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Die hier offenbarte Erfindung betrifft eine hydraulisch betätigte
Anfahrkupplung, welche in einem stufenlos verstellbare Getriebe (CVT) verwendet wird. Das
Getriebe dient in einem Kraftfahrzeug als Antrieb zwischen dem Motor und den
Rädern oder als Antriebskraft für das Fahrzeug und die Fahrzeugräder.
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Stufen los verstellbare Getriebe sind seit einer Anzahl von Jahren bekannt als
Antrieb für die Räder eines Fahrzeugs, um für eine glatte Beschleunigung ohne das
übliche Schalten von Zahnrädern durch Kupplungen und Bremsbänder in selbsttätig
schaltenden Getrieben zu sorgen. Ein stufenlos verstellbares Getriebe besitzt
herkömmlicherweise zwei verstellbare Riemenscheiben, einen Endlosriemen zwischen
den Riemenscheiben und in Antriebsverbindung mit diesen sowie eine
Steuereinrichtung zum Ändern der wirksamen Scheibendurchmesser und damit zum Ändern
des Riemenverhältnisses bei Betrieb des Fahrzeugs.
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Bei Kraftfahrzeuganwendungen ist eine hydraulisch betätigte
Anfahrkupplung an der getriebenen Riemenscheibenwelle als Startvorrichtung und zum Drehen
einer Welle erforderlich, die zu dem Vorwärts-/Rückwärtsgang-Getriebe führt, um
das Enddifferential für die Fahrzeugräder anzutreiben. Die Anfahrkupplung ist an
der getriebenen Riemenscheibenwelle so angeordnet, daß die Riemenscheiben
ständig in einer Richtung drehen können und die Drehung nicht unterbrochen wird,
wenn im Betrieb des Fahrzeugs vom Rückwärtsgang zum Vorwärtsgang und
umgekehrt geschaltet wird. Die Anfangsbewegung des Fahrzeugs wird somit durch eine
geschwindigkeitsabhängige Reibungs-Anfahrvorrichtung erzielt, bei der eine
Kupplung durch die hydraulische Steuereinrichtung für die Riemenscheibe gesteuert
wird.
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Vorbekannte Patente, die hydraulisch betätigte Anfahrkupplungen betreffen,
überdecken einen weiten Anwendungsbereich. Ein bekanntes Problem derartiger
Kupplungen liegt in dem durch Zentrifugalwirkung erzeugten Öldruck, der im
Be
trieb am Kupplungskolben erzeugt wird. Die Anfahrkupplung besitzt ein
Grunddrehmoment plus ein durch Zentrifugalwirkung zusätzlich hervorgerufenes
Drehmoment als Folge des durch Zentrifugalwirkung erzeugten Öldrucks am
Kolben bei höheren Geschwindigkeiten. Die Anordnung aus
Kettenriemen/Riemenscheiben ist ähnlich aufgebaut. Um das Kupplungsmoment (Grundmoment plus
Zentrifugalmoment) unter dem Kettenriemen-/Riemenscheiben-Drehmoment
(Grundmoment plus Zentrifugalmoment) zu halten, wurden in der Vergangenheit
Ausgleichsgewichte der Kupplungs-Tellerfeder beigegeben, um dem Einfluß des
Zentrifugalmomentes der Kupplung entgegenzuwirken (s. US-A-4,520,912) oder es
wurde eine Umhüllung vorgesehen, die entweder innerhalb des Außenumfangs des
Kupplungsdeckels verläuft, wie in der US-A-4,699,259 gezeigt, oder die zumindest
teilweise das offene Ende der Kolbenkammer bedeckt, die in die
Betätigungskammer für den Kupplungskolben führt, wie dies in der US-A-4,556,556 zu sehen ist.
Dies würde das Gesamtmoment der Kupplung unter dem
Kettenriemen-/Riemenscheiben-Drehmoment halten. Ein weiteres Problem ist die ausreichende Zufuhr von
Kühlöl in den Kupplungsraum, um die Reibflächen der Kupplungsscheibe
ausreichend zu kühlen, und zwar insbesondere beim Einrücken und Ausrücken der
Kupplung, wenn ein Schlupf auftritt.
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Eine Anfahrkupplung für ein stufenlos verstellbares Getriebe ist darüber
hinaus aus EP-B-0063786 bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs
1 zeigt. Sie hat eine Ringscheibe, auf der eine Kupplungsplatte befestigt ist und die
eine Folge von Verbindungsöffnungen hat, so daß Kühlflüssigkeit zwischen
Hohlräumen auf beiden Seiten der Kupplungsplatte fließen kann, wodurch die
Kühlflüssigkeit auf beide Seiten der Kupplungsplatte hin zirkuliert wird.
