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Hydrostatisches Axialkolbengetriebe Die Erfindung bezieht sich auf
ein hydrostatisches Axialkolbengetriebe mit in einem gemeinsamen Zylinderkörper
angeordneten, an einer in ihrer Neigung verstellbaren Taumelscheibe bzw. einer nicht
verstellbaren Taumelscheibe gelenkig angreifenden Kolben für den Primär- bzw. Sekundärteil,
bei dem die als Schieber ausgebildeten Kolben die Umwälzung des Arbeitsmittels in
den zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil angeordneten Verbindungskanälen
vermitteln.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine besonders einfache Steuerung
für den Arbeitsmittelstrom zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kolben an den Taumelscheiben
um eine einzige, senkrecht zur Kolbenachse stehende Drehachse schwenkbar angreifen
und als Drehschieber mit unmittelbar die Verbindungskanäle mit den Zylinderräumen
verbindenden und trennenden Öffnungen ausgebildet sind.
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Bei einem bekannten Axialkolbengetriebe greifen die Kolben mit Kugelgelenken
an den Taumelscheiben an, so daß eine zwangläufige Drehung der Kolben in den Zylindern
nicht erreicht werden kann. Die Kolben sind zur Steuerung des Druckmittelstromes
als Längsschieber ausgebildet, was eine recht komplizierte Anordnung der Kanäle
im Zylinderkörper zur Folge hat.
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Es ist weiterhin eine hydrostatische Axialkolbenmaschine bekannt,
bei der an Stelle einer Taumelscheibe eine Kurvenscheibe vorgesehen ist, die an
Schultern der als Drehschieber ausgebildeten Kolben angreift. Die Drehbewegung der
Kolben wird mittels eines auf der die Kurvenscheibe tragenden Antriebswelle angeordneten
Zentralrades und auf den Kolben angeordneten, mit dem Zentralrad im Eingriff stehenden
Zahnrädern erzeugt. Diese Anordnung verlängert die Gesamtlänge der Maschine in erheblichem
Maße, und es können nur verhältnismäßig kurze Hübe der Kolben erreicht werden.
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Es ist bei Axialkolbenpumpen, deren Kolben durch Kugelgelenke mit
der Taumelscheibe verbunden sind, bekannt, zur Steuerung des Arbeitsmittels einen
gesonderten, zentrisch angeordneten Längsschieber vorzusehen, dessen Umfang eine
der Kolbenanzahl entsprechende Anzahl von Steuermuffen aufweist, die den Zu- und
Abfluß des Arbeitsmittels steuern. Die Kolben sind dabei hohl ausgebildet und weisen
öffnungen in den Seitenwänden auf.
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Auch ist es bekannt, das Kugelgelenk der Axialkolben in einem Gleitschuh
vorzusehen, der mittels einer Ringscheibe in Anlage an der Taumel- bzw. Schiefscheibe
gehalten wird und der in der der Taumel- bzw. Schiefscheibe zugekehrten Fläche eine
Aussparung aufweist, die über Bohrungen in den Gleitschuhen und den Kolben mit dem
Zylinderraum in Verbindung steht.
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Außerdem ist es bei Exzenter- oder Taumelscheibenpumpen bekannt, die
Kolben lediglich schwenkbar am Gleitschuh zu befestigen.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes werden die
Kolben, wie an sich bekannt, hohl ausgebildet, und die Öffnungen sind in der Seitenwand
der Kolben angeordnet. Um eine sehr einfache Herstellung der Verbindungskanäle zu
erzielen, werden die Verbindungskanäle von einem zwischen einer Bohrung in dem Zylinderkörper
und der in die Bohrung eingesetzten und mit dem Zylinderkörper fest verbundenen
Getriebeachse vorgesehenen Raum gebildet.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind, wie an sich bekannt,
die Taumelscheiben mit Gleitringen versehen, in denen die Kolben schwenkbar gelagert
sind, und die Gleitringe sind mittels einer Ringscheibe an den Taumelscheiben gehalten.
Hierbei können die Kolben mit quer zur Kolbenachse angeordneten zylindrischen Vorsprüngen
und die Gleitringe mit entsprechenden Bohrungen versehen sein.
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Zur Erzielung einer guten Schmierung können die gegen die Taumelscheiben
gerichteten Flächen der Gleitringe, wie an sich bekannt, mit Aussparungen versehen
sein. die über Bohrungen in den Gleitringen
und den Kolben mit den
Zylinderräumen in Verbindung stehen.
