DE102018200522A1 - Lenkhilfevorrichtung für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt eine Lenkhilfevorrichtung (2) zur Unterstützung eines Lenkvorganges eines Kraftfahrzeuges (1) zur Verfügung. Die Lenkhilfevorrichtung (2) umfasst eine Lenksäule (3) und ein Lenkhilfegehäuse (6), wobei die Lenksäule (3) mindestens eine Welle (4) aufweist. Hierbei weist die Welle (4) einen Rotor (7) und das Lenkhilfegehäuse (6) einen Stator (8) auf. In der erfindungsgemäßen Lenkhilfevorrichtung (2) ist der Stator (8) gegenüber dem Rotor (7) in radialer Richtung angeordnet. Dabei ist der Rotor (7) eine Scheibe, an dessen radial äußeren Rand (20) mindestens ein Magnet (10) angeordnet ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkhilfevorrichtung zur Unterstützung eines Lenkvorganges eines Kraftfahrzeuges und ein Kraftfahrzeug.
- Lenkhilfesysteme in unterschiedlichen Ausgestaltungen sind im Stand der Technik in großer Anzahl offenbart. Mittlerweile sind elektrisch unterstützte Lenkhilfesysteme, auch als EPAS (Electric Power Assist Steering) bekannt, ein essentieller Bestandteil eines modernen Kraftfahrzeuges. Die Lenkhilfesysteme können dabei adaptiv ausgelegt werden, um beispielsweise eine stärkere Lenkhilfe bei einem Einparkvorgang zu gewährleisten, während bei einer höheren Fahrgeschwindigkeit eine schwächere Lenkhilfe gewährleistet wird, um ein Übersteuern zu verhindern. Die elektrischen oder elektromechanischen, lenksäulenbasierten Lenkhilfesysteme weisen dabei typischerweise einen elektrischen Motor auf, der neben der Lenksäule angeordnet ist und über ein Getriebe eine Kraft auf die Lenksäule überträgt. Diese Art von Lenkhilfesystemen weist durch ein Anwenden eines Übersetzungsgetriebes konstruktionsbedingt eine vergleichsweise hohe Reibung mit einer höheren Anfälligkeit gegenüber äußeren Einflüssen, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, auf.
- Einen Lösungsansatz für ein Lenkhilfesystem ohne ein Getriebe offenbart die
EP 0 125 918 A2 . DieEP 0 125 918 A2 offenbart ein elektrisch unterstütztes Lenkhilfesystem mit einem Induktionsmotor, der an der Lenksäule eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Der Induktionsmotor ist hierbei ein Scheibenmotor mit Windungen, die je nach Kontrolle des Fahrers alternierend mit Strom gespeist werden. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Lenkhilfevorrichtung zur Verfügung zu stellen, die geringe Reibungsverluste und eine sehr kompakte Bauweise aufweist. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, welches dazu ausgebildet ist, das Nutzen einer erfindungsgemäßen Lenkhilfevorrichtung zu gewähren.
- Die erste Aufgabe wird durch eine Lenkhilfevorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 15 gelöst.
- Die vorliegende Erfindung stellt eine Lenkhilfevorrichtung zur Unterstützung eines Lenkvorganges eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung. Die Lenkhilfevorrichtung umfasst eine Lenksäule und ein Lenkhilfegehäuse, wobei die Lenksäule mindestens eine Welle aufweist. Hierbei weist die Welle einen Rotor und das Lenkhilfegehäuse einen Stator auf. In der erfindungsgemäßen Lenkhilfevorrichtung ist der Stator gegenüber dem Rotor in radialer Richtung angeordnet. Dabei ist der Rotor eine Scheibe, an dessen radial äußeren Rand mindestens ein Magnet angeordnet ist. Die zur Verfügung gestellte Anordnung ist sehr kompakt und liefert eine Übersetzung, die eine Kraftübertragung von beispielsweise 50 Nm, insbesondere 20-60 Nm aufweist. Ferner ist die Masse um die Lenkachse symmetrisch verteilt, so dass ein Massenungleichgewicht durch einen zusätzlichen Antriebsmotor entfällt. Insbesondere werden durch die Bauweise der vorliegenden Erfindung die Geräuscheigenschaften bei maximalen Antriebsmoment verbessert.
