. Daher muss bei den meisten derzeitigen Implementierungen die Bedienungsperson das Maschinendrehmoment aussetzen oder verringern, wenn die Bedienungsperson wahrnimmt, dass ein unverrückbares Objekt angetroffen wurde. Es versteht sich, dass eine Verzögerungszeit zwischen dem Moment vorliegt, in dem die Maschine erstmals auf das Hindernis trifft, bis zu dem Moment, in dem die Bedienungsperson den Drehmomentbefehl an das Getriebe genügend reduziert und das Getriebe seinen Betrieb entsprechend angepasst hat. Diese Zeitverzögerung kann bewirken, dass die Maschine ruckelt, was Unannehmlichkeiten für die Bedienungsperson, Systemineffizienzen und/oder erhöhten Antriebsstrangverschleiß bewirkt. In einigen Fällen kann eine derartige Zeitverzögerung zu einem Zustand mit zu niedriger Motordrehzahl und/oder zu einem Motorstillstand führen.
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Zusammenfassung
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In einem Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Antriebsstrang mit einem Motor, der mit einem Getriebe verbunden ist, welches zum Antreiben von Bodeneingriffselementen geeignet ist. Der Antriebsstrang weist einen Getriebeabtriebsdrehzahl-(TOS-)Sensor auf, der dazu vorgesehen ist, ein Signal zu liefern, welches eine Abtriebsdrehzahl des Getriebes angibt. Eine Regelungseinheit ist zum Regeln des Betriebs des Getriebes auf Grundlage eines erwünschten Drehzahlabtriebs des Getriebes durch, mindestens teilweise, Schätzen eines Ist-Drehmomentabtriebs des Getriebes und Nutzen der Ist-Drehmomentabschätzung als Regelungsrückmeldung ausgebildet. Die Regelungseinheit ist ferner ausgebildet zum Bestimmen, in Echtzeit, einer ersten Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigung auf Grundlage des Signals, das vom Getriebeabtriebsdrehzahlsensor geliefert wird, und einer zweiten Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigung auf Grundlage der Ist-Drehmomentabschätzung, die als Regelungsrückmeldung genutzt wird. Eine Abweichung zwischen der ersten und zweiten Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigung wird bestimmt, und wenn die Abweichung einen Schwellenwert übersteigt, wird ein Drehmomentübergangstrigger aktiviert.
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In einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung eine Maschine, die einen Rahmen aufweist, der einen Motor stützt, welcher mit einem Getriebe verbunden ist. Das Getriebe wandelt eine Antriebsmotordrehzahl und ein Antriebsmotordrehmoment selektiv in eine Getriebeabtriebsdrehzahl und ein Getriebedrehmoment um, die auf einen Satz Bodeneingriffselemente zum Fortbewegen des Rahmens angewendet werden. Ein Getriebeabtriebsdrehzahl-(TOS-)Sensor ist dazu vorgesehen, ein Signal zu liefern, das eine Abtriebsdrehzahl des Getriebes angibt, und eine Regelungseinheit ist zum Regeln des Betriebs des Motors und des Getriebes auf Grundlage eines erwünschten Abtriebs des Getriebes durch, zumindest teilweise, Schätzen eines Ist-Drehmomentabtriebs des Getriebes und Nutzen der Ist-Drehmomentabschätzung als Regelungsrückmeldung ausgebildet. Die Regelungseinheit ist ferner dazu ausgebildet, in Echtzeit eine erste Getriebeabtriebsdrehzahl auf Grundlage des Signals, das vom Getriebeabtriebsdrehzahlsensor geliefert wird, zu bestimmen, eine erste Beschleunigung auf Grundlage der ersten Getriebeabtriebsdrehzahl zu berechnen und eine zweite Beschleunigung auf Grundlage von mindestens einem von einer Motordrehzahl, einem Motordrehmoment, einer Maschinenträgheit und einer Einstellung zu bestimmen. Die Regelungseinheit ist ferner dazu ausgebildet, eine Abweichung zwischen der ersten und zweiten Beschleunigung und einer Änderungsrate dieser Abweichung derart zu bestimmen, dass, wenn die Änderungsrate der Abweichung einen Schwellenwert übersteigt, ein Regelungsparameter angepasst wird, der die Getriebeeinstellung anpasst, um eine Abnahme der Motordrehzahl bis unter einen Motordrehzahlschwellenwert zu vermeiden.
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In noch einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Erkennen von vorübergehenden bzw. transienten Drehmomentänderungen (im Weiteren „Drehmomentübergänge”) in einem Getriebe. Das Verfahren umfasst das Überwachen einer Getriebeabtriebsdrehzahl (TOS, engl. „transmission output speed”) des Getriebes und das Bestimmen einer ersten Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigung durch Berechnen einer Ableitung der gemessenen Getriebeabtriebsdrehzahl. Das Verfahren umfasst ferner das Schätzen eines Drehmoments an einem Abtrieb des Getriebes und das Bestimmen einer zweiten Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigung durch Teilen des abgeschätzten Drehmoments durch eine vorgegebene Trägheit der Maschine. Die erste und die zweite Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigung werden miteinander verglichen, und wenn ein Parameter bezüglich einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigung einen Schwellenwert übersteigt, wird ein Drehmomentübergangstrigger aktiviert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Ansicht einer Maschine gemäß der Offenbarung.
