DE9421600U1 - Landwirtschaftlicher Traktor mit elektromechanischem Getriebe - Google Patents

Landwirtschaftlicher Traktor mit elektromechanischem Getriebe

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Description

SC/ar 94223G 12.01.1996
Landwirtschaftlicher Traktor mit elektromechanischen. Getriebe
Die Erfindung betrifft einen landwirtschaftlichen Traktor, dessen Verbrennungsmotor über ein, insbesondere ein Differentialgetriebe aufweisendes Endgetriebe mit dem Fahrantrieb verbunden ist.
Ein Traktor der eingangs genannten Art ist aus der Praxis bekannt. Bei einem solchen Traktor arbeitet der Verbrennungsmotor bekanntermaßen auf ein Getriebe, welches über eine Reibungs- oder Fluidkupplung angekoppelt ist. Ein solches Getriebe kann aus den Komponenten Wende-/Lastschalt- und Gruppengetriebe bestehen. Dieses Getriebe arbeitet auf ein Endgetriebe für den Traktionsantrieb. Die Anforderungen an Getriebe für diesen Einsatzzweck sind erheblich. So sind Getriebe mit bis zu 100 Vorwärts- und Rückwärtsgängen nicht selten. Eine besondere Anforderung an dieses Getriebe ist häufig auch, daß es mindestens teil- am besten aber vollastschaltbar sein muß. Getriebe, die diese Voraussetzungen erfüllen, sind hochkompliziert aufgebaut und weisen nicht selten Wirkungsgrade von weniger als 90 %, vor allem im Teillastbetrieb, auf. Dies gilt insbesondere für lastschaltbare Getriebe bei Verwendung von hydrostatischen oder hydrodynamischen Kupplungen. Neben dem Nachteil eines erhöhten Kraftstoffverbrauches aufgrund des herabgesetzten Wirkungsgrades besteht auch ein zusätzlicher Aufwand darin, die Wartung bzw.
Instandhaltung der stark erhöhten Anzahl von Getriebeteilen anpassen zu müssen.
Ein weiterer Nachteil ist in dem Auftreten von Schaltstoßen zu sehen.
Aus der DE-OS 2805932 ist ein landwirtschaftlicher Traktor bekannt, welcher als Verbrennungsmotor eine hochtourig mit konstanter Geschwindigkeit laufende Gasturbine aufweist. An diese ist mechanisch ein Wechselstromgenerator angeschlossen, dessen Ausgangsstrom über Umrichter auf Motoren übertragen wird, die mechanisch an die Traktorräder gekoppelt sind. Somit wird die Leistung, die zum Antrieb der Traktorräder benötigt wird, über elektrische Leiter zu den einzelnen Radmotoren übertragen. Dieser Traktor weist insoweit bereits ein anderes Konzept auf, als hierbei ein Endgetriebe für die Verteilung des Drehmomentes auf den Traktionsantrieb nicht vorgesehen ist. Diese elektrischen Kraftübertragungen sind aber praktisch bei landwirtschaftlichen Traktoren nicht anwendbar, da mit diesen Antrieben die an den langsam drehenden Antriebsrädern der Traktoren notwendigen hohen Antriebsmomente bei gegebenen Baugrößenverhältnissen nicht erzeugt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen landwirtschaftlichen Traktor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß sein Aufbau und seine Wartung bzw. Instandhaltung vereinfacht und seine Bedienungsfreundlichkeit und sein Wirkungsgrad verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verbrennungsmotor insbesondere drehstarr mit der Ankerwelle eines Generators verbunden ist, welcher einen Elektromotor speist, dessen Ankerwelle mit dem
Endgetriebe gekoppelt ist und daß die Generator/Elektromotoreinheit einen elektronischen Regler aufweist, dessen Istwert von einem Rotorlagegeber an der Ankerwelle des Elektromotors oder dahinter detektiert wird und dessen Sollwerte (Drehzahl, Drehmoment, Drehrichtung) für den Regler von der Bedienungsperson frei vorgebbar sind.