- Die Lenkhilfevorrichtung umfasst gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Platine, die eine Steuereinheit aufweist. Die Platine ist dabei radial um die Lenksäule angeordnet. Hierbei sind insbesondere die Abstände zwischen den einzelnen elektrischen Komponenten auf der einen Seite und den zugehörigen mechanischen Komponenten auf der anderen Seite kurz. Die radiale Anordnung der Platine führt zu einem Fehlen oder einem Reduzieren von Verkabelungen und Steckverbindungen. Hiermit wird die Betriebssicherheit erhöht und die Herstellerkosten gesenkt. Die Platine weist in einer weiteren Ausgestaltung gegenüber dem Rotor einen axialen Abstand auf, der kleiner als der Rotorradius ist. Die Anordnung der Platine sehr dicht an dem Rotor führt zu einer sehr kompakten Bauweise.
- Die Lenksäule der vorliegenden Erfindung weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine zweite Welle auf. Dabei ist die erste Welle mit der zweiten Welle mechanisch verbunden. Diese mechanische Verbindung gewährleistet eine Kontrolle des Kraftfahrers über das Kraftfahrzeug bei einem Ausfall der Lenkhilfe. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die mechanische Verbindung eine Drehstabfeder sein.
- Die Lenkhilfevorrichtung weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Rotationsmessvorrichtung auf. Die Rotationsmessvorrichtung ist dazu ausgebildet, ein auf die Lenksäule aufgebrachtes Drehmoment zu erfassen. Die Übernahme der Funktion eines Drehmomentsensors durch die Rotationsmessvorrichtung führt zum einen dazu, dass kein separater Drehmomentsensor notwendig ist und zum anderen, dass der Drehmomentsensor in der sehr kompakten Bauweise integriert ist. Die Rotationsmessvorrichtung gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst einen Messkopf, der auf der Platine angeordnet ist. Ferner weist die Rotationsmessvorrichtung gemäß einer weiteren Ausgestaltung mindestens einen Sensormagneten auf, der an der Lenksäule angeordnet ist.
- Die Rotationsmessvorrichtung ist gemäß einer Ausgestaltung dazu ausgebildet, eine Rotorposition und/oder einen Lenkwinkel der Lenksäule zu erfassen. Ein separater Rotationssensor als auch ein Lenkwinkelsensor können damit entfallen, zumal die Rotorposition und der Lenkwinkel alle 360° identisch sind. Die Rotationsmessvorrichtung kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung dazu ausgebildet sein, eine absolute Winkelposition der Lenksäule zu erfassen. Durch einen Absolutlenkwinkelsensor kann die Anzahl der absoluten Umdrehungen festgestellt werden.
- Die Platine weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung mindestens einen FET (Feldeffekttransistor) auf. Dieser mindestens eine FET ist radial außen auf der Platine angeordnet, so dass der mindestens eine FET zur Ansteuerung einer Spule in der Nähe dieser Spule angeordnet ist. Diese Anordnung gewährleistet eine gute elektromagnetische Verträglichkeit und geringe Widerstandsverluste. Ferner ist die Möglichkeit gegeben, jeder Spule einen FET zuzuordnen. Die entstehende Wärme des gesamten Systems kann somit sehr homogen auf den gesamten Umfang verteilt werden. Eine separate Basisplatte als thermische Masse ist somit nicht notwendig. Zu einer Verbesserung der Wärmeabfuhr können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung Kühlrippen auf der Außenseite des Lenkhilfegehäuses angeordnet sein. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Kühlrippen des Lenkhilfegehäuses radial nach außen angeordnet sein. Durch die radiale Anordnung der Kühlrippen weisen die radial äußeren Enden der Kühlrippen einen größeren Abstand zueinander auf, so dass durch diese Anordnung ein größerer Kühleffekt gegeben ist.
- Die Scheibendicke des Rotors ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung schmaler als die Länge des an dem Rotor angeordneten Magneten in axialer Richtung. Diese Anordnung führt zu einer geringen Masse der gesamten Lenkhilfevorrichtung.
- Die vorliegende Erfindung offenbart des Weiteren ein Kraftfahrzeug, das mit einer erfindungsgemäßen Lenkhilfevorrichtung ausgestattet ist.
- Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die vorliegenden Figuren.
-
1 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Lenkhilfevorrichtung. -
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lenkhilfevorrichtung. - Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Lenkhilfevorrichtung an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren beschrieben.
- Die erfindungsgemäße, in
2 im Detail gezeigte Lenkhilfevorrichtung2 unterstützt einen von einem Fahrer durchgeführten Lenkvorgang eines Kraftfahrzeuges1 (vgl.1 ). Die erfindungsgemäße Lenkhilfevorrichtung2 weist kein Getriebe auf, womit der Aufbau der vorliegenden Erfindung sehr kompakt gestaltet werden kann. Durch das Fehlen eines Getriebes werden Nebengeräusche, wie zum Beispiel Klappern oder Getriebeheulen, reduziert und die Abhängigkeit der Lenkhilfevorrichtung2 von Umwelteinflüssen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit vermindert. Ferner sind Abnutzungserscheinungen in der vorliegenden Erfindung weitaus geringer als bei einer auf einem Getriebe basierenden Lenkhilfevorrichtung2 . - Die erfindungsgemäße Lenkhilfevorrichtung
2 umfasst eine Lenksäule3 und ein Lenkhilfegehäuse6 . Die Lenksäule3 weist mindestens eine Welle4 auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Lenkhilfevorrichtung2 zwei Wellen4 ,5 auf, die mechanisch miteinander verbunden sind. Durch die mechanische Verbindung wird dem Fahrer die Sicherheit gegeben, das Kraftfahrzeug1 trotz eines Ausfalles der Lenkhilfevorrichtung2 kontrolliert steuern zu können. Typischerweise ist diese mechanische Verbindung eine Drehstabfeder12 (vgl.2 ). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Welle5 mit einem Lenkrad13 des Kraftfahrzeuges1 und die Welle4 mit einem Lenkgetriebe18 des Kraftfahrzeuges1 verbunden, vgl.1 . - Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung für die Kompaktheit der Lenkhilfevorrichtung
2 in axialer Richtung26 ist die Anordnung der inneren Komponenten der Lenkhilfevorrichtung2 . Die Lenkhilfevorrichtung2 weist einen Rotor7 und einen Stator8 auf, beide sind koaxial gegenüber der Lenksäule3 angeordnet. Der Rotor7 ist dabei eine Scheibe und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an der Welle4 angeordnet. An dem radial äußeren Rand20 des Rotors7 ist mindestens ein Magnet10 angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind weit mehr als zehn Magnete10 in dem radial äußeren Rand20 des Rotors7 angeordnet. Die Länge25 der Magnete10 entlang der axialen Richtung26 ist größer als die Dicke24 der Scheibe des Rotors7 . Die Dicke24 der Scheibe des Rotors7 kann klein gehalten werden, um die träge Masse der Scheibe des Rotors7 so gering wie möglich zu halten. - Der Stator
8 ist an dem Lenkhilfegehäuse6 und gegenüber dem Rotor7 in radialer Richtung angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Stator8 mehr als 27 Wicklungen auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist damit die Kraftübertragung ungefähr 10 bis 15 Mal höher als bei gegenwärtigen Lenkhilfeunterstützungsmotoren. Ferner führt die koaxial symmetrische Anordnung des Stators8 und des Rotors7 gegenüber der Lenksäule3 zu einer symmetrischen Verteilung der Masse. Ein Massenungleichgewicht durch einen externen Ansteuerungsmotor für die Lenkhilfe ist somit nicht gegeben. - Die erfindungsgemäße Lenkhilfevorrichtung
2 weist ferner eine Platine9 auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Platine9 an dem Lenkhilfegehäuse6 befestigt, ringförmig aufgebaut und koaxial gegenüber der Lenksäule3 angeordnet. Die Platine9 ist dabei derart koaxial gegenüber dem Rotor7 angeordnet, dass der Abstand21 zwischen dem Rotor7 und der Platine9 kleiner ist als der Radius22 des Rotors7 . - Die Platine