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2 ist eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs für eine Maschine gemäß der Offenbarung.
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3 ist ein Blockdiagramm eines Antriebsstrangs gemäß der Offenbarung.
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4 ist eine grafische Darstellung gemäß der Offenbarung.
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5 ist ein Blockdiagramm für eine Regelungseinheit gemäß der Offenbarung.
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6 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren gemäß der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Getrieberegelungen und insbesondere einen Detektor zum Erkennen von vorübergehenden Verschiebungen bzw. Übergängen des Drehmoments durch das Getriebe. Die vorliegend offenbarten Verfahren und Systeme finden nicht nur bei den CVT-Getrieben Anwendung, die in den offenbarten Ausführungsformen beschrieben sind, sondern können auf beliebige andere Getriebearten angewendet werden, die drehmomentgeregelt betrieben werden können. In der folgenden Beschreibung versteht es sich, dass jegliche Art von drehmomentgeregeltem Getriebebetrieb in Betracht gezogen ist.
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1 zeigt ein Konturbild eines Radladers als ein Beispiel für ein Fahrzeug oder eine Maschine 100. 2 ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs 200 des Fahrzeugs 100. In Bezugnahme auf diese Figuren weist das Fahrzeug 100 einen Motorrahmenabschnitt 102 auf, der durch ein Drehgelenk 106 mit einem Nichtmotorrahmenabschnitt 104 verbunden ist. Sowohl der Motorrahmenabschnitt 102 als auch der Nichtmotorrahmenabschnitt 104 weisen jeweils eine Achse 202 auf, die mit Bodeneingriffselementen verbunden ist, in diesem Falle einem Satz Rädern 108. Der Motorrahmenabschnitt 102 umfasst einen Motor 110, der eine Abtriebswelle 204 aufweist, die über eine Verbindungswelle 210 und eine Kupplung 209 mit einem Getriebe 208 verbunden ist. Eine Abtriebswelle 212 des Getriebes 208 ist mit einem Splitter 214 verbunden, der zwei Triebwellen 216 antreibt, eine für jede Achse 202. Das Getriebe 208 ist dazu ausgebildet, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment, die vom Motor 110 an der Verbindungswelle 210 bereitgestellt werden, selektiv in eine stufenlose Drehzahl und ein stufenloses Drehmoment an der Abtriebswelle 212 umzuwandeln, die dann zum Antreiben der Bodeneingriffselemente oder Räder 108 benutzt werden. Das Getriebe 208 kann einen Variator aufweisen, der mit einem Getrieberädersatz verbunden ist, wie später bezüglich 3 erörtert. Jede Triebwelle 216 überträgt Kraft über ein jeweiliges Differential 218 auf die Räder 118, sodass Drehkraft, die an der Motorabtriebswelle 204 bereitgestellt wird, wirksam auf die Räder 118 übertragen wird. Obgleich zwei angetriebene Achsen 202 gezeigt sind, können abhängig von der Fahrzeugart eine einzige Achse oder mehr als zwei Achsen benutzt werden. Zudem können, obgleich Räder gezeigt sind, andere Arten von Bodeneingriffselementen benutzt werden, wie etwa Ketten.
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Das Fahrzeug 100 weist ferner ein Führerhaus 130 auf, das verschiedene Maschinensteuervorrichtungen unterbringt. Wie in 2 gezeigt, umfassen derartige Vorrichtungen ein Gaspedal 220 mit einem Gaspedalsensor (APS) 222 und einen Gangwählhebel 224 mit einem Hebelwertgeber 226. Der APS 222 und der Hebelwertgeber 226 können zum Liefern von Signalen ausgebildet sein, die die gewünschte Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs 100 anzeigen, welche durch eine Bedienungsperson im Gebrauch angeordnet wird.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 1 weist das Fahrzeug 100 der dargestellten Ausführungsform ein Arbeitsgerät auf, das in diesem Falle eine Schaufel 122 ist, welche am Ende eines Paars Hebearmen 114 verbunden ist, die an einem Scharnier 116 drehbar mit dem Nichtmotorrahmenabschnitt 104 des Fahrzeugs 100 verbunden sind. Wie in 2 gezeigt, weist der Motor 110 eine Schnittstelle 228 auf, die über einen Kommunikationskanal 230 mit einem Motorregler 232 verbunden ist. Der Motorregler 232 arbeitet zum Überwachen und Regeln der Funktion verschiedener Motorsysteme, wie dem Überwachen von Sensorablesungen verschiedener Motorsensoren und dem Regeln von Motordrehzahl und Lastausgang usw., durch Empfangen von Informationen und Übertragen von Befehlen an verschiedene Motorbauteile über den Kommunikationskanal 230. Wie gezeigt, ist der Motorregler 232, oder eine andere Regelungseinheit, die mit dem Regler 232 verbunden ist, ferner mit verschiedenen Fahrzeugbauteilen verbunden, die den Betrieb des Motors regeln können.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der Regler 232 eine elektronische Regelungseinheit, die einen Prozessor umfasst, welcher in einer betrieblichen Beziehung mit anderen elektronischen Bauteilen steht, wie etwa einem Datenspeichergerät und den verschiedenen Kommunikationskanälen. In der Darstellung von 2 sind ein Drosselkommunikationskanal 234 und ein Gangwählwertgeber-Kommunikationskanal 236 mit dem Regler 232 verbunden und dazu ausgebildet, dem Regler 232 Informationen zu liefern, die die Befehle der Bedienungsperson anzeigen, wie etwa die gewünschte Motordrehzahl oder Motorlast, die gewünschte Vorwärts- oder Rückwärtsfahrtrichtung der Maschine, eine „Leerlauf”- oder „Park”-Einstellung des Maschinengetriebes und dergleichen. Es versteht sich, dass zusätzliche oder alternative Verbindungen zwischen dem Regler 232 und den verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemen vorhanden sein können, die jedoch der Einfachheit halber nicht gezeigt sind.
