DE19826452A1 - Verfahren zur Antriebskoordinierung von einzelradgetriebenen, spurgeführten Fahrzeugen - Google Patents

Verfahren zur Antriebskoordinierung von einzelradgetriebenen, spurgeführten Fahrzeugen

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Abstract

Verfahren zur Antriebskoordinierung eines einzelradgetriebenen, spurgeführten Fahrzeugs (26) auf gerader Strecke, bei dem eine Differenzdrehzahl (DELTAn) von gegenüberliegenden Rädern (18) ermittelt wird, ein Stell-Wert (DELTAM) durch einen Regler (13) in Abhängigkeit eins Soll-Werts ermittelt wird, wobei der Soll-Wert idealerweise Null ist und die Frequenz und die Dämpfung des Wellenlaufs mit Hilfe von Reglerparameter dynamisch einstellbar sind. Des weiteren umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Antriebskoordinierung eines einzelradgetriebenen, spurgeführten Fahrzeuges (26), insbesondere bei Kurvenfahrten, bei dem mindestens eine Achse (20) drehbar gegenüber dem Fahrwerkrahmen (17) befestigt ist, wobei die Winkelstellung (gamma) der Achse (20) gegenüber dem Fahrwerkrahmen (17) so geregelt wird, daß die Räder (18) tangential zur Schiene stehen, indem die Winkelstellung (gamma) der Achse (20) über die Drehmoment-Soll-Werte (M¶soll,l¶, M¶soll,r¶) der Einzelradantriebe (11, 12) eingestellt wird. Ferner umfaßt die vorliegende Erfindung eine Kombination der beiden genannten Verfahren, wobei die Achse (20) beim Unterschreiten eines bestimmten Kurvenradius durch ein Arretierungsmittel (25) festgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Antriebskoordinierung von einzelradgetriebenen spurge­ führten Fahrzeugen.
Die Verwendung der Einzelradantriebstechnik in Verbin­ dung mit Niederflurfahrzeugen ist Stand Technik. Hier­ durch konnte auf die bisher übliche Radsatzwelle, die sich bei einem Niederflurfahrzeug durch den Fahr­ gastraum erstrecken würde, verzichtet werden.
Die Räder einer Radsatzwelle rotieren aufgrund der starren Achsverbindung mit der gleichen Umdrehungszahl. Die Radsatzwelle hat in Verbindung mit kegelförmigen Radprofilen die natürliche Eigenschaft bei einem seit­ lichen Versatz des Radsatzes aus der Gleismitte selbst­ tätig zu wenden, d. h. eine Schwenk- bzw. Wendebewegung um die Hochachse auszuführen. Ein einmal angeregtes Fahrwerk führt somit eine sinusförmige Wellenbewegung im Spurkanal, den sog. Wellenlauf, aus. Die Frequenz und die Dämpfung hängen dabei bei gegebener Fahrwerks­ konstruktion von der Geschwindigkeit ab.
Das selbständige Wenden verhindert den dauernden ein­ seitigen Spurkranzanlauf eines Rades im geraden Gleis ohne äußere Unterstützung. Hierdurch wird ein einseiti­ ger Spurkranzanlauf verhindert, der zu einem ungleich­ mäßigen Verschleiß führen würde.
Nachteilig ist jedoch, daß ein Radsatz, der in einem geraden Gleis häufig zu Wendebewegungen angeregt wird, unruhig läuft. Verschleiß an Rädern und Schienen sowie ein verminderter Fahrkomfort sind die logische Konse­ quenz. Besonders nachteilig ist der Wellenlauf bei sehr hohen Geschwindigkeiten, da die Dämpfung mit der Ge­ schwindigkeit abnimmt. Die Maximalgeschwindigkeit bei heutigen Hochgeschwindigkeitszügen wird u. a. durch die Stabilitätsgrenze des Wellenlaufes begrenzt.