9 weist eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die inneren Komponenten der Lenkhilfevorrichtung2 zu steuern. Die Integration der gesamten Steuereinheit auf der Platine9 ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, die dahin gerichtet ist, die Lenkhilfevorrichtung2 in axialer Richtung26 so kompakt wie möglich zu halten. In dem Ausführungsbeispiel sind auf der Platine9 mehrere FETs16 (Field Effect Transistors) radial außen 23 angeordnet. Dies hat zur Folge, dass jeder Spule11 ein FET16 zugordnet werden kann. Die einzelnen FETs16 können hierbei in der Nähe der zugehörigen Spule11 platziert werden, um eine gute elektromagnetische Verträglichkeit und geringe Widerstandsverluste zu gewährleisten. Die entstehende Wärme kann damit homogen auf den gesamten Umfang der Platine9 verteilt werden. Eine separate Baseplate als thermische Masse ist somit nicht notwendig. Ferner können jeder Spule11 mehrere FETs16 zugeordnet werden, so dass eine redundante Anordnung gegeben ist. Im Fall eines Ausfalls einer oder mehrerer FETs16 ist eine hinreichende Funktionstüchtigkeit der Lenkhilfevorrichtung2 gegeben. - Für die Erhöhung der Kühlleistung können an dem Lenkhilfegehäuse
6 Kühlrippen14 , wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, radial nach außen angeordnet sein. Durch die radiale Anordnung der Kühlrippen14 kann ein höherer Kühleffekt erzielt werden, da die Abstände der Kühlrippen14 zueinander an den radial äußeren Enden der Kühlrippen14 größer sind als an den radial inneren Enden. - Die erfindungsgemäße Lenkhilfevorrichtung
2 weist ferner eine Rotationsmessvorrichtung19 auf. Die Rotationsmessvorrichtung19 ist dazu ausgebildet, ein auf die Lenksäule3 aufgebrachtes Drehmoment zu erfassen. Hierzu weist die Rotationsmessvorrichtung19 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Messkopf15 auf, der auf der Platine9 angeordnet ist. Das Gegenstück zu dem Messkopf15 kann ein Sensormagnet17 sein, der an der Lenksäule3 angeordnet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Sensormagnetringe17a ,17b an der Lenksäule3 angeordnet, wobei der erste Sensormagnetring17a an der Welle5 und der zweite Sensormagnetring17b an der Welle4 angeordnet ist. Zwischen beiden Sensormagnetringen17a ,17b ist in axialer Richtung26 der Messkopf15 angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Messkopf15 eine Hallsonde, die dazu ausgebildet ist, das Magnetfeld zwischen den beiden Sensormagnetringen17a ,17b zu messen. Aus der Messung des Magnetfeldes kann mittels der Steuereinheit auf der Platine9 die relative Verdrehung der ersten Welle4 gegenüber der zweiten Welle5 ermittelt werden. Auf der Basis der relativen Verdrehung der beiden Wellen zueinander in Verbindung mit der Federkonstante der Drehstabfeder12 kann die Steuereinheit auf der Platine9 dann das Drehmoment berechnen. Der Messkopf15 , die Sensormagnetringe17a ,17b und die Steuereinheit können zusammen daher als Drehmomentsensor angesehen werden. Ein separater, als zusätzliches Bauteil vorhandener Drehmomentsensor ist somit nicht notwendig. Die Integration des Drehmomentsensors in die gesamte Steuereinheit erhöht die Betriebssicherheit und senkt die Herstellungskosten. Durch die relative Rotationsbewegung der beiden Sensormagnetringen17a ,17b zueinander kann das Drehmoment, welches auf die Lenksäule3 aufgebracht ist, bestimmt werden. Ferner wirkt die Rotationsmessvorrichtung19 gleichzeitig als Rotorpositionssensor. Neben der Rotorposition kann auch der Lenkwinkel erfasst werden. Da die Rotorposition und der Lenkwinkel alle 360° identisch sind, ist weder ein Rotorpositionssensor noch ein Lenkwinkelsensor notwendig. Des Weiteren weist die Rotationsmessvorrichtung19 ein Absolutwinkelsensor auf, der eine absolute Winkelposition der Lenksäule3 erfasst. - Die vorliegende Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels zu Erläuterungszwecken detailliert beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass Abweichungen von dem Ausführungsbeispiel möglich sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Rotor
10 Magnete und der Stator27 Wicklungen auf. Die Anzahl der Magnete und die Anzahl der Wicklungen können variieren, so kann die Anzahl der Magnete größer oder kleiner als 10 und die Anzahl der Wicklungen größer oder kleiner als 27 sein. Ferner können die radial nach außen angeordneten Kühlrippen am Lenkhilfegehäuse andersartig gestaltet und angeordnet werden. Die Erfindung soll daher nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Lenkhilfevorrichtung
