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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf lineare Stellglieder,
und insbesondere auf ein lineares Stellglied, das die Antriebswelleneinheit
in einer vordefinierten Position automatisch vom Getriebe trennt.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Lineare
Stellglieder werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt,
um eine lineare Bewegung zu gewährleisten.
Die Grundkonstruktion eines linearen Stellglieds besteht aus einem
Elektromotor, einem Getriebe und der Antriebswelleneinheit (zusammen
mit der Kugelumlaufspindel oder der Gewindeschraube die Hauptkomponente,
die die lineare Bewegung der Antriebswelle bewirkt). Typischerweise
sind an den Enden des linearen Antriebswellenweges Grenzschalter,
die die Stromzufuhr des Kontrollgeräts unterbrechen, sowie mechanische
Anschläge
angeordnet, die eine potenzielle Beschädigung durch das Hinausfahren
der Antriebswelle verhindern, falls ein Grenzschalter ausfällt. Ist
die manuelle Betätigung
eines Stellglieds erforderlich, sollte die Antriebswelleneinheit
vom Stellgliedgetriebe getrennt werden, um eine freie Bewegung der
Antriebswelle zu ermöglichen.
Diese Konstruktionsmöglichkeit
ist im Fall eines Stromausfalls zu Wartungszwecken und, was noch
wichtiger ist, in Notfällen
oder aus Sicherheitsgründen
erforderlich, falls ein Fremdkörper
während
der Rückzugsbewegung
eingeklemmt wird.
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Im
US-Patent Nr. 5.916.325 für
Madrid et al. wird ein lineares Stellglied beschrieben, in dem eine elektromechanische
Magnetkupplung eingesetzt wird, um das Getriebe des linearen Stellglieds
in einen Elektromotor einzukoppeln und zu entkoppeln. Wird der Magnet
mit Strom versorgt, steuert er das mechanische Kopplungssystem,
um das Getriebe des linearen Stellglieds in den Elektromotor einzukoppeln.
Wird die Stromversorgung des Magneten unterbrochen, entkoppelt das
mechanische Kupplungssystem das Getriebe des linearen Stellglieds vom
Elektromotor. Ein derartiges lineares Stellgliedsystem erfordert
eine separate Steuerung, um den Magneten ein- und auszuschalten,
um das lineare Stellglied zu steuern.
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Im
Patent WO-A-9830816 wird ein anderes lineares Stellglied beschrieben,
das mit einer in beide Richtungen drehbaren Achse, einer Gewindemutter, die
eine Kolbenstange antreibt, und einem Motor ausgerüstet ist,
der in der Lage ist, die Achse mit Hilfe eines Getriebes anzutreiben.
Das Getriebe enthält eine
Entkopplungseinheit, um die Achse im Fall einer Überlastung der Achse vom Motor
zu entkoppeln. Die Entkopplungseinheit ist ein axial ausgerichtetes Kupplungsteil,
das mit der Achse und der Getriebewelle verbunden ist, die von einer
zylindrischen Kupplungsfeder umgeben sind, die radial gedehnt werden
kann, um die Achse vom Motor zu entkoppeln. Die Entkopplungseinheit
enthält
eine Bremsvorrichtung, die anhand der Rotation in Bezug auf das Stellgliedgehäuse einstellbar
ist, um mit der Kupplungsvorrichtung zur Steuerung der Achsendrehzahl zusammenzuwirken,
wenn die Achse vom Motor entkoppelt ist.