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Die vorliegende Erfindung sieht in ihren Ansprüchen vor eine
Anfahrkupplung für ein stufenlos verstellbares Getriebe mit einem Kupplungsgehäuse, das an
einer Nabe befestigt ist, einer angetriebenen Welle zum Antrieb der Nabe, einem
ringförmigen Druckkolben in der Nabe, einer drehbar im Gehäuse befestigten
Membranfeder, einer mit dem Gehäuse drehbaren Druckplatte, einer mit dem
Gehäuse drehbaren Endplatte, einer Kupplungsplatte, die zwischen der Druckplatte
und der Endplatte auf einer Nabe einer zu den Antriebsrädern eines Fahrzeugs
führenden Hohlwelle angeordnet ist und mehrere am Umfang beabstandete
Öldurchflußöffnungen aufweist, und Kühlölzuführmitteln, die auf die Kupplungsplatte
hinragen, um Öl durch die Öffnungen zuzuführen, so daß das Kupplungsöl auf beiden
Seiten der Kupplungsplatte zirkuliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kühlölzuführmittel aus zwei beabstandeten Kühlölzuführelementen bestehen, deren
Beabstandung so ist, daß in einer Stellung ein Ölzuführelement auf den Mittelpunkt
einer Öffnung gerichtet ist und das andere Ölzuführelement auf einen Steg zwischen
den Öffnungen gerichtet ist.
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Die erfindungsgemäße Anfahrkupplung für ein stufenlos verstellbares
Getriebe hat den Vorteil, daß ein direkterer Kühlölfluß erhalten wird, indem der
Ölimpeller an der offenen Seite des Kupplungsgehäuses im Wegfall gerät, und statt
dessen zusätzlich eine zweite Ölzuführung zur Kupplung geschaffen wird.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen wird. In diesen ist:
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Fig. 1 eine Endansicht einer die vorliegende Erfindung verkörpernden
bevorzugten hydraulisch betätigten Anfahrkupplung, bei der Teile weggebrochen sind,
um den inneren Kupplungsaufbau zu zeigen;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Anfahrkupplung entlang der
ungleichmäßigen Linie 2-2 der Fig. 1;
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Fig. 3 eine Draufsicht auf die Rückholfeder;
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Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht der Feder entlang der Linie 4-4 in
Fig. 3;
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Ölzuführung für die Kupplungsplatte;
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Fig. 6 eine Ansicht - teilweise in Draufsicht und teilweise im Querschnitt -
der Anfahrkupplung und der angetriebenen Riemenscheibe an der angetriebenen
Welle des CVT; und
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Fig. 7 ein Diagramm des Drehmomentes, über den Druck aufgetragen, für die
Kupplung und die angetriebene Riemenscheibe.
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Im folgenden wird auf die Offenbarung in der Zeichnung Bezug genommen,
in der die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
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Fig. 1 und 2 zeigen eine hydraulisch betätigte Starternaßkupplung 10
offenbart, die an einer Welle 11 für eine angetriebene Riemenscheibe 91 (Fig. 6) eines
stufenlos verstellbaren Getriebes (CVT) eingesetzt wird, wie sie teilweise in Fig. 6
dargestellt ist. Die Welle 11 besitzt einen mit Keilnuten versehenen Abschnitt 12
verringerten Durchmessers, der in einem Gewinde-Endabschnitt 13 für eine
Gewindemutter 14 endet. Eine ringförmige Nabe 15 mit Innenkeilen ist auf dem Abschnitt
12 drehfest angeordnet, wobei das innere Nabenende an einer Schulter 16 anliegt,
die den Abschnitt 12 definiert. Die Nabe verläuft radial nach außen und bildet
hierbei eine ringförmige Druckkammer 17, in der ein ringförmiger Kolben 18 axial hin
und her bewegbar gelagert ist. Die Stirnseite der Nabe enthält mehrere radiale
Kanäle 21, die mit Öffnungen 22 verbunden sind, welche mit der Druckkammer 17 in
Strömungsverbindung stehen; die radial inneren Enden der Kanäle 21 stehen mit
von einem zentralen Kanal 24 radial ausgehenden Kanälen 23 in der Welle 11 in
Strömungsverbindung. Der Kanal 24 verläuft von der Nabe durch die Welle 11 zu
einer hydraulischen Steuervorrichtung für die angetriebene Riemenscheibe 91 (s.