- 3
- Lenksäule
- 4
- erste Welle
- 5
- zweite Welle
- 6
- Lenkhilfegehäuse
- 7
- Rotor
- 8
- Stator
- 9
- Platine
- 10
- Magnet
- 11
- Spule
- 12
- Drehstabfeder
- 13
- Lenkrad
- 14
- Kühlrippen
- 15
- Messkopf
- 16
- FET
- 17a
- Sensormagnet
- 17b
- Sensormagnet
- 18
- Lenkgetriebe
- 19
- Rotationsmessvorrichtung
- 20
- radial äußerer Rand
- 21
- axialer Abstand
- 22
- Rotorradius
- 23
- radial außen
- 24
- Scheibendicke
- 25
- Länge des Magneten
- 26
- axiale Richtung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0125918 A2 [0003]
Claims (15)
- Lenkhilfevorrichtung (2) zur Unterstützung eines Lenkvorganges eines Kraftfahrzeuges (1), umfassend eine mindestens eine Welle (4) aufweisende Lenksäule (3) und ein Lenkhilfegehäuse (6), wobei die Welle (4) einen Rotor (7) aufweist und das Lenkhilfegehäuse (6) einen Stator (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (8) gegenüber dem Rotor (7) in radialer Richtung angeordnet ist und der Rotor (7) eine Scheibe ist, an dessen radial äußerem Rand (20) mindestens ein Magnet (10) angeordnet ist.
- Lenkhilfevorrichtung (2) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkhilfegehäuse (6) eine eine Steuereinheit aufweisende Platine (9) umfasst und die Platine (9) radial um die Lenksäule (3) angeordnet ist. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (9) gegenüber dem Rotor (7) derart axial beabstandet ist, dass der Abstand (21) zwischen der Platine (9) und dem Rotor (7) kleiner als der Rotorradius (22) ist. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenksäule (3) eine zweite Welle (5) aufweist und die erste Welle (4) mit der zweiten Welle (5) mechanisch verbunden ist.
- Lenkhilfevorrichtung (2) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung zwischen der ersten Welle (4) und der zweiten Welle (5) eine Drehstabfeder (12) ist. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkhilfevorrichtung (2) eine Rotationsmessvorrichtung (19) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein auf die Lenksäule (3) aufgebrachtes Drehmoment zu erfassen.
- Lenkhilfevorrichtung (2) nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsmessvorrichtung (19) einen Messkopf (15) umfasst und der Messkopf (15) auf der Platine (9) angeordnet ist. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach
Anspruch 6 oder7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsmessvorrichtung (19) mindestens einen Sensormagneten (17) umfasst und der Sensormagnet (17) an der Lenksäule (3) angeordnet ist. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach
Anspruch 6 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsmessvorrichtung (19) dazu ausgebildet ist, eine Rotorposition und/oder einen Lenkwinkel der Lenksäule (3) zu erfassen. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach
Anspruch 6 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsmessvorrichtung (19) dazu ausgebildet ist, eine absolute Winkelposition der Lenksäule (3) zu erfassen. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach einem der
Ansprüche 2 bis10 , dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (9) mindestens einen FET (16) aufweist und der FET auf der Platine (9) radial außen (23) angeordnet ist. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkhilfegehäuse (6) Kühlrippen (14) aufweist.
- Lenkhilfevorrichtung (2) nach
Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (14) des Lenkhilfegehäuses (6) radial nach außen angeordnet sind. - Lenkhilfevorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibendicke (24) des Rotors (7) schmaler als die Länge (25) des an dem Rotor (7) angeordneten Magneten (10) in axialer Richtung (26) ist.
- Kraftfahrzeug (1) mit einer Lenkhilfevorrichtung (2) nach einem der
Ansprüche 1 bis14 .
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