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Anstelle
der häufig
eingesetzten elektromechanischen (magnetischen) Kupplung, die einen
permanenten Stromverbrauch verursacht und Wärme erzeugt, trennt der Mechanismus
gemäß der in
der vorliegenden Beschreibung erläuterten Erfindung die Antriebswelleneinheit
in vollständig
eingeschobener Position automatisch vom Getriebe, wenn eine manuelle
Bedienung am meisten erforderlich ist, sowie gegebenenfalls in vollständig ausgefahrener
Position. Diese Konstruktion ermöglicht
eine manuelle Bedienung des Stellglieds ohne den Einsatz eines externen
Kabels und ohne Stromzufuhr. Außerdem
ermöglicht
der Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung
den Einbau einer Vorrichtung zur Begrenzung der Zugbelastung, die
von dem Stellglied über seine
gesamte Hublänge
ausgeübt
wird, bzw. in einer speziellen Position. Infolge dessen unterbricht
das Stellglied den Betrieb, wenn die Zugbelastung einen voreingestellten
Grenzwert überschreitet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
lineares Stellglied zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines
Schaftteils, bestehend aus einem elektrischen Getriebe, das mit
einer Schafteinheit gekoppelt ist, die in einem Gehäuse angeordnet ist
und ein drehbares Teil umfasst, auf dem der Schaftteil montiert
ist, um eine axiale Bewegung des Schaftteils entlang einer Achse
der Schafteinheit zwischen einer ersten ausgefahrenen Position und
einer zweiten eingeschobenen Position zu bewirken; Mitteln, die
auf die Bewegung des Getriebes reagieren, um eine axiale Bewegung
des zweiten Teils entsprechend der axialen Bewegung des Schaftteils
zu bewirken; Trennvorrichtungen, die auf die axiale Position des
axial beweglichen zweiten Teils zur automatischen Unterbrechung
der Stromversorgung des Getriebes reagieren, wenn das zweite Teil
die mindestens eine vordefinierte axiale Position erreicht, um eine
weitere axiale Bewegung des Schaftteils zu verhindern; und Entkopplungsmitteln
zur automatischen Entkopplung der Schafteinheit vom Getriebe entsprechend
der mindestens einen vorgegebenen axialen Position, die dem Schaftteil
oder dem zweiten Teil zugeordnet wurde.
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Ein
lineares Stellglied zur Erzeugung der linearen Bewegung eines Schaftteils
mit automatischen Funktionen zur Trennung und Zugbelastungsbegrenzung,
bestehend aus einem elektrischen Getriebe, das mit einer Schafteinheit
gekoppelt ist, um die Bewegung des Schaftteils und eines entsprechend
axial beweglichen zweiten Teils entlang einer Achse zwischen einer
ersten ausgefahrenen Position und einer zweiten eingeschobenen Position
zu bewirken; Lagermitteln, die auf einen vordefinierten Grenzwert
für die
Spannungs- oder
Druckkraft reagieren, die auf das Stellglied ausgeübt wird,
zur automatischen Unterbrechung der Stromversorgung zwischen dem
Getriebe und einem Motor, wenn ein vordefinierter Wert für Spannung
oder Kompressionskraft erreicht wird, um auf diese Weise die weitere
automatische Bewegung des Schaftteils zu verhindern; Mitteln zur
automatischen Entkopplung der Schafteinheit vom Getriebe, wenn ein
zweites Teil die mindestens eine vordefinierte Position entlang
der Achse erreicht.
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Ein
lineares Stellglied zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines
Antriebswellen-Teils und zur automatischen Trennung des Schaftteils
von einem Getriebe. Das lineare Stellglied umfasst einen drehbaren
Schaft, der mit einem elektrischen Getriebe gekoppelt werden kann,
das den Schaft in eine Rotation versetzt; ein Schaftteil, das auf
dem drehbaren Schaft montiert ist und als Reaktion auf die Rotation des
Schafts axial zwischen einer eingeschobenen Position und einer ausgefahrenen
Position bewegt werden kann; eine drehbare Schraube, die mit dem Antrieb
zusammenwirkt, um als Reaktion auf die Bewegung des Antriebs zu
rotieren; ein zweites Teil, das mit der drehbaren Schraube gekoppelt
ist und als Reaktion auf die Rotation der Schraube zwischen einer ersten
axialen Position und einer zweiten axialen Position bewegt werden
kann; Schaltvorrichtungen, die an der ersten Position angeordnet
sind und auf das Eingreifen des zweiten beweglichen Teils reagieren, um
eine elektrische Unterbrechung zwischen dem Antrieb und einer Stromquelle
zu bewirken, um die Schaftrotation zu beenden; und Mittel, die mit
dem drehbaren Schaft gekoppelt sind, um den Schaft als Reaktion
darauf, dass das Schaftteil die eingeschobene Position bzw. das
zweite Teil die zweite axiale Position erreicht, vom Antrieb zu
trennen.