Für ein schlupffreies Abrollen der Räder in Kurven muß sich das äußere Rad schneller drehen als das innere. Wie oben bereits ausgeführt sind die Drehzahlen der Rä­ der bei einer Radsatzwelle identisch, wodurch während einer Kurvenfahrt ein Schlupf zwischen Rad und Schiene entsteht, der am äußeren Rad eine Bremskraft und am in­ neren Rad eine Antriebskraft ausübt. Dieses Kräftepaar wirkt der durch den Gleisverlauf erzwungenen Wendebewe­ gung des Fahrwerks entgegen. Zur Kompensation dieses gegenläufigen Wendemoments sind erhöhte Spurführungs­ kräfte erforderlich, die den Verschleiß und die Ent­ gleisungsgefahr erhöhen.
Neben den aufgeführten Nachteilen besteht jedoch der wesentliche Nachteil konventioneller mehrachsiger Fahr­ werke in der nahezu starren Verbindung der Achse mit dem Fahrwerkrahmen, wodurch eine radiale Einstellung der Achse in Kurven unmöglich ist.
Aus der DE 195 40 089 A1 ist ein Verfahren zur sicheren und verschleißarmen Führung von Fahrzeugen entlang ei­ nes vorgegebenen Kurses bekannt, bei dem die zur Ein­ haltung des Kurses erforderlichen Lenkbewegungen durch Antriebs- und Bremsdrehmomente gleicher Größe aber ent­ gegengesetzter Richtung erfolgen, die die zum Lenken notwendigen Lenkmomente ergeben. Bei diesem Verfahren geht es um die Ansteuerung der Antriebsräder in Kurven­ fahrten. Die Achse ist jedoch weiterhin starr mit dem Fahrwerkrahmen verbunden. Es versteht sich von selbst, daß die Drehmomente mit entgegengesetzter Richtung er­ folgen müssen, da ansonsten eine Beschleunigung des Fahrzeuges erfolgt. Weiterhin ist diese Technik des Lenkens vom Kettenfahrzeugen, wie z. B. einer Raupe, be­ kannt.
Aus der DE 195 38 379 C1 ist ein zweirädriges Fahrwerk mit Einzelradantrieb für spurgeführte Fahrzeuge mit ge­ steuerter Lenkung bekannt, bei dem das Fahrwerk pro Radträger zwei jeweils außerhalb der Radaufstandspunkte befindliche vertikale Schwenkachsen aufweist, wobei abwechselnd - unter Arretierung der Position der aktu­ ell bogenäußeren Schwenkachse - der Radträger um genau diese Achse geschwenkt wird.
Aus der DE 41 35 691 A1 ist ein Verfahren zur Regelung von Fahrzeugen mit Einzelrad-Antriebs- und Bremsmoduln bekannt, die neben optimaler Ausnutzung des Kraft­ schlusses und der Vermeidung von Slip/Stick-Effekten führungsunterstützend wirken können. Hierbei weist je­ des Antriebsmodul einen eigenen Drehmomentregelkreis auf, mit einem Schätzglied zur Ermittlung des jeweili­ gen Drehmoment-Ist-Wertes, wobei die Drehmomentregel­ kreise über mehrere Minimalwertstufen miteinander ge­ koppelt sind, um die Seitenkräfte zu eliminieren.
Aus der EP 0 511 949 B1 ist ein Verfahren zu Steuerung eines Fahrwerks ohne starre Achsverbindungen bekannt, bei welchem zumindest zwei einander gegenüberliegende Räder einzeln von separat ansteuerbaren Anriebseinhei­ ten angetrieben werden und bei dem während der Kurven­ fahrt die Antriebseinheiten einander gegenüberliegender Räder mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden, wobei oberhalb einer Mindestgeschwindigkeit von 10 km/h, insbesondere bei Geradeausfahrten, die Leistung der Antriebseinheiten einander gegenüberliegender Räder periodisch innerhalb vorbestimmter Bandbreiten erhöht und erniedrigt wird, wobei die Leistungsänderung einan­ der gegenüberliegender Räder gegenphasig erfolgt.