Die Erfindung zeichnet sich wesentlich dadurch aus, daß das bislang rein mechanisch ausgeführte Getriebe durch ein elektromechanisches Getriebe ersetzt wird, wodurch eine stufenlose Kraftübertragung bei optimaler Ausnutzung der Antriebsleistung ermöglicht wird. Der Wirkungsgrad dieser Lösung ist im Vergleich zu hydrostatisch leistungsverzweigten Lastschaltgetrieben deutlich verbessert. Die Lagerhaltung für die zahlreichen Bauteile des hochkomplizierten Schaltgetriebes entfällt. Im übrigen vereinfacht sich die Wartung, da die Komponenten des elektromechanischen Getriebes praktisch wartungsfrei sind. Die Bedienbarkeit wird verbessert, weil bislang der Bedienungsperson zukommende Regelaufgaben nunmehr von der elektronischen Regelung übernommen werden können.
Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung wird der im Generator erzeugte Strom über die Regeleinheit dem Elektromotor zugeführt, welcher direkt das (konventionelle) Endgetriebe des Traktionsantriebes versorgt. Aufgrund der hohen Flexibilität der elektronischen Regelung ist es möglich, sowohl die Anforderung für schnelle Gänge, beispielsweise für Transportfahrten des Traktors als auch für extrem langsame Gänge (Kriechgänge) bei bestimmten Bestell- oder Erntearbeiten zu erfüllen. Auch eine Anwendung auf selbstfahrende landwirtschaftliche Maschinen, beispielsweise Erntemaschinen, ist möglich. Da die Charakteristik des Elektromotors für den Fahrantrieb (Traktionsantrieb) durch die Regeleinheit in weiten
Bereichen veränderbar ist, ist für den Verbrennungsmotor keine besondere Motorcharakteristik erforderlich, so daß dieser hinsichtlich seiner Regelbarkeit vereinfacht werden kann.
Eine erste besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung betrifft solche Traktoren, bei denen der Verbrennungsmotor über ein weiteres Getriebe mit einer Motorzapfwelle verbindbar ist, also ein elektromechanischer Fahrantrieb mit einem mechanischen Zapfwellenantrieb kombiniert ist (Hybridantrieb). Sie sieht vor, daß die Ankerwelle des Elektromotors eine Hohlwelle ist, innerhalb der eine weitere Antriebswelle angeordnet ist, mittels der die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit dem weiteren Getriebe für die Motorzapfwelle verbindbar ist. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Überlagerung von Antrieb für den Fahrantrieb des Traktors einerseits und für die Motorzapfwelle andererseits. Beide Antriebsteile können in einer einzigen Einheit integriert sein, wobei die Charakteristik des Verbrennungsmotors nur noch durch die Anforderungen aufgrund der Motorzapfwelle bestimmt sein muß, jedoch im übrigen aufgrund der frei programmierbaren elektronischen Regelung keiner Beschränkung unterworfen ist.
Eine zweite besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung auf solche Traktoren, bei denen der Verbrennungsmotor über ein weiteres Getriebe mit einer Motorzapfwelle verbindbar ist, sieht vor, daß der Elektromotor so eingebaut ist, daß seine Ankerwelle parallel und/oder konzentrisch zu den angetriebenen Achsen des Traktors liegt. Der Zapfwellenantrieb ist dabei an dem Elektromotor vorbeigeführt.
Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgetnäßen Lösung, die mit den jeweiligen Merkmalen der beiden vorgenannten Lösungen kombiniert werden kann, sieht vor, daß der Generator anstatt zwischen Verbrennungs- und Elektromotor vor dem Verbrennungsmotor angeordnet und mit diesem drehstarr verbunden ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den nachfolgenden Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig.l einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Traktor,
Fig.2 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig.3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ein Blockschaltbild hinsichtlich des elektromechanischen Getriebes gemäß den Ausführungsbeispielen aus den Fig. 2,3 und 4.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten landwirtschaftlichen Traktor.
Die vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte Antriebsleistung wird über eine zentrale Welle zunächst auf eine Reibungskupplung 3 übertragen. Nachgeschaltet ist ein Wendegetriebe 4 sowie ein Lastschaltgetriebe 5 und ein Gruppengetriebe 6. Das vom Gruppengetriebe 6 abgegebene Drehmoment wird auf ein Endgetriebe 7 übertragen. Hierbei handelt es sich um ein konventionelles Endgetriebe mit einem Kegelrad- und einem Differentialgetriebe 8, welches mit dem Traktionsantrieb 9, z.B. in Form eines Rad- oder Gleiskettenantriebes gekoppelt ist.