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Ein
lineares Stellglied zur Erzeugung einer linearen Bewegung eines
Schaftteils, bestehend aus einem drehbaren Schaft, auf dem das Schaftteil
montiert ist, wobei der Schaft mit einem elektrischen Getriebe gekoppelt
werden kann, so dass die Rotation des Getriebes eine Rotation des
Schafts und eine entsprechende Verschiebung des Schaftteils zwischen
einer ersten ausgefahrenen Position und einer zweiten eingeschobenen
Position entlang einer Achse des Schafts bewirkt; Trennvorrichtungen,
die auf die Position des axial beweglichen Schaftteils reagieren,
um die Stromversorgung des Antriebs automatisch zu unterbrechen,
wenn das Schaftteil eine vordefinierte Position entlang der Schaftachse
erreicht; und Entkopplungsvorrichtungen zur automatischen Entkopplung
des Schafts vom Getriebe, wenn das Schaftteil eine gegebene Position
auf der Schaftachse erreicht.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung umfasst der Entkopplungsmechanismus einen
ringförmigen
Ansatz, der einen Teil des drehbaren Schafts umgibt und mit einem
Getriebeantrieb gekoppelt ist. Der Ansatz weist eine erste Innenbohrung
und einer zweite, größere Innenbohrung
auf. Innerhalb des Ansatzes ist ein beweglicher Lagermechanismus
angeordnet, der zwischen der ersten Innenbohrung und der zweiten
Innenbohrung verschoben werden kann. Wird der Lagermechanismus innerhalb
der ersten Innenbohrung angeordnet, bewirkt der Mechanismus, dass
die axialen Rillen, die auf dem drehbaren Schaft gebildet werden,
reibschlüssig
in das Getriebe eingreifen. Wird der Lagermechanismus in die zweite,
größere Innenbohrung
verschoben, bewirkt dies eine Entkopplung der Rillen auf dem drehbaren
Schaft und ermöglicht
die Bewegung einer der Schafteinheiten oder des Antriebs ohne die
gleichzeitige Bewegung der anderen Komponente. Ein weiterer Gegenstand der
vorliegenden Erfindung ist ein axial bewegliches Muffenteil, das
auf dem drehbaren Schaft montiert ist und als Reaktion auf eine
Kraft, die aus dem axial beweglichen zweiten Teil oder dem Schaftteil
resultiert, verschoben werden kann, wenn sich entweder das zweite
Teil oder das Schaftteil in einer gegebenen Position auf dem mit
der Schaftachse verbundenen Schaft befindet, um sich um eine vordefinierte
Strecke in einer ersten Richtung zu bewegen und den Lagermechanismus
in die größere Innenbohrung
des Ansatzes zu verschieben, wodurch die Entkopplung von Schafteinheit
und Getriebe bewirkt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine schematische Querschnittsansicht des linearen Stellglieds,
in das die automatischen Funktionen zur Trennung und Zugbelastungsbegrenzung
gemäß der vorliegenden
Erfindung integriert sind.
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1B ist
eine schematische Querschnittsansicht, in der die automatischen
Funktionen zur Trennung und Zugbelastungsbegrenzung, die in 1A abgebildet
sind, detaillierter dargestellt sind.
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1C ist
eine Explosionszeichnung der in 1B dargestellten
Kugelumlaufspindel-Stange.
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1D ist
eine Explosionszeichnung des Getriebeantriebs-Moduls aus 1B.
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1E ist
eine Explosionszeichnung des Muffenteils des linearen Stellglieds,
das in 1B dargestellt ist.
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1F ist
eine Explosionszeichnung des Lagerteils des linearen Stellglieds
gemäß der vorliegenden
Erfindung, das in 1B dargestellt ist.
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1G ist
ein Querschnitt des linearen Stellglieds gemäß der vorliegenden Erfindung,
das in 1B dargestellt ist, entlang
der Linie A-A.
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2 ist
ein Querschnitt des linearen Stellglieds gemäß der vorliegenden Erfindung
in eingeschobener Position.