Aus der EP 0 590 183 B1 ist ein Verfahren zur Verbesse­ rung der Laufeigenschaften eines mit mehreren Einzelrä­ dern versehenen Fahrwerks eines Schienenfahrzeuges be­ kannt, deren Fahrmotoren mittels zweier Steuer- und Re­ geleinrichtungen radblockweise gespeist werden. Dabei werden aus den ermittelten Raddrehzahlen zwei Radblock­ drehzahlen bestimmt, aus denen ein Drehzahldifferenz- Ist-Wert gebildet und mit einem vorbestimmten Drehzahl­ differenz-Soll-Wert verglichen wird. In Abhängigkeit von dieser Regeldifferenz wird dann ein Stellwert er­ zeugt, der durch Addition bzw. Subtraktion eines Fahr­ hebel-Soll-Wertes einen Drehmoment-Soll-Wert für den jeweiligen Radblock bildet. Der Drehzahldifferenz-Soll- Wert wird in Abhängigkeit eines ermittelten Bogenradius und einer Fahrwerks-Drehzahl ausschließlich für einen Radblock bestimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah­ ren zur Antriebskoordinierung von einzelradgetriebenen, spurgeführten Fahrzeugen auf geraden und kurvigen Strecken zu schaffen, bei dem mit minimalem Verschleiß, hoher Sicherheit und geringem konstruktiven Aufwand so­ wohl Kurven durchfahren als auch höhere Geschwindigkei­ ten im geraden Gleis erzielt werden können.
Gelöst wird die Aufgabe indem bei Kurvenfahrten die Winkelstellung der gegenüber dem Fahrwerkrahmen drehbar befestigten Achse so eingeregelt wird, daß die Räder tangential zur Schiene stehen, indem die Winkelstellung der Achse über die Drehmoment-Soll-Werte der Einzelrad­ antriebe eingestellt wird. Die Drehmoment-Soll-Werte für die drehmomentgeregelten Einzelradantriebe berech­ nen sich aus dem angeforderten Beschleunigungsmoment und dem von einem Lenkregler ermittelten Stell-Wert. Der Lenkregler bestimmt dabei abhängig von der Krümmung der Schiene - aus der der Lenkwinkel-Soll-Wert berech­ net wird - und der Winkelstellung der Achse - die dem Ist-Wert entspricht - den Stell-Wert.
Die Krümmung der Kurve wird hierbei laufend erfaßt, um bei Unterschreiten eines Schwellenwerts die Achse durch ein Arretierungsmittel festzustellen, damit ein ruhiger Lauf auf der geraden Strecke gesichert ist.
Bei gerader Strecke wird eine Differenzdrehzahl von sich gegenüberliegenden Räder erfaßt und in Abhängig­ keit von diesem Differenzdrehzahl-Ist-Wert und einem Differenzdrehzahl-Soll-Wert durch einen Zentrierungs­ regler ein Stellwert ermittelt, wobei die Frequenz und die Dämpfung des Wellenlaufs mit Hilfe von Reglerpara­ metern dynamisch einstellbar sind. Der Soll-Wert ist dabei idealer Weise Null. Die Drehmoment-Soll-Werte für die drehmomentgeregelten Einzelradantriebe berechnen sich aus dem angeforderten Beschleunigungsmoment und dem Stell-Wert.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprü­ chen beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher be­ schrieben; es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Rege­ lung für gerade Stecken für ein Fahrwerk, dessen Räder mit drehmomentgeregelten Einzelantrieben verbunden sind, deren Drehmoment-Soll-Wert in Abhängigkeit von der Differenzdrehzahl der Räder und dem vom Fahrerpult vorgegebenen Drehmoment berechnet wird;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Rege­ lung für kurvige Stecken für ein Fahr­ werk, dessen Räder mit drehmomentgeregel­ ten Einzelantrieben verbunden sind, deren Drehmoment-Soll-Wert in Abhängigkeit von der Krümmung der Kurve, der Winkelstel­ lung der Achse und dem vom Fahrerpult vorgegebenen Drehmoment berechnet wird;
Fig. 3 die Kombination der Steuerung aus Fig. 1 und Fig. 2, wobei ein Arretierungsmittel bei Unterschreiten einer vorgegebenen Krümmung die schwenkbare Achse fest­ stellt.