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen landwirtschaftlichen Traktors, wobei gemeinsame Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Der landwirtschaftliche Traktor nach Fig. 2 weist als Verbrennungsmotor einen Dieselmotor 1 auf, der über eine drehsteife Kupplung mit Torsionsdämpfung 11 einen Drehstromgenerator 12 antreibt. Die Nenndrehzahl und Nennleistung von Dieselmotor und Generator 12 sind aufeinander abgestimmt.
Die Ankerwelle 13 des Generators 12 ist mit einer Welle 14 gekoppelt, die das Untersetzungsgetriebe für die Zapfwelle 10 am Heck des Traktors antreibt. Die Welle 14 ist konzentrisch innerhalb einer als Hohlwelle ausgeführten Ankerwelle 16 eines dem Generator 12 nachgeordneten Elektromotors 15 angeordnet.
Der im Generator 12 erzeugte Drehstrom wird einer Steuerungs- und Regeleinheit 19 zugeführt, die in Fig. 5 im Detail dargestellt ist. Der mittels des Reglers umgerichtete Strom wird dem als kollektorlosen Drehstromasynchronmotor ausgeführten Motor 15 zugeführt. Die Auslegung des Motors ist derart, daß er bis zu seiner
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Nenndrehzahl mit seinem Kippmoment und darüber hinaus bei konstanter Leistung im Feldschwächungsbereich bis zu etwa dem 4-fachen seiner Nenndrehzahl betrieben werden kann. Die volle Reversierbarkeit des Antriebs ist durch die Umkehrbarkeit des Stromdrehsinnes gegeben.
Die Ankerwelle 16 des Motors ist über ein mechanisches zweistufiges Fahrstufengetriebe 17 (Transportgänge/langsame Gänge) mit dem konventionellen Endgetriebe 7 des landwirtschaftlichen Traktors verbunden. Die Kühlung 18 der Generator-/ Elektromotoreinheit erfolgt entweder mittels Luftkühlung, über einen separaten Flüssigkeitskühler oder über einen am Traktor vorhandenen Kühlkreislauf (Motorkühlkreislauf, Getriebeölkühlkreislauf oder Kühlkreislauf der Klimaanlage).
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen landwirtschaftlichen Traktors, wobei gemeinsame Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Er weist als Verbrennungsmotor einen Dieselmotor 1 auf, der über eine drehsteife Kupplung mit Torsionsdämpfung 11 einen Drehstromgenerator 12 antreibt. Der in dem Generator 12 erzeugte Strom wird einer Steuerungs- und Regeleinheit zugeführt, die in Fig. 5 im Detail dargestellt ist und die gleiche ist wie bei dem Traktor nach der Fig. 2. Die Ankerwelle 13 des Generators 12 ist mit einer Welle 14 gekoppelt, die das Untersetzungsgetriebe für die Zapfwelle 10 am Heck des Traktors antreibt. Die Welle 14 ist dabei an dem parallel zur Hinterachse des Traktors eingebauten Elektromotors 15 vorbeigeführt. Die Ankerwelle 16 des Motors ist über ein mechanisches zweistufiges Fahrgetriebe 17 (Transportgänge/ langsame Gänge) mit der Hinterachse des landwirtschaftlichen Traktors verbunden. Die Kühlung 18 der Generator-/
Elektromotoreinheit erfolgt in gleicher Weise wie bei dem Traktor nach Fig. 2.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen landwirtschaftlichen Traktors, wobei gemeinsame Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Er weist als Verbrennungsmotor einen mittig angeordneten Dieselmotor l auf, der über einen ersten Abtrieb und eine drehsteife Kupplung mit Torsionsdämpfung 11 einen Drehstromgenerator 12 antreibt. Der in dem Generator 12 erzeugte Strom wird einer Steuerungs- und Regeleinheit 19 zugeführt, die in Fig. 5 im Detail dargestellt ist und die gleiche ist wie bei dem Traktor nach der Fig. 2. Ein zweiter Abtrieb des Dieselmotors 1 ist mit einer Welle 14 gekoppelt, die das Untersetzungsgetriebe für die Zapfwelle 10 am Heck des Traktors antreibt. Die Welle 14 ist konzentrisch innerhalb einer als Hohlwelle ausgeführten Ankerwelle 16 eines dem Dieselmotor 1 nachgeordneten Elektromotors 15 angeordnet. Die Ankerwelle 16 des Motors ist über ein mechanisches zweistufiges Fahrgetriebe 17 {Transportgänge/ langsame Gänge) mit dem konventionellen Endgetriebe 7 des landwirtschaftlichen Traktors verbunden. Die Kühlung 18 der Generator-/ Elektromotoreinheit erfolgt in gleicher Weise wie bei dem Traktor nach Fig. 2.