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3 zeigt
einen Querschnitt des linearen Stellglieds gemäß der vorliegenden Erfindung
in ausgefahrener Position.
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4 zeigt
einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsvariante des linearen
Stellglieds gemäß der vorliegenden
Erfindung in ausgefahrener Position ohne Trennung der Kugelumlaufspindel.
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5 ist
ein Querschnitt des linearen Stellglieds gemäß der Erfindung unter begrenzter
Zugbelastung.
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6 ist
ein Querschnitt des linearen Stellglieds gemäß der vorliegenden Erfindung
unter Zugbelastung in spezifischen Positionen.
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7 ist
eine Ansicht des linearen Stellglieds, das mit Hilfe eines externen
Griffs manuell entkoppelt wurde.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
Bezug auf 1A–F wird ein lineares Stellglied 100 mit
einem Trennmechanismus und einem Zugbelastungs-Begrenzer abgebildet,
der in einem Gehäuse 90 angeordnet
ist, um die Zugkraft am Schaft 1 zu begrenzen. Die spezifischen
Merkmale des Stellglieds 100 umfassen einen Schaft oder
eine „Kugelumlaufspindel" 1 mit einer
runden Rille 20 und vier axialen Rillen 22 auf
der Schaftaußenseite
gemäß 1C (die
Anzahl der axialen Rillen hängt
vom übertragenen
Drehmoment ab). In Bezug auf die Zeichnungen werden gleichen Referenznummern verwendet,
um gleiche Teile zu bezeichnen. Durch das Antriebsritzel 2,
das im Folgenden noch detailliert beschrieben wird, entsteht eine
Axialkraft in einer gegebenen Richtung zur Bewegung der Muffe 3,
um das Eingreifen der Kugelumlaufspindel 1 in das Getriebe 12 zu
bewirken. Das Antriebsritzel 2 umfasst vier axiale Rillen 31, 32, 33, 34,
auf seiner Innenseite 30, wie in 3D (Draufsicht)
dargestellt. Die Muffe 3 umfasst vier drei eckig geformte
Schlitze 40 und vier Löcher 45,
wie in 1E gezeigt. Das ringförmige Lager
bzw. der Ansatz 4 beinhaltet eine kleine 50 und eine
große 55 Innenbohrung,
Tellerfedern 5 und ein Zwischenstück 11. In der am besten
aus 1A und 1B ersichtlichen
Einheit sind zwei Sätze beweglicher
Sphären
oder Kugeln wie folgt installiert: vier Kugeln 6 sind in
den dreieckigen Schlitzen 40 in der Muffe 3 angeordnet,
eingeklemmt zwischen dem Antriebsritzel 2 und der Kugelumlaufspindel-Stange 1,
weitere vier Kugeln 7 sind in den Löchern 45 in der Muffe
in den axialen Rillen 22 (1C) in
der Kugelumlaufspindel-Stange 1 und in einer der Innenbohrungen
des Lagers 4 angeordnet. An der Kugelumlaufspindel-Stange 1 ist
ein Getriebe 12 mit einem gezahnten Eingriff an einer Führungsrolle 8 befestigt,
die eine Gewindeschraube 9 dreht und eine axiale Bewegung
ihrer Mutter 10 in einem Schlitz 60 bewirkt. Diese
Gewindemutter dreht zwei elektrische Grenzschalter 15 und 16 zur
Steuerung des Stellglied-Hubs.
Der Drehmomentbegrenzer 89 beinhaltet Tellerfedern, die
in die Führungsrolle 8 eingreifen,
um auf diese Weise das Drehmoment zu begrenzen, das auf die Gewindeschraube 9 wirkt.
Die Kugelumlaufspindel-Stange 1 ist mit dem elektrischen
Getriebeantrieb 12 gekoppelt, um die Rotation der Kugelumlaufspindel-Stange
als direkte Reaktion auf die Bewegung des Getriebes zu bewirken.