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Der Regler 232 ist ferner zum Empfangen von Informationen ausgebildet, die den Betrieb des restlichen Abschnitts des Antriebsstrangs 200 anzeigen. Dazu ist der Regler 232 über einen Motordrehzahlkommunikationskanal 240 mit einem Motorabtriebswellendrehzahlsensor 238, über einen Fahrgeschwindigkeitskommunikationskanal 248 mit einem Fahrzeugfahrgeschwindigkeitssensor 246 und mit anderen Sensoren verbunden, die der Einfachheit halber nicht gezeigt sind.
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Der Antriebsstrang 200 umfasst ferner eine Getrieberegelungseinheit 250, die zum Regeln des Betriebs des Getriebes 208 ausgebildet ist. Dementsprechend ist die Getrieberegelungseinheit 250 über einen Getriebekommunikationskanal 254 mit einer Schnittstelle 252 des Getriebes 208 verbunden. Die Schnittstelle 252 kann Strukturen umfassen, die in Reaktion auf Befehle von der Getrieberegelung 250 selektiv verschiedene Rädersätze des Getriebes 208 einkuppeln oder auskuppeln können sowie der Getrieberegelung 250 Informationen liefern können, die den gegenwärtigen Radkupplungszustand des Getriebes 208 anzeigen, sowie andere Informationen, wie etwa die über das Getriebe 208 auf die Räder 108 übertragene Kraft, die Drehzahl der Abtriebswelle 212, die Drehzahl der Verbindungswelle 210 und dergleichen. Während des Betriebs kann die Getrieberegelung 250 auf Grundlage vorbestimmter Drehzahlschwellen der Verbindungswelle 210 für Hochschalt- und Herunterschaltänderungen Befehle zu Radwechseln an das Getriebe 208 leiten. Derartige Radwechsel können Befehlssignale umfassen, die dem Variator geliefert werden, damit dieser die relativen Drehzahlen eingehender und ausgehender Räder, den Betrieb in einem drehenden Leerlaufzustand, in dem keine Motordrehung über das Getriebe übertragen wird, und andere Betriebsbedingungen anpasst. Unter einigen Bedingungen kann der Variator angewiesen werden, eine Position einzunehmen, in der ein Drehmoment an der Abtriebswelle beibehalten wird, während die Motorwelle im Wesentlichen von der Abtriebswelle des Getriebes entkuppelt ist. Diese Art von „Drehmomenthalteposition” kann beispielsweise dann angewiesen werden, wenn sich ein Radlader genügend weit an einen Aggregathaufen geschoben hat und die Bedienungsperson diese Position zu halten wünscht, während die Schaufel beladen wird. Es versteht sich, dass das Haltemoment in einem solchen Fall erforderlich ist, um zu verhindern, dass die Maschine von dem Haufen wegrollt.
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Eine vereinfachte schematische Darstellung des Getriebes 208 und der Verbindungen der verschiedenen Bauteile darin ist in 3 gezeigt. Wie hier gezeigt, ist der Motor 110, der in der dargestellten Ausführungsform als Primärantrieb für das System wirkt, mit einer Haupthydraulikpumpe 303 verbunden und treibt diese an. Die Haupthydraulikpumpe 303 kann zum Betreiben zahlreicher Bauteile und Systeme der Maschine benutzt werden, wie etwa von Aktuatoren, Arbeitsgeräten und dergleichen. In der dargestellten Ausführungsform nutzt der Antriebsstrang Hydraulikkraft aus der Haupthydraulikpumpe 303 zum Betreiben verschiedener Funktionen eines Fahrsystems der Maschine. Dementsprechend wird einem Variator 305, der innerhalb des Getriebes 208 umfasst ist (siehe auch 2), Hydraulikkraft aus der Haupthydraulikpumpe 303 geliefert. Mechanische Kraft vom Variator 305 und vom Motor 110 wird einem Satz Getrieberäder 307 geliefert. Der Motor 110 treibt außerdem Bauteile des Variators 305 auf die bekannte Art und Weise an. Dadurch empfangen die Getrieberäder 307 zweifache Kraftantriebe, einen vom Variator 305 und den anderen vom Motor 110.