Die in Figur 5 dargestellte Steuerungs- und Regeleinheit 19 arbeitet nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung mit Rotorlagerückführung. Der in dem Generator erzeugte Strom wird einer Steuerungs- und Regeleinheit 19 zugeführt. In dieser Einheit wird der Strom zunächst gleichgerichtet 20 und dann mit Hilfe von Leistungshalbleitern 21 in ein von einem feldorientierten Regler mit Rotorlagerückführung berechnetes, eingeprägtes Stromsystem umgewandelt, so daß bei dem angeschlossenen
Elektromotor die Parameter Drehzahl, Drehsinn und Drehmoment einstellbar sind. Diese Parameter werden dabei durch zusätzliche Steuerungs- und Regelkreise in Abhängigkeit der vom Fahrer vorgegebenen Betriebspunkte oder Befehle und der aktuellen Betriebsbedingungen ermittelt und dem feldorientierten Regler als Sollwerte vorgegeben. Die dazu erforderlichen Meßgrößen werden mittels Sensoren 22 an den entsprechenden Baugruppen des Traktors abgegriffen und in der Steuerungs- und Regelungseinheit mit Hilfe von Mikroprozessoren 23 und spezieller Steuerungs- und Regelungssoftware 24 zu den benötigten Sollwerten verarbeitet, aus denen der feldorientierte Regler die entsprechenden Stellgrößen berechnet.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Traktors bilden die Grundlage für zahlreiche vorteilhafte Weiterentwicklungen. Weil die Charakteristik des Elektromotors für den Fahrantrieb durch die Steuerungs- und Regeleinheit in weiten Bereichen verändert werden kann, braucht die Charakteristik des Verbrennungsmotors nur noch auf die Anforderungen für die Nutzung der Motorzapfwelle abgestimmt werden. Für den Antrieb des Generators ist keine besondere Motorcharakteristik erforderlich. Die Steuerungs- und Regeleinheit kann außer für die Generator-/ Elektromotoreinheit auch für Steuerungs- und Regelungsfunktionen für den Verbrennungsmotor, den Kraftheber und die Motorzapfwelle genutzt werden, so daß ein zentrales Mangementsystem für den Traktor entsteht.
Der erfindungsgemäße landwirtschaftliche Traktor weist u.a. folgende Steuerungs- und Regelfunktionen auf:
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stufenlose Einstellung eines konstanten Untersetzungsverhältnisses bei variabler Motordrehzahl; z.B. für wegabhängige Zapfwellenarbeiten (ähnlich dem Einlegen eines bestimmten Ganges bei einem Schaltgetriebe); in Verbindung mit einer Schlupfregelung über Bodenradar kann dann auf die mechanische wegabhängige Schaltung der Zapfwelle verzichtet werden,
Einstellung einer konstanten Fahrgeschwindigkeit in Verbindung mit variabler Zapfwellendrehzahl, z.B. für den Betrieb mit Großpackenpressen bei veränderlichen Schwadstärken,
automatische Einstellung des
Untersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit der eingestellten Leistung des Verbrennungsmotors und des zu überwindenden Fahrwiderstandes, z. B. für Transportfahrten oder beim Pflügen (ähnlich einer stufenlosen, mechanischen Kraftübertragung mit Geschwindigkeitseinstellung über die Gasregulierung des Antriebsmotors) ,
Einstellung der Motorleistung im jeweiligen Betriebsoptimum, vor allem in Verbindung mit der letztgenannten Einstellungsmöglichkeit (maximale Leistung, minimaler spezifischer Kraftstoffbedarf etc.) und
Einstellung eines beliebigen
Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt, z.B. bei Rangier- und Frontladerarbeiten.