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein hydrostatisches
Axialgetriebe, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1, F i g. 3
einen Schnitt nach der Linie 3-3 der F i g. 1, F i g. 4 einen vergrößerten Schnitt
nach der Linie 4-4 der F i g. 3, F i g. 5 einen vergrößerten Schnitt nach der Linie
5-5 der F i g. 1, F i g. 6 einen vergrößerten Schnitt durch den Zylinder, den Kolben,
den Gleitring, die Kolbenringscheibe und die Taumelplatte nach der Linie 6-6 der
F i g.1 und F i g. 7 einen Schnitt nach der Linie 7-7 der F i g. 6. F i g. 1 zeigt
ein Axialkolbengetriebe 9 nach der Erfindung mit einstückig ausgebildeten Zylinderblöcken
10 und 11, die mit einer Antriebswelle 12 verbunden und von einer Hülse 13
umschlossen sind. Das Ganze ist in einem Gehäuse 14 eingeschlossen.
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Die Zylinderblöcke 10 und 11 sind mit in gleichen Winkelteilungen
um einen gemeinsamen Mittelpunkt herum angeordneten zylindrischen, axial gerichteten
Bohrungen versehen, die zwei Gruppen von Zylindern 15 und 16 bilden, in denen zwei
Gruppen von Kolben 17 und 18 gleitend gelagert sind, von denen die eine Gruppe 17
mit einer im Gehäuse 14 schwenkbar gelagerten Taumelscheibe 19 und die andere Gruppe
18 mit einer in festem Winkel angeordneten Taumelscheibe 20 verbunden sind. Die
verschwenkbare Taumelscheibe 19 ist im Gehäuse 14 in Gleitlagern gelagert (nicht
gezeigt). Die Zylinderblöcke 10 und 11 dienen mit ihren Bauteilen als Pumpe bzw.
als Motor, in Abhängigkeit davon, ob das Getriebe sich im Vorwärts- oder Rückwärtsgang
befindet. Der Zylinderblock 10 mit seinen Bauteilen wird als Einheit A und
der Zylinderblock 11 mit seinen Bauteilen als Einheit B bezeichnet.
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Um eine Verbindung zwischen den Kolben und den entsprechenden Taumelscheiben
herzustellen, sind die Kolben mit einem quer zur Kolbenachse gerichteten zylindrischen
Vorsprung 21 versehen und werden von je einer mit Öffnungen 23 versehenen Ringscheibe
22, jeweils eine für jede Kolbengruppe, in Anlage zur Taumelscheibe gehalten. Die
Gleitringe 24 sind mit zylindrischen Querbohrungen 25 versehen, in denen die zylindrischen
Vorsprünge 21 der Kolben gelagert sind. Um die Kolbenvorsprünge 21 und die Gleitringe
zusammenbauen zu können, sind auf einer Seite der Querbohrungen 25 Ausnehmungen
26 vorgesehen, durch die Kolbenvorsprünge 21 in die Querbohrungen 25 einführbar
sind, wobei ein Sicherungsring 27 das ganze zusammenhält. Nach dem Zusammenbau der
Bauteile in der beschriebenen Weise werden die Ringscheiben 22 innerhalb ringförmiger
Ausnehmungen 28 und 29 der Taumelplatten 19 bzw. 20 angeordnet und werden durch
Klemmen 30 an gehärteten Abnutzungsscheiben 28 a und 29 a angedrückt. Bei dieser
Verbindung der Gleitschuhe und der Kolben wird im Gegensatz zu den bisher üblichen
Kugelgelenken eine um nur eine Achse verschwenkbare Gelenkverbindung benutzt, so
daß alle Kolben immer in derselben Richtung ausgerichtet sind. Die Kolben 17 und
18 sind mit zylindrischen Axialbohrungen 31 versehen, die mit Strömungsmittelkanälen
32, die sich durch die zylindrischen Kolbenvorsprünge 21 erstrecken und Zylinderräume
bilden, in Verbindung stehen. Die Gleitringe 24 sind mit Strömungsmitteldurchflußöffnungen
33 sowie Ausnehmungen 34 in der Gleitfläche versehen, die als Schmiermittelkammern
dienen. Die Antriebswelle 12 ist an ihrem Antriebsende 35 in einem Lager 36 gelagert,
das in einer Bohrung 37 des Gehäuses 14 angeordnet ist. Das gegenüberliegende Ende
38 der Welle 12 ist in einer Bohrung 39 der nicht verstellbaren Taumelplatte 20
gleitend gelagert, die mit einer Abtriebsnabe 40 verbunden ist, die in einem Lager
41 innerhalb einer Bohrung 42 des Gehäuses 14 gelagert ist. Die Abtriebsnabe
40 ist mit einer keilnutverzahnten Bohrung 43 zur Aufnahme einer AbtriebswelIe (nicht
gezeigt) versehen. Zwischen der Bohrung 39 und der keilnutverzahnten Bohrung 43
ist ein Stöpsel 44 vorgesehen, um einen Strömungsmittelverlust zu verhindern. Die
Abtriebsnabe 40 kann auch als Antriebswelle wirken, wodurch die Antriebswelle 12
zum Abtrieb wird.