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Verschiedene Beispiele für Variatoren, die in Verbindung mit Getrieben arbeiten, sind in den US-Anmeldungen Nr. 13/407,280 und 13/407,311 zu finden, welche beide hierin durch Bezugnahme vollinhaltlich aufgenommen sind. In einem repräsentativen Beispiel derartiger Strukturen ist ein Abtrieb des Variators mit einem Zahnkranz eines Planetenradsatzes verbunden. Ein Motorantrieb ist mit den Planetenrädern einer zusätzlichen Planetenradanordnung verbunden. Der Zahnkranz der zusätzlichen Planetenradanordnung ist mit den Planetenrädern der ersten Planetenradanordnung verbunden, während Abtriebe von den Sonnenrädern beider Planetenradanordnungen und den Planetenrädern der ersten Planetenradanordnungen zum Antreiben von Rädern auf verschiedenen Übersetzungen des Getriebes benutzt werden. Während des Betriebs werden Schaltungen zwischen verschiedenen Vorwärts- und Rückwärtsgangübersetzungen auf einer Relativdrehzahl von ungefähr null zwischen den ausgehenden und eingehenden Rädern ausgeführt. Zu diesem Zweck wird der Variator benutzt, um die Drehzahl des ersten Planetenrads derart anzupassen, dass die kombinierte Drehzahl eines Abtriebelements auf Nulldrehzahl liegen kann, wenn die Maschine oder das Fahrzeug stationär ist, trotz des Drehantriebs, den der Motor dem Planetenrad des zweiten Planetengetriebes liefert. Der Variator arbeitet somit mit variabler Drehzahl in zwei Richtungen, während der Antriebsstrang aktiv ist. Auf diese Art und Weise kann eine Getriebeeinstellung einen Befehl an einen Variatoraktuator umfassen, der die Relativdrehzahl und Richtung des Variators während des Betriebs einstellt. Es wird darauf hingewiesen, dass, obgleich hier ein hydraulischer Variator gezeigt und beschrieben ist, jegliche andere Art Variator, wie etwa ein Variator auf mechanischer oder elektrischer Grundlage, benutzt werden kann.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der Variator 305 ein hydrostatischer Variator, der eine Variatorpumpe 309 und einen Variatormotor 311 umfasst. Während des Betriebs treibt der Motor 110 die Variatorpumpe 309 an, die eine variable Verdrängungskapazität aufweist und zum Umwälzen von Fluid durch den Variatormotor 311 dient. Die Getrieberegelungseinheit 250 überwacht und regelt den Betrieb der verschiedenen Systeme und Bauteile, die damit zusammenhängen, und die Motorregelungseinheit 232 überwacht und regelt den Motorbetrieb. Die zwei Regelungseinheiten 232 und 250 sind in dieser Darstellung der Einfachheit halber zusammen gezeigt. Es ist berücksichtigt, dass, das in 3 gezeigte System zwar ein System mit verteiltem Drehmoment ist, jedoch stattdessen andere Arten von Systemen benutzt werden können. Beispielsweise bieten die offenbarten Prinzipien ebenfalls Nutzen in einem einfachen hydrostatischen („Hystat”) Direktseriensystem, bei dem eine motorbetriebene Pumpe Fluid zum Betreiben eines Motors liefert, der mit der Antriebs- oder Abtriebsseite des Getriebes verbunden ist.
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Der Motor 110 führt den Getrieberädern 307 und der Variatorpumpe 309 Kraft über direkten Antrieb zu, beispielsweise über die Welle 210 (2), und führt außerdem der Haupthydraulikpumpe 303 Kraft zu. Die Haupthydraulikpumpe 303 liefert dem Variator 305 Fluid über die Fluidzufuhrleitung. Die Kraftausgabe des Systems wird durch das Getriebe 307 geliefert. Während des Betriebs empfängt die Regelungseinheit 250 Betriebsdaten vom Motor 110, dem Variator 305 und dem Getriebe 307. Die Regelungseinheit 250 regelt zusammen mit der Motorregelungseinheit 232 den Betrieb des Motors 110, des Variators 305 und von Kupplungen oder anderen Vorrichtungen (nicht gezeigt), die eines oder mehrere der Getrieberäder 307 ein- oder auskuppeln, und zwar in Reaktion auf diese Daten und gemäß Benutzereingabe und potentiell anderen Informationen, die Betriebsziele und/oder -bedingungen betreffen. Die Steuerung bzw. Regelung all dieser Bauteile und Systeme erfolgt auf koordinierte Weise auf Grundlage von Befehlssignalen von der Bedienungsperson, die in der Form eines angeforderten Drehmoments bereitgestellt werden, und auf Grundlage eines berechneten Drehmoments, das über das Getriebe als Rückmeldung bereitgestellt wird.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 2 können Informationen für die koordinierte Regelung des Motors 110 und des Getriebes 208 zwischen dem Motorregler 232 und der Getrieberegelung 250 über einen Datenbus 256 ausgetauscht werden. Obgleich der Motorregler 232 und die Getrieberegelung 250 als separate Bauteile gezeigt sind, ist in Betracht gezogen, dass sie alternativ in eine einzige Regelungseinheit eingegliedert oder in mehr als zwei Regelungseinheiten aufgeteilt sein können. Daher kann entweder der Motorregler 232 und/oder die Getrieberegelungseinheit 250 eine einzelne Regelungseinheit sein oder mehr als eine Regelungseinheit umfassen, die zum Steuern bzw. Regeln verschiedener Funktionen und/oder Merkmale einer Maschine angeordnet sind. Beispielsweise kann eine Master-Regelungseinheit, die zum Regeln des gesamten Betriebs und Funktionierens der Maschine benutzt wird, kooperativ mit einer Kraftmaschinen- oder Motorregelungseinheit implementiert sein, die zum Regeln des Motors 110 benutzt wird. In dieser Ausführungsform bedeuten die Begriffe „Regelungseinheit” oder „Regler”, dass sie eine, zwei oder mehr Steuer- und/oder Regelungseinheiten umfassen, die der Maschine 100 zugeordnet sein können und zum Steuern bzw. Regeln verschiedener Funktionen und Betriebsabläufe der Maschine 100 zusammenwirken können (1). Die Funktionalität dieser Einrichtungen wird zwar in den folgenden Figuren ausschließlich zu veranschaulichenden Zwecken als verschiedene diskrete Funktionen umfassend gezeigt, kann jedoch ohne Berücksichtigung der gezeigten diskreten Funktionalität in Hardware und/oder Software implementiert sein. Dementsprechend ist, obgleich in den folgenden Figuren verschiedene Schnittstellen der Regelungseinheiten bezüglich der Bauteile des Antriebsstrangsystems beschrieben sind, es doch nicht beabsichtigt, dass derartige Schnittstellen weder die Art und Anzahl von verbundenen Bauteilen noch die Anzahl von Regelungseinheiten, die beschrieben sind, einschränken.