Fig. 6).
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Ein Kupplungsgehäuse bzw. -deckel 25 ist mit einer zentralen Öffnung 26 in
einem radialen Wandabschnitt 27 versehen, um das mit Gewinde versehene
Wellenende 13 aufzunehmen und ist an der Welle und Nabe durch eine Mutter 14 befestigt.
Mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Öffnungen 28 sind in der Wand 27
gebildet, um Vorsprünge 29 an der Stirnfläche 19 der Nabe radial außerhalb der
Öffnungen 22 aufzunehmen; die Vorsprünge sind mit Köpfen versehen, um für eine
weitere Verbindung zwischen der Nabe und dem Deckel zu sorgen. Ein elastischer
Ring 31 ist in einer Ringnut in der Nabenfläche 19 angeordnet, um am Deckel
dichtend anzugreifen. Jenseits der Vorsprünge 29 verläuft die Deckelwand radial
nach außen und hinten in Richtung auf die angetriebene Riemenscheibe 91 in einem
geneigten Abschnitt 32, der in einer Ecke 33 endet, welcher die Schnittstelle
zwischen der geneigten Wand und einer axial verlaufenden zylindrischen Außenwand
bzw. Flansch 34 zu definiert; der Deckel und die Nabe bilden hierbei eine
Umhüllung für die Kupplung.
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Der Flansch 34 ist mit axial verlaufenden, innen abgeflachten Rippen 35
versehen, die teilweise an entlang des äußeren Flansches 34 zwischen den Nuten 42
und 45 verlaufen, wie weiter unten beschrieben wird. Außerdem ist die äußere
Wand mit Öffnungen 36 für die Zirkulation von Kühlöl durch den Körper der
Kupplung vom Bereich angrenzend an der Welle 11 versehen, um aus den
Öffnungen auszutreten, und Laschen 37, die in den Öffnungen 36 gebildet sind, wirken mit
einer Endplatte 38 in dem Deckel zusammen und halten diese (Fig. 2). Die
Endplatte 38 hat einen Außenumfang mit in Umfangsrichtung beabstandeten Kanälen
39, die mit den im Deckel gebildeten Rippen 35 zusammenwirken und sich mit
diesen drehen. Ein Schnappring 41 ist in einer Ringnut 42 angrenzend am Ende des
Deckelflansches 34 angeordnet, um mit Laschen 37 zusammenzuwirken und die
Endplatte im Deckel zu halten; die Laschen 37 sind nach innen gebogen, um die
Endplatte in der Kupplung axial zu sichern. Eine ringförmige Rippe 43 ist auf der
Rückseite der Endplatte gebildet; das Rippenmaterial kann insgesamt oder teilweise
entfernt werden, um die Kupplung auszugleichen.
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Eine axiale hin und her bewegbare Druckplatte 45 ist ebenfalls an ihrem
Außenumfang mit axialen Kanälen 46 - entsprechend den Kanälen 39 in der Endplatte
38 - versehen, welche mit den Rippen 35 zusammenwirken, um sich mit dem
Dekkel zu drehen, und eine innere Lippe 47 dient dazu, mit einer Rückholplatte bzw. -
feder 64 zusammenzuwirken. Die Druckplatte ist mit einem ringförmigen
Drehvorsprung 49 an ihrer Fläche 51 versehen, an dem ein Zwischenabschnitt einer
Tellerfeder 52 angreift, deren äußerer Rand 53 von der Ecke 33 des Deckels
aufgenommen und durch einen Schnappring 54, der in einer zweiten Ringnut 55 des Deckels
angeordnet ist, darin gehalten wird. Wie in Fig. 2 deutlich zu sehen ist, enden die
innen abgeflachten Rippen kurz vor den Nuten 42 und 55 in der Außenwand des
Deckels, und sie werden durch einen Schervorgang hergestellt. Der innere Abschnitt
der Feder 52 ist in Finger 56 unterteilt, die auf der äußeren Wand 57 der Nabe
ruhen, welche die Druckkammer 17 definiert, wenn der Kolben eingezogen ist.