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Ein
Schaftteil, das auf der Kugelumlaufspindel-Stange 1 befestigt
ist, wie z.B. die Mutter 19, ist zwischen einer eingeschobenen
Position und einer ausgefahrenen Position als Reaktion auf eine
Rotation der Kugelumlaufspindel-Stange 1 (d.h.
axial beweglich) verschiebbar. Dabei ist zu beachten, dass die drehbare
Schraube 9 im Wesentlichen parallel zu der drehbaren Kugelumlaufspindel 1 angeordnet
ist. Die Schraube 9 wird durch die Führungsrolle 8 gedreht,
die wiederum durch das Getriebe 12 bewegt wird. Die bewegliche
Mutter 10 ist an der Schraube 9 montiert, so dass
die Rotation der Schraube eine axiale Bewegung der Mutter 10 entlang
der Schraubenachse 9 bewirkt.
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Die
elektrischen Grenzschalter 15 und 16 werden innerhalb
des Schlitzes angeordnet, so dass sie an der Mutter 10 ausgerichtet
sind und die Mutter in den Grenzschalter eingreift und diesen aktiviert, nachdem
er die entsprechende Axialposition (d.h. 16A oder 15A)
erreicht hat, die bewirkt, dass der entsprechende Schalter die Verbindung
zwischen dem Elektromotor 68 und dem Getriebe 10,
einschließlich Übersetzung
und Führungsrolle 8,
unterbricht. Der Stromanschluss 79, der durch das Gehäuse 90 erfolgt,
bietet auf herkömmliche
Weise eine elektrische Verbindung zwischen einer Standard-Stromquelle und
dem Motor und der gesamten, linearen Stellgliedeinheit. Wie bereits
erläutert,
ist die drehbare Schraube 9 parallel zu der drehbaren Kugel
ausgerichtet und die Schraube 1 ist gemeinsam mit dieser drehbar.
Demzufolge kann jede der entsprechend montierten Muttern 10 und 19 auf
ihrer jeweiligen parallelen Achse gemeinsam und proportional zueinander
verschoben werden. Wie anzunehmen ist, verläuft die Richtung der axialen
Bewegung der Mutter 10 entgegengesetzt zur Richtung der
axialen Bewegung der Kugelumlaufspindel-Mutter 19. Außerdem ist
zu beachten, dass die Gewindeschrauben 1 und 9, wie
aus 1–3 und 5–7 ersichtlich
ist, innerhalb des Gehäuses
getrennt voneinander in ausreichendem Abstand angeordnet sind, so
dass die Muttern 10 und 19 während der Verschiebung nicht
ineinander greifen, sondern sich entlang ihrer Achsen über den
Hubweg frei bewegen können.
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Wenn
das Stellglied elektrisch ausgefahren wird (mit herkömmlichen
Mitteln), wie in 1B dargestellt, bewegt das Antriebsritzel 2 die
Kugeln 6 in Richtung des Gefälles der dreieckig geformten
Schlitze 40 und bewirkt eine Axialkraft, die die Muffe
nach links bewegt und die Kugeln 7 in die kleine Innenbohrung
des Lagers 4 bringt. An diesem Punkt ist die Kugelumlaufspindel 1 an
der Getriebeübersetzung 12 blockiert
und das Stellglied fährt
die Antriebswelle aus, so dass die Bewegung der Übersetzung eine Rotation der
Kugelumlaufspindel bewirkt. In gleicher Weise verlagert sich die
Muffe 3 aufgrund der dreieckigen Form der Muffenschlitze
nach links und die Kugelumlaufspindel greift ein, wenn das Stellglied wieder
eingeschoben wird.
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2 ist
eine Darstellung des Stellglieds 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung in eingeschobener Position. In Bezug auf 2,
in der das Stellglied vollständig
eingeschoben ist, wird die Stromversorgung zwischen Motor und Getriebe
durch die Betätigungsmutter 10 des
Grenzschalters 16 unterbrochen.
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Die
Kugelumlaufspindel-Mutter 19, die auf der Kugelumlaufspindel-Stange 1 montiert
ist und zwischen einer ersten ausgefahrenen Position und einer zweiten
eingeschobenen Position verschoben werden kann, wird in ihren Schlitz 72 in
die eingeschobene Position bewegt und wird gezwungen, in das Zwischenstück 11 einzugreifen.