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Die vorliegende Offenbarung zielt ab auf Systeme und Verfahren für die koordinierte Regelung von Getrieben auf eine Art und Weise, die gegenüber vorher vorgeschlagenen Gestaltungen eine verbesserte Leistung und Bedienerfreundlichkeit schafft. Unter bestimmten Betriebsbedingungen, besonders wenn externe Belastungen, wie etwa ein Auftreffen auf einen Haufen, auftreten, kann die Regelung eines stufenlosen Getriebes (CVT) vorteilhafterweise die schnelle Erkennung von Drehmomentübergangsereignissen umfassen. In einigen offenbarten Ausführungsformen werden Drehmomentübergangsereignisse auf Grundlage eines Vergleichs zwischen zwei unabhängigen Messungen einer Beschleunigung oder Verlangsamung der Getriebeabtriebsdrehzahl erkannt. In einer Ausführungsform erfolgt eine der zwei unabhängigen Messungen auf Grundlage von Signalen von Drehzahlsensoren, die zum direkten Messen der Getriebeabtriebsdrehzahl angeordnet sind. Eine Anwendung einer Änderungsratenberechnung oder -funktion auf diese Signale liefert die erste unabhängige Getriebebeschleunigungs- bzw. Getriebeverlangsamungsmessung. Die zweite unabhängige Getriebeabtriebsdrehzahl-(TOS-)Beschleunigungs- oder -Verlangsamungsmessung basiert auf der Drehmomentrückmeldung des CVT-Regelsystems, die eine abgeschätzte Maschinenträgheit zum Bestimmen einer Maschinenbeschleunigung oder -verlangsamung umfassen kann. Durch Vergleichen der zwei unabhängigen Getriebeabtriebsdrehzahl-Beschleunigungs- oder -Verlangsamungsparameter und besonders durch Bestimmen und Überwachen der Abweichung zwischen den zwei Parametern können Drehmomentübergänge wirksam erkannt werden. Eine konkrete Ausführungsform für eine Implementierung einer derartigen Erkennung von Drehmomentübergängen ist in den schematischen Darstellungen gezeigt, die im Anschluss an eine veranschaulichende grafische Darstellung der erwogenen Parameter folgen.
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Eine grafische Darstellung verschiedener Parameter, die für Änderungen der Getriebeabtriebsdrehzahl relevant sind, ist in 4 gezeigt. Die hierin angegebenen Änderungen der Getriebeabtriebsdrehzahl wurden während des Auftreffens auf einen Haufen bei einer Radladeranwendung erfasst. Das Auftreffen auf den Haufen erfolgte zu einem Zeitpunkt, der in der grafischen Darstellung durch die Linie 401 angegeben ist. Die grafische Darstellung umfasst drei Sätze von Kurven, die zur Veranschaulichung zeitlich aneinander ausgerichtet gezeigt sind. Eine erste grafische Darstellung 402 umfasst zwei Kurven, die die Antriebs- und Abtriebsdrehzahl des Getriebes 208 (2) darstellen – eine Antriebsdrehzahlkurve 404, die die Antriebsdrehzahl des Getriebes angibt, und eine Abtriebsdrehzahlkurve 406, die eine Abtriebsdrehzahl des Getriebes angibt, –, die auf einer Vertikalachse 403 über der Zeit t aufgetragen sind. Wie gezeigt kann die Antriebsdrehzahl eine Drehzahl der Antriebswelle 210 oder der Motorwelle 204 sein, die durch den Drehzahlsensor 238 gemessen wird. Die Abtriebsdrehzahl kann in Form eines jeglichen zweckdienlichen Parameters bereitgestellt werden, wie etwa eine Drehzahl der Getriebeabtriebswelle 212, die Fahrgeschwindigkeit der Maschine und andere Parameter. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, sinkt die Antriebsdrehzahl 402 zu Beginn des Auftreffens auf den Haufen, was mit einer zu niedrigen Maschinendrehzahl konsistent ist, und die Abtriebsdrehzahl beginnt zu fallen, was konsistent ist mit der Verlangsamung der Maschine, wenn sich die Schaufel in den Haufen eingräbt.