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Der mittlere Bereich der Antriebswelle 12 hat einen verminderten Durchmesser
45, so daß innerhalb der Zentralbohrung der Zylinderblöcke 10 und 11 eine ringförmige
Strömungsmittelkammer 46 entsteht, die beim normalenBetrieb als Hochdruckverbindungskanal
zwischen den Einheiten A und B
wirkt. Der verminderte Durchmesser 45
ist in seinem mittleren Bereich mit gegenüberliegenden, radial gerichteten Ansätzen
47 und 48 versehen, die mit ihren äußeren Endflächen zur Bildung einer Einheit mit
den Zylinderblöcken 10 und 11 hart verlötet sind.
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Im Bereich zwischen den einstückigen Zylinderblöcken 10 und 11 ist
ein Ventil 49 vorgesehen, das teilweise in den Ansätzen 47 oder 48 angeordnet ist,
im vorliegenden Fall in dem Ansatz 48. Das Ventil 49 weist eine zylindrische
Bohrung 50 mit einem darin gleitenden Kolbenschieber 51 auf, der durch eine
vorgespannte Feder 52, die sich an einem Stopfen 53 abstützt, der von einem O-Ring
54 umgeben und durch einen Federring 55 in Stellung gehalten ist, gegen das innere
Ende der Zylinderbohrung 50 gedrückt wird.
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An den Außenumfängen der aus einem Stück gebildeten Zylinderblöcke
10 und 11 und der Hülse 13 sind über die ganze Länge mit gleichmäßigem Abstand in
Längsrichtung verlaufende Nuten 56 vorgesehen. Nur dort, wo eine Unterbrechung durch
das Ventil 49 verursacht wird, sind eine in Längsrichtung verlaufende Nut
56 a und eine in Längsrichtung verlaufende Nut 56b auf den gegenüberliegenden
Seiten des neutralen Ventils 49 vorgesehen. Die Nuten 56 dienen als Niederdruckdurchflußkanäle
zwischen den EinheitenA und B bei normalem Betriebszustand.
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Die Strömungsmittelkanäle 57 und 58 verbinden die zylindrische Bohrung
50 mit den in Längsrichtung verlaufenden Nuten 56a bzw. 56b. Die zylindrische
Bohrung 50 steht außerdem in Verbindung mit der ringförmigen Strömungsmittelkammer
46, und zwar durch die Strömungsmittelkanäle 59 und 60. Das innere Ende der Zylinderbohrung
50 ist mit einer Strömungsmittelöffnung 61 versehen, die eine Verbindung zwischen
einem Strömungsmittelkanal 61a im Ventil 51 und einem Strömungsmittelkanal
62 in der Welle 12 bildet, der mit einer Strömungsmitteldruckquelle (nicht gezeigt)
verbunden ist. Eine dieser Nuten 56 ist durch einen Strömungsmittelkanal 63 mit
dem Strömungsmittelkanal 62 verbunden. In den Zentralbohrungen der miteinander verbundenen
Zylinderblöcke
10 und 11 sind abgestufte ringförmige Nuten 64 bzw.
65 vorgesehen, die in den Zylindergruppen 15 bzw. 16 Hochdrucköffnungen bilden.
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In den Umfängen der Zylinderblöcke 10 und 11 sind ringförmige Nuten
66 bzw. 67 vorgesehen, die die in Längsrichtung verlaufenden Nuten 56 und 56a und
56 b wie auch die Zylinderbohrungen 15 und 16 schneiden und dadurch Niederdrucköffnungen
in den Zylindern bilden.