Das Zwischenstück 11 überträgt diese
Kraft auf die Muffe 3, die sich nach rechts bewegt und
die Kugeln 7 löst,
indem sie diese in die größere Innenbohrung
des Lagers 4 verschiebt. Da die Kugelumlaufspindel 1 vom
Getriebe 12 getrennt ist, ist die Stellglied-Stange nun
frei beweglich und für
den manuellen Betrieb bereit.
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3 zeigt
ein Stellglied 100 in vollständig ausgefahrener Position.
Wenn das Stellglied vollständig
ausgefahren ist, wird die Stromzufuhr durch das Eingreifen der Mutter 10 in
den Grenzschalter 15 unterbrochen. Die zusätzliche
Gewindemutter 10 wird in axialer Position 15a in
ihren Schlitz bewegt und verschiebt wiederum die Muffe durch das
Zwischenstück 11 nach
rechts und löst
die Kugeln 7, in dem sie diese in die größere Innenbohrung
des Lagers 4 verschiebt.
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In
einer alternativen Ausführungsvariante, die
in 4 dargestellt ist, kann die Trennung der Kugelumlaufspindel
vom Getriebe in vollständig
ausgefahrener Position verhindert werden, indem die Führungsrolle 8,
das Zwischenstück 11 und
die zusätzliche
Schraube 9 mit ihrer Mutter 10 eliminiert werden. In
diesem Fall betätigt
die Kugelumlaufspindel-Mutter 19 die elektrischen Grenzschalter 15 und 16 direkt, um
den Hub des Stellglieds zu steuern, wie in 4 dargestellt.
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In
Bezug auf 5 umfasst die automatische Trennvorrichtung
zwei winkelförmige
Kontaktfedern 13 und 14, um die Axialbelastungen
aufzunehmen: rechtes Lager – Druck,
links – Zugspannung. Unter
Druck wird die Axialbelastung direkt auf das rechte Lager 14 und
die Übersetzung 12 übertragen. Während des
Betriebs unter Zugbelastung verschiebt sich die Kugelumlaufspindel 1 mit
dem Lager 4 durch Drücken
der Feder 5 und zusammen mit der Muffe 3 nach
links und dann wird die Last durch das Antriebsritzel 2 auf
das linke Lager 13 übertragen. Wenn
die Zugbelastung einen vordefinierten Grenzwert erreicht, drückt die
verschobene Muffe 3 durch das Zwischenstück 11 die
Grenzschalter 15, die den Elektromotor unterbrechen. Der
gleiche Schalter bewirkt die Unterbrechung des Elektromotors am
Ende des Fahrwegs durch die Bewegung der zusätzlichen Mutter 10.
Auf diese Weise kann die Zugbelastung während des Einschiebens und über den
gesamten Hub des Stellglieds begrenzt werden.
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Um
die Zugbelastung an einer bestimmten Stelle zu beschränken, wie
in 6 dargestellt, können zwei Grenzschalter gleichzeitig
gedrückt
werden: Schalter 15 durch die Muffe 3 sowie der
zusätzliche
Schalter 20, der an der festgelegten Position installiert
ist, indem die zusätzliche
Mutter 10 bewegt wird. Sind diese beiden Schalter nahe
beieinander angeordnet, sollte die zusätzliche Mutter entsprechend
breit ausgelegt werden, so dass am Ende des Hubs beide heruntergedrückt werden
können.
Ist die vorgesehene Position weit vom Ende des Fahrwegs entfernt
oder aus anderen konstruktiven Gründen kann ein Grenzschalter
mit unabhängigem
Fahrweg 21 eingesetzt werden, der von der Kugelumlaufspindel-Mutter 19 am
Ende des Hubs betätigt
wird.
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Die
beschriebene Konstruktion beinhaltet einen externen Handgriff (in 1B,
Schnitt A-A dargestellt), um gegebenenfalls den manuellen Betrieb (Öffnen oder
Schließen)
zu ermöglichen,
wenn das Stellglied teilweise ausgefahren ist. Wie in 7 dargestellt,
drückt
der Hebel die Muffe 3 durch Drehen des Handgriffs nach
rechts durch das Zwischenstück 11,
trennt die Kugelumlaufspindel vom Getriebe und ermöglicht auf
diese Weise den manuellen Betrieb.