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Eine zweite grafische Darstellung 410 stellt Zeitverlaufskurven von zwei unabhängigen Beschleunigungsberechnungen dar, die obenstehend besprochen wurden. Insbesondere wird eine erste Kurve 412 aus der berechneten Drehmomentrückmeldung erfasst, die die Getrieberegelungseinheit 250 (2) empfängt, und sie stellt die schätzungsweise an der Abtriebswelle des Getriebes vorhandene Beschleunigung oder Verlangsamung dar. Hierbei wurde eine Berechnung durchgeführt, um den Drehmomentwert, der von der Regelungseinheit abgeschätzt wird, in eine Getriebeabtriebsdrehzahl-Änderungsrate umzuwandeln, indem eine abgeschätzte Maschinenträgheit angewendet wird, um die dargestellten Getriebeabtriebsdrehzahlwerte zu produzieren. Wie ersichtlich nimmt die abgeschätzte oder rückgemeldete Drehmomentberechnung nach dem Beginn des Auftreffens auf den Haufen zu, da die Maschine zur Verlangsamung gezwungen wird. Es ist dieses Drehmoment, das die Motordrehzahl herabsetzt und potentiell einen Stillstand des Motors bewirken kann. Die Drehzahl nach dem Beginn des Auftreffens auf den Haufen wird durch die Reibung der Maschinenräder bewirkt, wenn sie die Maschinenschaufel gegen den Haufen schieben, sowie durch den Widerstand, den der Haufen der Maschine entgegenbringt.
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Eine zweite Kurve 414 stellt die auf der Grundlage einer Getriebeabtriebsdrehzahlmessung berechnete Getriebeabtriebsdrehzahl-Änderungsrate dar. Wie aus dem zweiten Schaubild 410 ersichtlich, zeigt die zweite Drehmomentkurve 414 eine scharfe Verlangsamung der Maschine bzw. der Getriebeabtriebsdrehzahl nach dem Auftreffen der Maschine auf den Haufen an und bewegt sich dann um null, während sich die Maschinendrehzahl ausregelt.
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Eine dritte grafische Darstellung 416 stellt den Fehler bzw. die Differenz 418 zwischen der ersten und zweiten Kurve 412 und 414 dar, der bzw. die in der grafischen Darstellung zur Veranschaulichung gefiltert wurde, beispielsweise unter Anwendung eines gleitenden Mittelwerts. Wie aus der grafischen Darstellung ersichtlich, bewegt sich die Differenz 418 zwischen der ersten und zweiten Kurve 412 und 414 innerhalb eines erwarteten Bereichs 420, der durch zwei Punktlinien bezeichnet ist, bis das Ereignis des Auftreffens auf den Haufen eintritt. Im Anschluss auf das Auftreffen auf den Haufen beginnt die Differenz 418 zuzunehmen und übersteigt einen Fehlerschwellenwert 422, der mit einer gestrichelten Linie angezeigt ist. Der Fehler stabilisiert sich dann für eine Weile, die im Wesentlichen mit dem Ende der Maschinenverlangsamung beim Schieben der Schaufel in den Haufen zusammenfällt.
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Obgleich in den grafischen Darstellungen, die in 4 gezeigt sind, ein beispielhaftes Auftreffen auf den Haufen dargestellt ist, können sich die hierin dargestellten Daten abhängig von verschiedenen Faktoren ändern, wozu etwa die Dichte und Größe des Haufens, das Material des Haufens, der Bodenzug der Maschine, die Anfangsgeschwindigkeit der Maschine, das Gewicht der Maschine und andere Faktoren zählen. Jedoch können das qualitative Verhalten der Maschine und die Analyse der verschiedenen Parameter, wie hierin umrissen, verwendet werden, um Drehmomentübergänge durch Implementieren des Vergleichs der zwei unabhängigen Beschleunigungsbestimmungen, wie hierin besprochen, konsistent zu erkennen und zu behandeln.
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Eine beispielhafte Anwendung ist im Blockdiagramm von 5 gezeigt, in dem eine Regelungseinheit 500 gezeigt ist, die zum Erkennen von Drehmomentübergangsereignissen in einem CVT-Getriebe ausgebildet ist. Die Regelungseinheit 500 ist zum Empfangen von verschiedenen Betriebsparametern als Eingaben und zum Liefern einer Drehmomentübergangsanzeige 502 als Ausgabe angeordnet. Die Drehmomentübergangsanzeige 502 kann ein Analog- oder Digitalsignal sein, das der Motorregelungseinheit 232 (2) und/oder anderen Regelungseinheiten in der Maschine bereitgestellt werden kann, um zu signalisieren, dass eine Betriebsänderung auftritt oder kurz davor ist aufzutreten, sodass beispielsweise eine Motordrehzahl zum Vermeiden einer zu niedrigen Motordrehzahl verringert wird, das Auskuppeln von Getrieberädern vor Eintreten eines Maschinenstillstands implementiert werden kann, die Regelempfindlichkeit für Eingaben der Bedienungsperson, die zum Verringern des Getriebemoments kurz nach dem Auftreffen auf den Haufen vorausgesehen werden, erhöht wird und anderes.