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Jeder der hohlen Kolben ist mit einer verhältnismäßig großen radialen
Kolbenöffnung 68 versehen, die mit dem Zylinderraum 31 in Verbindung steht. Unmittelbar
auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens sind zwei verhältnismäßig kleine Öffnungen
69 und 70 in ausgenommenen Bereichen 71 und 72 in einem axialen Abstand von der
großen Öffnung 68 vorgesehen. Dadurch soll ein Druckausgleich am Kolben ermöglicht
werden.
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Der Druckmittelstrom wird durch die Drehung der Kolben innerhalb der
Zylinder gesteuert. Die relative Kolbendrehung gegenüber den Zylindern wird durch
die besondere Taumelscheibenkonstruktion erzwungen. Wenn die Taumelscheibe 19 der
Einheit A so eingestellt ist, daß sie denselben Kolbenhub erzeugt wie die Taumelscheibe
20 der Einheit B, dann ist die Drehzahl der Einheit A gleich der Drehzahl der Einheit
B, und die Taumelscheibe 20 mit ihrer Abtriebsnabe 40 steht still. Dies ist die
neutrale Einstellung des Getriebes, wie sie in der F i g. 1 gezeigt ist.
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Im Betrieb wird beim Starten aus der neutralen Einstellung und bei
der Winkelverstellung der verstellbaren Taumelscheibe 19 gegenüber der Längsachse
durch bekannte Mittel (nicht gezeigt) das Verdrängervolumen der Einheit A vermindert,
was eine proportionale Abnahme in der Drehzahl der Einheit relativ zur Abtriebsnabe
40 verursacht und dadurch die Abtriebsnabe 40 zwingt, sich relativ zum Zylinderblock
10, 11 zu drehen.
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Bei weiterer Verstellung der Taumelscheibe 19 zur Längsachse wird
die Drehzahl der Nabe 40 proportional zu dem weiter verminderten Verdrängervolumen
der Einheit A erhöht, bis das Verdrängervolumen Null erreicht ist. Bei diesem Wert
wird eine hydraulische Sperrung erzielt, und das Getriebe arbeitet mit dem Drehzahlverhältnis
1 : 1. Dies kann jedoch bei der Erfindung nicht ganz erreicht werden, weil bei senkrechter
Lage der Taumelscheibe 19 die Kolben in der Einheit A sich bei der Drehung
bewegen könnten und dabei die Ausrichtung der Kolben in bezug auf die Kolbenöffnungen
verlorenginge. Es ist ein Anschlag (nicht gezeigt) vorgesehen, um die Verstellung
der Taumelscheibe 19 kurz vor der senkrechten Lage zu begrenzen.
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Die Zufuhr der hydraulischen Flüssigkeit erfolgt über den Strömungsmittelkanal
62 in der Welle 12, der über den Strömungsmittelkanal 63 mit der Niederdruckseite
der Anlage verbunden ist. Die Verbindung zwischen den Zylinderbohrungen 15 und 16
und der ringförmigen Strömungsmittelkammer 46 ist durch die ringförmig abgestuften
Nuten 64 bzw. 65 vorgesehen, die eine Verbindung mit den großen Kolbenöffnungen
68 herstellen. Die Steuerstellung dieser Öffnungen ist durch ihre Stellung in Abhängigkeit
vom Hub zwangläufig gegeben. Wenn eine Drehbewegung der Abtriebsnabe 40 durch eine
Winkelverstellung der Taumelscheibe 19 in Richtung auf die senkrechte Lage zur Wellenachse
erfolgt, wird ein Druck aufgebaut. Bei der Bewegung der Kolben innerhalb der Zylinder
strömt das unter Druck stehende hydraulische Strömungsmittel aus der Einheit B durch
die Öffnungen 68 und die Hochdruckzylinderöffnungen, die durch die ringförmigen
gestuften Nuten gebildet sind, in die ringförmige Strömungsmittelkammer 46. Das
Hochdruckströmungsmittel strömt durch den Kanal 46 und die Öffnungen 64 und 68 in
die Zylinder der Einheit A und drückt dabei die Kolben nach außen. Beim Einwärtshub
der Kolben der Einheit A wird das Strömungsmittel durch die Kolbenöffnungen 68 und
die Hochdruckzylinderöffnungen, die durch die ringförmig abgestuften Nuten 66 gebildet
sind, in die Niederdruckkanäle 56 und damit zurück in die Einheit B gepreßt. Beim
Saughub der Kolben der Einheit B bewirkt ihre relative Drehung, daß die großen Kolbenöffnungen
68 dem Umfang der Zylinderblöcke zugewendet werden, so daß das hydraulische Strömungsmittel
von einer oder mehreren der benachbarten in Längsrichtung verlaufenden Nuten 56
einströmen kann, und zwar durch die Niederdrucköffnungen der Zylinder, die durch
die ringförmige Nut 67 gebildet sind.