Fig. 1 zeigt eine Antriebskoordinierungsregelung 10 für gerade Strecken, die drehmomentgeregelte Einzelrad­ antriebe 11 und 12 eines Schienenfahrwerks 26 ausre­ gelt. Die Einzelradantriebe 11 und 12 sind mit einander sich gegenüberliegenden Rädern 18 verbunden. Aus den durch Drehzahlsensoren 14 ermittelten Drehzahlen der Räder 18 wird durch ein Subtraktionswerk 16 eine Diffe­ renzdrehzahl Δn berechnet. Ein Regler 13 ermittelt aus der Differenzdrehzahl Δn, die dem Ist-Wert entspricht, in Abhängigkeit von einem Soll-Wert einen Stell-Wert ΔM. Der Soll-Wert beträgt idealer Weise Null, kann je­ doch aufgrund von Fertigungstoleranzen der Einzelradan­ triebe 11 und 12 sowie der Räder 18 individuell ange­ paßt werden. In einer weiteren Ausführungsform läßt sich die Differenzdrehzahl Δn aus der Motordrehzahl berechnen.
Der Regler 13 ist so ausgelegt, daß die Frequenz und die Dämpfung des Wellenlaufs des Fahrwerkes durch den Stell-Wert ΔM mit Hilfe von Reglerparameter dynamisch einstellbar sind. So können die Reglerparameter in Ab­ hängigkeit von der Geschwindigkeit angepaßt werden. Da­ bei weist der Regler 13 vorzugsweise einen Proportio­ nal- und Integralanteil auf, um das dynamische, sinus­ förmige Verhalten eines Fahrwerks mit Radsatzwelle nachzubilden. Des Weiteren umfaßt der Regler 13 einen differenzierenden Anteil, über dessen Parametrisierung die Dämpfung des Zentrierungsverhaltens einstellbar ist.
Die Drehmoment-Soll-Werte MSoll,l MSoll,r für die drehmo­ mentgeregelten Einzelradantriebe 11 und 12 berechnen sich aus dem vom Fahrer geforderten Beschleunigungsmo­ ment MFahr und dem Stell-Wert ΔM. Hierbei wird der Stell-Wert ΔM mit jeweils unterschiedlichen Vorzeichen durch ein Addierwerk 15 auf die Hälfte des geforderten Beschleunigungsmoment MFahr addiert. Das Beschleuni­ gungsmoment MFahr kann in einem Fahrerpult 19 einge­ stellt werden.
Fig. 2 zeigt eine Antriebskoordinierungsregelung für kurvige Strecken 27. Hierbei wird die Winkelstellung γ der Achse 20 gegenüber dem Fahrwerkrahmen 17 so einge­ regelt, daß die Räder tangential zur Schiene stehen. Die Winkelstellung γ der Achse 20 wird über die Drehmo­ ment-Soll-Werte MSoll,l, MSoll,r der Einzelradantriebe 11 und 12 eingestellt. Die Achse 20 dreht sich vorzugswei­ se um ein zentrisch zur Achse 20 und zum Fahrwerkrahmen 17 angeordnetes Gelenk 28.
Die Drehmoment-Soll-Werte MSoll,l, MSoll,r für die drehmo­ mentgeregelten Einzelradantriebe 11 und 12 werden aus dem vom Fahrer geforderten halben Beschleunigungsmoment MFahr und dem vom Regler 21 ermittelten Stell-Wert ΔM berechnet. Der Stell-Wert ΔM wird durch den Regler 21 in Abhängigkeit von der Krümmung χ der Schiene als Soll-Wert und der Winkelstellung γ der Achse als Ist- Wert bestimmt.