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Der Kolben 18 ist mit einem inneren Nabenring 61 versehen, der die Nabe 15
umgibt und einen Schnappring 62 in einer Nut 63 aufweist, welcher eine
Rückholfeder 64 hält. Die Rückholfeder besteht aus Blech und besitzt einen äußeren
geschlitzten Rand 65, der sich hinter die Lippe 47 der Druckplatte erstreckt, sowie
einen inneren Rand 66, der durch einen gekrümmten Zwischenabschnitt 67 axial
versetzt ist. In Umfangsrichtung verlaufende Positionierungslaschen 68 sind
paarweise in die Feder angrenzend an ihrem inneren Umfang eingestanzt (Fig. 3 und 4)
und so gebogen, daß sie sich dicht um den Umfang des Schnappringes 62 erstrecken
und dadurch die Rückholfeder auf dem Schnappring und Kolben konzentrisch
positionieren und den Schnappring daran hindern, unter Zentrifugalkräften aus der Nut
63 gelöst zu werden. Eine ringförmige Rippe bzw. Lippe 69 ist am Außenumfang
des Kolbens 18 vorgesehen und zu dem inneren Nabenring 61 nach außen
beabstandet, um an den inneren Enden der Federfinger 56 anzugreifen. Ein elastischer
Kolben-Dichtring 71 ist in der Druckkammer 17 hinter dem Kolben 18 angeordnet,
wobei innere bzw. äußere Dichtlippen 72 bzw. 73 an den Kammerwänden angreifen.
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Eine hülsenförmige Welle 74 umgibt die Welle 11 und ist konzentrisch zu
dieser und ist auf dieser mittels Nadellager 75 drehbar gelagert. Das Ende der
hülsenförmigen Welle, das sich innerhalb des Deckels befindet, ist bei 76 mit Keilen
versehen, um eine Nabe 77 für eine Kupplungsscheibe 78 mit gegenüberliegenden
Reibbelägen 79, 79 aufzunehmen, die in einem herkömmlichen Waffelmuster
genutet sind; die Kupplungsscheibe 78 ist an der Nabe 77 durch Nieten oder mit Köpfen
versehene Vorsprünge 80 befestigt, die durch Öffnungen 81 in der Scheibe
verlaufen. Die hülsenförmige Welle führt von der Starterwelle zu dem Enddifferential, das
die Fahrzeugräder (nicht gezeigt) antreibt.
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Fig. 2 zeigt die Anfahrkupplung im Leerlauf, wobei der Kolben 18
eingefahren und die Reibscheibe von der Druckplatte und der Endplatte gelöst ist. Wenn der
Fahrzeugmotor beschleunigt, wird der Hydraulikdruck in dem zentralen Kanal 24 in
der Welle 11 sowie die Drehzahl der Welle größer, wobei der erhöhte Druck durch
die radialen Kanäle 23, 21 und die Öffnungen 22 auf die Druckkammer 17 hinter
der Kolbendichtung 71 übertragen wird. Der Kolben 18 wird nach rechts gedrückt,
wie in Fig. 2 zu sehen ist, wobei der Kolben die inneren Enden der Tellerfederfinger
56 ebenfalls nach rechts drückt, um die Feder um ihren äußeren Rand 53 in die Ecke
33 zu schwenken; der dazwischen liegende Federabschnitt greift an dem
Drehvorsprung 49 der Druckplatte 45 an, um die Druckplatte in Richtung auf die
Kupplungsscheibe 78 und Endplatte 38 zu rücken und die Kupplung einzurücken, was
eine Drehung der hülsenförmigen Welle 74 zur Folge hat. Wenn der Druck
aufgehoben wird, drückt die Tellerfeder 64 den Kolben nach links; die Rückholfeder 64
bewegt sich mit dem Kolben (da sie an ihm angebracht ist) und zieht die
Druckplatte zurück.
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Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des inneren Abschnittes der
Kupplungsscheibe 78, was die Öffnungen 81 und mehrere in Umfangsrichtung
gleichmäßig beabstandete längliche Ölöffnungen 82 zeigt, die dazu dienen, das Öl um die
Kupplungsscheibe herum strömen und die Reibbeläge 79 kühlen kann. Das Kühlöl
wird mit Druck aus einer geeigneten Quelle durch die beiden Zuführungsteile 83
und 84 zugeführt. Wie zu sehen ist, sind die beiden Zuführungsteile so beabstandet,
daß in der dargestellten Lage ein Teil in Richtung auf die Mitte einer Öffnung 82
gerichtet ist, während das andere Teil in Richtung auf die Mitte des die Öffnung
trennenden Steges 85 gerichtet ist. Die Ausrichtung der Zuführteile ist somit derart,
daß Öl immer durch mindestens eine Öffnung 82 strömen kann, wenn die
Kupplungsscheibe bei Betrieb der Kupplung an irgendeiner Stelle stehen bleibt.