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Die Regelungseinheit 500 umfasst eine erste Filterfunktion 504, die ein Drehmomentrückmeldungssignal 506 als Eingabe empfängt. Das Drehmomentrückmeldungssignal 506 kann von einem anderen Steuermodul innerhalb der Getrieberegelungseinheit 250 geliefert werden und ein berechnetes Drehmoment darstellen, das am Abtrieb des Getriebes 208 (2) in Echtzeit bereitsteht und als Teil eines Drehmomentregelschemas für das Getriebe benutzt werden kann. In einer Ausführungsform kann eine Bestimmung des Drehmoments T am Abtrieb des Getriebes auf einer Berechnung basieren, die die dann akutelle Motordrehzahl und -last, Getrieberadeinstellung, Variatoreinstellung und andere Parameter einbezieht, welche Angaben über das Antriebsdrehmoment des Getriebes sowie das insgesamt auf das Getriebe angewendete Untersetzungsverhältnis liefern. Am Ausgang der ersten Filterfunktion 504, die optional ist, wird ein erster Drehmomentwert 508 geliefert.
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Die Regelungseinheit 500 umfasst ferner eine Getriebeabtriebsdrehzahlsensoreingabe 510. Die Getriebeabtriebsdrehzahlsensoreingabe 510 kann von einem Drehzahlsensor erfasst werden, der zum Messen eines Parameters angeordnet ist, welcher mit der Abtriebsdrehzahl des Getriebes in Bezug steht, und der Regelungseinheit 232 oder der Getrieberegelungseinheit 250 ein Signal liefern, das diese Drehzahl angibt. In einer Ausführungsform kann die Getriebeabtriebsdrehzahlsensoreingabe 510 vom Fahrgeschwindigkeitssensor 246 (2) geliefert werden, dessen Signal eine Umwandlungsfunktion 511 durchläuft, die in Echtzeit das Signal filtert und seinen Wert anpasst, beispielsweise unter Berücksichtigung des Untersetzungsverhältnisses über mehrere Antriebsstrangbauteile, um eine Winkelgeschwindigkeit ω 512 der Abtriebswelle des Getriebes zu liefern.
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Der erste Drehmomentwert 508 wird einer Funktion 514 bereitgestellt, die in der dargestellten Ausführungsform eine erste Beschleunigung α auf Grundlage des Drehmoments T und der Trägheit der Maschine I gemäß einer geeigneten Gleichung berechnet, wie etwa α = T/I. Die Trägheit I kann ein konstanter Wert sein oder alternativ auf Grundlage eines Maschinengewichts berechnet werden, das auf Grundlage der Ladung der Maschine angepasst wurde. Die erste Beschleunigung 516 wird durch die Funktion 513 geliefert. Gleicherweise wird in einer Funktion 520 eine zweite Beschleunigung 518 als Ableitung der Winkelgeschwindigkeit 512 berechnet, wobei die Funktion in vereinfachter Form als α = d(ω)/dt ausgedrückt werden kann. Eine Differenz 522 zwischen der ersten und der zweiten Beschleunigung 516 und 518 wird an einem Summierpunkt 524 berechnet oder anderweitig bestimmt. Die Differenz 522 kann eine positive oder negative reelle Zahl sein, von der erwartet wird, dass sie in einem normalen Wertebereich liegt, wenn keine abrupten Änderungen des Drehmoments, das das Getriebe durchläuft, auftreten.
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In einer Ausführungsform wird ein Absolutwert der Differenz 522 berechnet und mit einer Vergleicherfunktion 530 mit einem Schwellenwert TQ_DOT_THR verglichen. Alternativ hierzu kann die Funktion 520 eine Ableitungsberechnungsfunktion sein, die die Ableitung berechnet, oder anders gesagt, Änderungen der Differenz 522 im Zeitverlauf quantifiziert. In einer derartigen Ausführungsform kann die Änderungsrate der Differenz mit TQ_DOT_THR verglichen werden, was nun eine Änderungsratenschwelle darstellen würde. Wenn der Absolutwert der Differenz oder die Änderungsrate der Differenz kleiner oder gleich dem Schwellenwert TQ_DOT_THR ist, erfolgt ein normaler Getriebebetrieb. Wenn der Absolutwert der Differenz jedoch größer als der Schwellenwert TQ_DOT_THR ist, wird mit einer Übergangserkennungstriggerfunktion 532 der Wert der Drehmomentübergangsanzeige geändert. In einer Ausführungsform kann die Triggerfunktion 532 ein digitales Signal liefern, wobei null die Abwesenheit eines Übergangs angibt und eins das Vorhandensein eines Übergangs angibt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Ausgabe der Triggerfunktion 532 als ein Faktor eingerichtet sein, der abhängig von der Schwere des Übergangsereignisses, die durch die Änderungsgrößenordnung oder -rate der Differenz 522 angezeigt wird, skaliert ist. So kann ein Faktor eins geliefert werden, wenn kein Übergang vorhanden ist, und der Faktor kann abhängig vom Ausmaß eines Übergangs auf vorbestimmte Art und Weise erhöht werden. Danach kann, wie vorher beschrieben, die Getriebedrehmomentregelung mit erhöhter Empfindlichkeit erfolgen, während die Übergangsbedingung vorliegt. In einer Ausführungsform umfasst die erhöhte Getriebedrehmomentregelungsempfindlichkeit das Anpassen des Regelns des Motors in der Motorregelungseinheit 232, um zu gewährleisten, dass die Motordrehzahl über einem Motordrehzahlschwellenwert gehalten wird. Anders gesagt kann die Erkennung eines Übergangs unter anderem benutzt werden, um eine Änderung eines annehmbaren untersten Motordrehzahlwerts in der Motorregelungseinheit zu signalisieren.