Dabei wird der Stell-Wert ΔM mit jeweils unterschiedli­ chem Vorzeichen auf das vom Fahrer geforderte Beschleu­ nigungsmoment MFahr für den jeweiligen Einzelradantrieb 11 bzw. 12 addiert, so daß die Summe der beiden Stell- Werte ΔM gleich Null ist. Die Krümmung χ der Schiene wird durch einen Kurvensensor 22 bestimmt.
Fig. 3 zeigt eine Kombination 29 der Antriebskoordi­ nierungsregelung auf gerader Strecke 10 und der An­ triebskoordinierungsregelung auf kurviger Strecke 27. Dabei wird die Krümmung χ der Strecke laufend erfaßt, um bei einem Unterschreiten eines vorgegebenen Schwel­ lenwerts die Achse 20 durch ein Arretierungsmittel 24/25 festzustellen. Nach der Arretierung wird das in Fig. 1 beschriebenen Verfahren für gerade Strecken ak­ tiviert. Bei Überschreiten des vorgegeben Schwellenwer­ tes, wird das Arretierungsmittel 25 gelöst und das Ver­ fahren nach Fig. 2 aktiviert.
Die Erfindung umfaßt weiterhin spurgeführte Fahrzeuge, die entweder die beschriebene Antriebskoordinierungsre­ gelung für gerade Strecken, für kurvige Strecken oder für gerade und kurvige Strecken aufweisen.
Bezugszeichenliste
10
Antriebskoordinierungsregelung für gerade Strecken
11
drehmomentgeregelter Einzelradantrieb
12
drehmomentgeregelter Einzelradantrieb
13
Regler
14
Drehzahlsensor
15
Addierwerk
16
Subtraktionswerk
17
Fahrwerkrahmen
18
Rad
19
Fahrerpult
20
Achse
21
Regler für Kurven
22
Kurvensensor
23
Rad, vorne
24
Arretierungsmittel
25
Arretierungsmittel
26
Schienenfahrzeug
27
Antriebskoordinierungsregelung für kurvige Strecke
28
Gelenk
29
Antriebskoordinierungsregelung für kurvige und gerade Strecke

Claims (16)

1. Verfahren zur Antriebskoordinierung eines einzel­ radgetriebenen, spurgeführten Fahrzeuges auf gerader Strecke, bei dem
  • - eine Differenzdrehzahl (Δn) von sich gegenüberlie­ genden Rädern ermittelt wird,
  • - ein Stell-Wert (ΔM) durch einen Regler in Abhängig­ keit eines Soll-Werts ermittelt wird,
  • - die Frequenz und die Dämpfung des Wellenlaufs mit Hilfe von Reglerparametern dynamisch einstellbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert idealer Weise Null ist,
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Drehmoment-Soll-Werte (MSoll,l MSoll,r) für die drehmomentgeregelten Einzelradantriebe aus dem angeforderten Beschleunigungsmoment (MFahr) und dem Stell-Wert (ΔM) berechnen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Drehmoment-Soll-Werte (MSoll,l und MSoll,r) durch Addition des halben Beschleunigungsmoments (1/2 MFahr) und dem Stell-Wert (ΔM) berechnen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stell-Wert (ΔM) je nach Antriebsseite ein un­ terschiedliches Vorzeichen aufweist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Regler einen Proportionalanteil und einen Integralanteil aufweist, um den Wellenlauf eines Fahrwerks mit Radsatzwelle nachzubilden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Regler einen differenzierenden Anteil aufweist, über dessen Parametrisierung die Dämpfung des Zentrierungsverhaltens einstellbar ist.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reglerparameter in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit angepaßt werden können.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Differenzdrehzahl (Δn) aus den Motordrehzahlen berechnet wird.