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Fig. 6 offenbart die angetriebene Riemenscheibe 91 des CVT, die durch
einen geeigneten Kettenriemen 92 von der Antriebsriemenscheibe (nicht gezeigt)
angetrieben wird. Die angetriebene Riemenscheibe besitzt eine stationäre Stirnseite
93 und eine axial bewegliche Stirnseite 94 an der Welle 11; die bewegliche Seite,
die einen ringförmigen Kolben 95 aufweist, wirkt innerhalb eines hydraulischen
Zylinders 96, der auf der Welle angebracht ist. Eine scheibenförmige Feder 97 ist
zwischen dem Zylinder und der bewegbaren Seite 94 angeordnet, und eine drehfeste
Abgabehülse 98 umgibt die Welle und steht durch die Leitung 99 mit einer
hydraulischen Strömungsmittelquelle in Verbindung. Die Hülse umfaßt eine innere
ringförmige Nut 101, die mit der Leitung 99 in Verbindung steht, und eine
querverlau
fende Bohrung 102 in der Welle; eine zweite querverlaufende Bohrung 103, die zu
der Bohrung 102 beabstandet ist, steht mit der im Zylinder 96 gebildeten Kammer
104 in Verbindung. Die längsverlaufende Bohrung 24 erstreckt sich von den
querverlaufenden Bohrungen 102 und 103 durch die Welle 11 zu den radialen Kanälen
23 in der Kupplung.
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Unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit wird von einer drosselinduzierten
Pumpe (nicht gezeigt) im Fahrzeugantriebssystem durch die Leitung 99 zugeführt,
die sich in die Hülse 98 hineinerstreckt und mit dem Kanal 24 in Verbindung steht,
um sowohl die Riemenscheibenseite 94 wie auch den Kolben 18 in der
Druckkammer 17 zu betätigen. Die vollständige Anordnung hat somit ein Gehäuse (nicht
gezeigt), das die Kupplung und das CVT wie auch die Kühlölquelle für die Teile 83
und 84 umgibt.
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Die Tellerfeder 52 ist so bemessen, daß sie ein Einrücken der Kupplung
verhindert, bis sich ein vorgegebener Kolbendruck als Folge der Drosselvoreilung auf
gebaut hat, und ermöglicht somit der Kupplung, in präziser Weise als "Sicherung"
zu arbeiten. In Fig. 7 ist ein Diagramm für die Kupplung dargestellt, bei dem der
hydraulische Druck zum Betätigen der Kupplung und der Riemenscheibe auf der X-
Achse und das Getriebe-Eingangsmoment für die Kupplung und die Riemenscheibe
auf der Y-Achse aufgetragen sind. Die Linie "A" gilt für die Kupplung, und die
Linie "B" gilt für die Riemenscheibe und den Kettenriemen. Da ein Durchrutschen des
Kettenriemens 92 sehr rasch zu einer unerwünschten Abnutzung der feststehenden
und beweglichen Riemenscheibenflächen, die am Riemen angreifen, führt, ist es
erwünscht, daß die Anfahrkupplung durchrutscht, ehe der Riemen relativ zur
Riemenscheibe rutscht. Um daher das (Grund- + Zentrifugal-)Drehmoment der
Kupplung unter dem (Grund- + Zentrifugal-)Drehmoment von
Kettenriemen/Riemenscheibe zu halten, wurden die Kolbendurchmesser für die Kupplung auf den Punkt
eingestellt, bei dem das resultierende Zentrifugalmoment der Kupplung kleiner als
das Zentrifugalmoment von Kettenriemen/Riemenscheiben ist, und das
Sicherungskonzept blieb somit ohne den Einsatz von Ausgleichsgewichten oder -umhüllungen
beibehalten. Betrachtet man das Diagramm der Fig. 7, so ist ersichtlich, daß bei
einem speziellen Druck von beispielsweise 8,0 kg/cm² das Drehmoment für die
Kupplung näherungsweise 2,7 kg/m beträgt, während das Drehmoment für die
Riemenscheibe näherungsweise 4,2 kg/m beträgt. Dieses Diagramm ist für ein
spezielles CVT-Riemenscheiben-Verhältnis gezeigt, und andere Verhältnisse führen zu
ähnlichen Kurven. Es wurde festgestellt, daß diese Sicherungswirkung über im
wesentlichen den gesamten Druckbereich für die Kupplung und Riemenscheiben außer
für Extremzustände bei hohen Übersetzungsverhältnissen vorhanden ist.