Claims (14)

SC/ar 94223G 12.01.1996 SCHUTZANSPRÜCHE
1. Landwirtschaftlicher Traktor,-dessen Verbrennungsmotor (1) über ein insbesondere ein Differentialgetriebe (8) aufweisendes Endgetriebe mit dem Fahrantrieb (9) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) insbesondere drehstarr mit der Ankerwelle (13) eines Generators (12) verbunden ist, welcher einen Elektromotor (15) speist, dessen Ankerwelle (16) mit dem Endgetriebe gekoppelt ist und daß die Generator/Elektromotoreinheit (12,15) einen elektronischen Regler aufweist, dessen Istwert von einem Rotorlagegeber an der Ankerwelle (16) des Elektromotors (15) detektiert wird und dessen Sollwerte (Drehzahl, Drehmoment, Drehrichtung) für den Regler von der Bedienungsperson frei vorgebbar sind.
2. Landwirtschaftlicher Traktor nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor (1) über ein weiteres Getriebe, insbesondere ein Untersetzungsgetriebe, mit einer Motorzapfwelle (19) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwelle (16) des Elektromotors (15) eine Hohlwelle ist, innerhalb der eine weitere Antriebswelle (14) angeordnet ist, mittels der die Ankerwelle (13) des Generators (12) mit dem weiteren Getriebe für die Motorzapfwelle (10) verbindbar ist.
3. Landwirtschaftlicher Traktor nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor (1) über ein weiteres Getriebe, insbesondere ein Untersetzungsgetriebe, mit einer Motorzapfwelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (15) so eingebaut ist, daß seine Ankerwelle parallel und/oder konzentrisch zu den angetriebenen Achsen des Traktors liegt, wobei der Zapfwellenantrieb dabei an dem Elektromotor vorbeigeführt ist.
4. Landwirtschaftlicher Traktor nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor (1) über ein weiteres Getriebe, insbesondere ein Untersetzungsgetriebe, mit einer Motorzapfwelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) zwischen, insbesondere mittig zwischen dem Generator (12) und dem Elektromotor (15) eingebaut ist und über zwei Abtriebe verfügt, von denen der eine drehstarr mit dem Generator und der andere mit einer Antriebswelle (14) verbunden ist, die das Getriebe für die Motorzapfwelle antreibt.
5. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwelle (16) des Elektromotors (15) der Generator/Motoreinheit (12,15) über ein mechanisches Fahrstufengetriebe mit dem Endgetriebe gekoppelt ist.
6. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) über eine drehsteife Kupplung mit Torsionsdämpfung mit dem Generator (12) verbindbar ist.
• ·
7. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (12) und der als Dieselmotor ausgeführte
Verbrennungsmotor (1) hinsichtlich Nenndrehzahl und Nennleistung aufeinander abgestimmt sind.
8. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Drehstromasynchronmotor mit Käfigläufer ist.
9. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (19) zusätzlich mit dem Verbrennungsmotor (1) , insbesondere seiner Kraftstoffzuführung, und/oder der Motorzapfwelle (10) und/oder dem Kraftheber des Traktors verbindbar ist.
10. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit einen Gleichrichter (20), einen dreiphasigen Stromrichter (21) und einen den dreiphasigen Stromrichter steuernden Mikrorechner (23) aufweist, welcher sein Eingangssignal vom Istwertgeber für die Rotorlage (22) erhält.
11. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Kühlung (18) der Generator/Motoreinheit (12,15) eine Luftkühlung oder eine Flüssigkeitskühlung, insbesondere Ölkühlung oder Wasserkühlung, ist.
12. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein feldorientierter elektronischer Regler ist.
13. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (15) und/oder der Generator (12) mit supraleitenden Elementen ausgestattet ist/sind.
14. Landwirtschaftlicher Traktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsbauteile des Reglers supraleitende Elemente aufweisen.
• C * ·
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007113175A1 (de) * 2006-03-30 2007-10-11 Siemens Aktiengesellschaft Antriebssystem für ein nutzfahrzeug, insbesondere für den mineneinsatz

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WO2007113175A1 (de) * 2006-03-30 2007-10-11 Siemens Aktiengesellschaft Antriebssystem für ein nutzfahrzeug, insbesondere für den mineneinsatz

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