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Die Ausnehmungen 71 und 72 werden durch die kleinen Kolbenöffnungen
69 und 70 mit unter Druck stehendem hydraulischem Strömungsmittel gefüllt, wodurch
Strömungsmitteldruckkräfte gebildet werden, die die Druckkräfte, die durch die Flächen
der Öffnungen 68 entstehen, ausgleichen.
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Durch die Ausnehmungen 34 werden Strömungsmitteldrucklager für die
Gleitschuhe gebildet, die durch die Strömungsmittelkanäle 32 und 33 in den Kolbenvorsprüngen
21 bzw. in den Gleitringen 24 mit unter Druck stehendem Strömungsmittel versehen
werden.
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Wenn das Getriebe sich in der neutralen Stellung befindet und die
Antriebswelle 12 gedreht wird, wird durch die Offenstellung des neutralen Ventils
49 bei niedriger Drehzahl das Drehmoment an der Abtriebsnabe vermindert, da das
hydraulische Strömungsmittel frei zwischen dem ringförmigen Hohlraum 46 und den
in Längsrichtung verlaufenden Nuten 56, 56 a und 56 b durch die Strömungsmittelkanäle
57, 58, 59 und 60 umlaufen kann. Wenn jedoch die Drehzahl erhöht wird, dann überwindet
die auf den Kolbenschieber 51 wirkende Zentrifugalkraft die Kraft der Feder 52,
so daß die Strömungsmittelkanäle 59 und 60 geschlossen werden, was den Umlauf des
hydraulischen Strömungsmittels absperrt und somit den Aufbau eines hydraulischen
Druckes gestattet. Bei dieser Betriebsweise arbeitet die Einheit B als Pumpe. Das
Fördervolumen ist proportional dem Drehzahlunterschied zwischen der Antriebswelle
und der Abtriebswelle, und der Druck ist proportional dem Abtriebsdrehmoment. Die
Einheit A arbeitet als Motor und führt die Energie des gepumpten Strömungsmittels
zu der Antriebswelle zurück und vermindert die Drehmomentanforderungen der Antriebswelle
gemäß der grundsätzlichen Kraftübertragungsgleichung: To -No=E-Ti-Ni, worin
E = Gesamtwirkungsgrad des Getriebes, To = Abtriebsdrehmoment, No
= Abtriebsdrehzahl (UpM), Ti = Antriebsdrehmoment, Ni = Antriebsdrehzahl
ist.
Eine Umkehr der Kraftübertragung wird dadurch erreicht, daß
die verstellbare Taumelscheibe 19 weiter aus der rechtwinkligen Stellung, d. h.
aus ihrer neutralen Stellung, bewegt wird. Diese bewirkt eine größere Verdrängung
in der Einheit A als in der Einheit B. Die Abtriebswelle dreht sich dann entgegengesetzt
zur Antriebswelle, so daß die Funktion der Einheiten A und B vertauscht
wird und die Einheit B
als Pumpe und die Einheit A als Motor arbeiten, wobei
die Kanäle 56, 56a und 56b die Hochdruckseite und die ringförmige
Strömungsmittelkammer 46 die Niederdruckseite bilden.
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Das Getriebe nach der Erfindung kann auch so arbeiten, daß ein Antriebsdrehmoment
auf die mit der nicht verstellbaren Taumelscheibe 20 verbundene Welle ausgeübt wird,
so daß die Abtriebswelle zur Antriebswelle wird und umgekehrt. Für gleiche Richtung
der Abtriebsdrehzahl ist die Einheit B die Pumpe und die Einheit A der Motor. In
dieser Anordung ist die Leistung der Einheit A größer als die Leistung der Einheit
B. Daher ist die Einheit B so bemessen, daß sie dem höchsten Eingangsdrehmoment
beim Auslegungsdruck entspricht, und die Höchstverdrängung der Einheit A ist so
bemessen, daß sie dem höchsten Drehmomentverhältnis entspricht, mit dem gearbeitet
werden soll entsprechend der Formel
Verdrängungsverhältnis. Somit sollte bei einer Einheit, die so ausgelegt ist, daß
sie ein maximales Drehmomentverhältnis von 10: 1 ergibt, die maximale Verdrängung
der Einheit A neutral so groß sein wie die Verdrängung der Einheit B.