10. Verfahren zur Antriebskoordinierung eines einzel­ radgetriebenen, spurgeführten Fahrzeuges insbesondere bei Kurvenfahrten, bei dem mindestens eine Achse dreh­ bar gegenüber dem Fahrwerkrahmen befestigt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung (γ) der Achse gegenüber dem Fahrwerkrahmen so eingeregelt wird, daß die Räder tangential zur Schiene stehen, wo­ bei die Winkelstellung (γ) der Achse über die Drehmo­ ment-Soll-Werte (MSoll,l, MSoll,r) der Einzelradantriebe eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Drehmoment-Soll-Werte (MSoll,l, MSoll,r) für die drehmomentgeregelten Einzelradantriebe aus dem angeforderten Beschleunigungsmoment (MFahr) und dem vom Regler ermittelten Stell-Wert (ΔM) berechnen, wobei der Regler den Stell-Wert (ΔM) aus der Krümmung (χ) als Soll-Wert und der Winkelstellung (γ) der Achse als Ist-Wert bestimmt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stell-Wert (ΔM) mit jeweils unterschied­ lichen Vorzeichen auf das vom Fahrer geforderte Be­ schleunigungsmoment (MFahr) für den jeweiligen Einzel­ radantrieb (11, 12) addiert wird, so daß die Summe der Stell-Werte (ΔM) Null ist.
13. Verfahren zur Antriebskoordinierung eines einzel­ radgetriebenen, spurgeführten Fahrzeuges, mit minde­ stens einer Achsen die drehbar gegenüber dem Fahrwerk­ rahmen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 und das Verfah­ ren nach den Ansprüchen 10 bis 12 miteinander kombi­ niert werden, wobei die Krümmung (χ) der Strecke lau­ fend erfaßt wird, bei Unterschreiten eines Schwellen­ werts die Achse arretiert wird und das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 zur Zentrierung Anwendung fin­ det und bei einem Überschreiten des Schwellenwertes das Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 12 zur Win­ kelregulierung aktiviert wird.
14. Spurgeführtes Fahrzeug
  • - mit Einzelrad-Antrieben (11, 12), die vorzugsweise drehmomentgeregelt sind und
  • - mit einem Regler (13), der die Einzelrad-Antriebe (11, 12) auf einer geraden Stecken durch das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 regelt, wobei die Diffe­ renzdrehzahl (Δn) mit Hilfe von Drehzahlsensoren (14) bestimmbar ist.
15. Spurgeführtes Fahrzeug
  • - mit Einzelrad-Antrieben (11, 12), die vorzugsweise drehmomentgeregelt sind,
  • - mit mindestens einer gegenüber der Hochachse drehbar gelagerten Achse (20), an der die durch die Einzelrad- Antriebe (11, 12) angetriebenen Räder (18) drehbar ge­ lagert sind,
  • - mit einem Regler (21), der die Einzelrad-Antriebe (11, 12) in einer Kurve durch das Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 12 regelt, wobei die Krümmung (χ) durch einen Kurvensensor (22) bestimmbar ist.
16. Spurgeführtes Fahrzeug
  • - mit Einzelrad-Antrieben (11, 12), die vorzugsweise drehmomentgeregelt sind,
  • - mit mindestens einer gegenüber der Hochachse drehbar gelagerten Achse (20), an der die durch die Einzelrad- Antriebe (11, 12) angetriebenen Räder (18) drehbar ge­ lagert sind,
  • - mit einem Regler (13), der die Einzelrad-Antriebe (11, 12) auf einer geraden Stecken durch das Verfahren nach Anspruch 13 regelt, wobei die Differenzdrehzahl (Δn) mit Hilfe von Drehzahlsensoren (14) bestimmbar ist,
  • - mit einem Regler (21), der die Einzelrad-Antriebe (11, 12) in einer Kurve durch das Verfahren nach An­ spruch 13 regelt, wobei die Krümmung (χ) durch einen Kurvensensor (22) bestimmbar ist, und
  • - mit einem Arretierungsmittel (25) zum Feststellen der Achse (20), das durch das Verfahren nach Anspruch 13 gesteuert ist.
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