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist zum Verbessern des Betriebs und der Bedienerfreundlichkeit von Fahrzeugen und Maschinen mit CVT-Getrieben anwendbar, die drehmomentgeregelt arbeiten. Im Vorliegenden werden Systeme und Verfahren zum wirksamen Erkennen von Drehmomentübergängen unter Verwendung von zwei unabhängigen Drehmomentanzeigen offenbart. Im Gegensatz zu bekannten Systemen, die von der Erkennung von Übergängen anhand einer Eingabe einer Bedienungsperson abhängen, macht die Nutzung von zwei unabhängigen Parametern für die Erkennung im offenbarten System die Bestimmung robuster und weniger abhängig von jeglicher Veränderlichkeit in der Steuerung der Maschine, die bei verschiedenen Bedienungspersonen auftreten kann. Zudem weisen die offenbarten Systeme und Verfahren, insofern als Drehmomentübergänge den Maschinen- und Fahrzeugbetrieb in zahlreichen unterschiedlichen Zusammenhängen beeinflussen können, beispielsweise wenn ein Radlader auf einen Haufen auftrifft oder wenn ein Rad eines Personenkraftwagens auf eine Bordsteinkante auftrifft, eine breite Anwendbarkeit für zahlreiche andere Arten von Maschinen, Fahrzeugen und Antriebssträngen neben jenen auf, die obenstehend bereits beschrieben wurden.
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Ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Erkennen eines Übergangsereignisses in einem Maschinenantriebsstrang ist in 6 gezeigt. Das Verfahren umfasst das Überwachen eines ersten Getriebeabtriebsdrehzahl-(TOS-)Parameters 602 und das Berechnen einer Ableitung davon, die eine erste Beschleunigung 604 angibt. Die erste Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigung kann ein Wert sein, der von einem verwandten Parameter abgeleitet ist, beispielsweise einem abgeschätzten Drehmomentparameter des Getriebes, der zur Getrieberegelung benutzt wird. In diesem Falle ist die Getriebeabtriebsdrehzahl eine Winkelgeschwindigkeit oder Wellendrehzahl einer Getriebeabtriebswelle, die direkt unter Benutzung eines Sensors gemessen oder anderweitig aus verwandten Parametern abgeleitet werden kann, wie etwa einer Fahrgeschwindigkeit der Maschine. Ein zweiter Parameter wird bei 606 überwacht, und eine zweite Beschleunigung wird bei 608 berechnet. Der zweite Parameter kann eine Drehmomentrückmeldung des Getriebes sein, die zum Berechnen eines zweiten Beschleunigungsparameters unter Benutzung der Maschinenträgheit verwendet wird, welche abgeschätzt oder als Konstante angenommen werden kann. Der erste und zweite Getriebeabtriebsdrehzahlbeschleunigungsparameter, die unabhängig voneinander sind, werden bei 610 verglichen, und eine Bestimmung, ob die Abweichung zwischen ihnen einen Schwellenwert übersteigt, wird bei 612 getroffen. Wenn die Abweichung unter dem Schwellenwert liegt, erfolgt bei 614 ein normaler Getriebebetrieb. Wenn und während die Abweichung zwischen den Ableitungen des ersten und zweiten Drehmomentparameters den Schwellenwert übersteigt, wird bei 616 ein Übergangserkennungstrigger aktiviert und bei 618 erfolgt die Getrieberegelung mit erhöhter Empfindlichkeit.
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Man wird erkennen, dass die vorstehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik gibt. Es ist jedoch berücksichtigt, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorstehenden Beispielen abweichen können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder Beispiele davon sind als Verweise auf das konkret besprochene Beispiel gedacht und sollen keinerlei Einschränkung des allgemeineren Schutzumfangs der Offenbarung implizieren. Sofern Unterscheidungen zu bestimmten Merkmalen gemacht oder diese Merkmale als weniger vorteilhaft dargestellt werden, ist dies als fehlende Bevorzugung dieser Merkmale zu verstehen, soll diese jedoch nicht völlig aus dem Schutzumfang der Offenbarung ausschließen, sofern nichts Anderweitiges angegeben ist.
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Die Nennung von Wertebereichen im Vorliegenden soll lediglich als Kurzformel für die individuelle Nennung jedes einzelnen in den entsprechenden Bereich fallenden Wertes dienen, so dass jeder einzelne Wert auf die gleiche Weise in die Patentschrift aufgenommen ist, als ob er im Vorliegenden individuell erwähnt wäre. Alle im Vorliegenden beschrieben Verfahren können in jeder geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, soweit im Vorliegenden nichts Anderweitiges angegeben ist oder sich ein anderweitiger eindeutiger Widerspruch durch den Kontext ergibt.
