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Flüssigkeitspumpe Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für
Axialkolbenpumpen mit parallel zur Pumpenachse angeordneten Zylindern, die zur Änderung
der Fördermenge in Abhängigkeit vom Förderdruck eine von der Druckseite zur Saugseite
der Pumpe führende ürberströmleitung steuert.
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Es ist bereits eine Kolbenpumpe mit parallel zur Pumpenachse angeordneten
Zylindern bekannt, deren Kolben durch eine Taumelscheibe angetrieben werden und
von deren Zylinderarbeitsräumen je mehrere axial hintereinanderliegende überströmkanäle
ausgehen, die in Abhängigkeit vom Förderdruck der Pumpe durch einen im übrigen unter
dem Druck einer Feder stehenden Servokolben nacheinander geöffnet und geschlossen
werden.
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Bei einer bekannten Kolbenpumpe ähnlicher Bauart weisen die Kolben
je eine gegen den Arbeitsraum offene Axialbohrung und damit verbundene radiale Bohrungen
auf, die mit axial versetzten ÜberstrÖmkanälen in dein außerhalb des Arbeitsraumes
liegenden Teil des Zvlinders in Verbindung stehen. Diese überströmkanäie werden
durch eine den Zylinder umfassende und auf ihm gleitende Ringhülse in Abhängigkeit
vom Förderdruck der Pumpe nacheinander geöffnet oder geschlossen.
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Bei einer anderen bekannten Kolbenpumpe erfolgt der Druckhub der Kolben
durch eine Taumelscheibe, deren Neigung durch einen Servokolben verstellt werden
kann, während der Saughub der Kolben durch eine im Arbeitsraum des Zylinders liegende
Feder bewirkt wird. Auf die eine Seite des Servokolbens wirkt der Förderdruck der
Pumpe, auf die andere die Kraft einer Feder, der durch eine Drosselstelle herabgesetzte
Förderdruck und der Druck in einer Abflußleitung, deren Ausflußöffnung in Abhängigkeit
von der Druckdifferenz vor und hinter einem Verstellorgan in der Förderleitung geregelt
wird. Durch dieses Verstellorgan, dessen Lage auf hydraulischem Weg die Ausflußöffnung
der Abflußleitung und damit über den Servokolben die Neigung der Taumelscheibe und
damit den Kolbenhub beeinflußt, wird die Fördermenge der Pumpe eingestellt.
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Die Charakteristiken dieser bekannten Pumpen weisen die in Fig. 1
dargestellte Kurvenschar auf, die die Fördermenge, z. B. in Liter je Minute, über
dem Förderdruck für verschiedene Drehzahlen der die Pumpe antreibenden Kraftmaschine
zeigen. Wenn das durch die Pumpe angetriebene Gerät, z. B. das Fahrwerk eines Flugzeuges,
zum Stillstand kommt, so hört die Flüssigkeitsströmung auf, und der Förderdruck
steigt im Fall der Kurve A von dem Wert P1 auf den Wert P2. Dieser Druckanstieg
ist unerwünscht, weil die Pumpe außerdem zur Lieferung von Druckflüssigkeit konstanter
Druckhöhe für verschiedene andere Zwecke dient. Zweck der Erfindung ist es, diese
Drucksteigerung zu vermeiden oder wenigstens wesentlich zu vermindern und eine Charakteristik
zu erhalten, wie sie in Fig.2 dargestellt ist, bei der der Förderdruck P4 konstant
oder praktisch konstant bleibt, unabhängig davon, ob Änderungen im Druckflüssigkeitsbedarf
des von der Pumpe belieferten Systems stattfinden.
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Schließlich ist noch eine Pumpe mit parallel zur Pumpenachse angeordneten
Zylindern bekannt, in denen Kolben gleiten, die eine gegen den Arbeitsraum offene
Axialbohrung und mit dieser verbundene, in einer Radialebene außerhalb des Zylinders
liegende, axiale Bohrungen aufweisen, die durch eine auf dem Kolben gleitende Ringhülse
verschlossen oder geöffnet werden. Die Ringhülse wird über ein Gestänge von einem
unter dem Druck des Arbeitsmittels und dem Gegendruck von Federn stehenden Servokolben
verschoben. Die Bohrung des Zylinders zum Zufluß des Arbeitsmittels in den Arbeitsraum
wird vom Kolben gesteuert. Solange durch die Druckleitung der Pumpe Flüssigkeit
abströmt, hält die Pumpe einen hohen Förderdruck aufrecht, findet aber keine merkliche
Flüssigkeitsentnahme statt, geht die Kontrolle des
Servokolbens
auf eine nur schwache Feder über, und der Förderdruck der Pumpe geht stark zurück.
Ein solcher Druckabfall bei sinkender Entnahme soll durch die angemeldete Regelvorrichtung
vermieden werden.
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Die Erfindung geht aus von einer Regelvorrichtung für Axialkolbenpumpen
mit parallel zur Pumpenachse angeordneten Zylindern, in denen Kolben gleiten, die
eine gegen den Arbeitsraum offene Axialbohrung und mit dieser axialen Bohrung verbundene
radiale Bohrungen aufweisen, die durch eine Hülse verschlossen oder geöffnet werden,
die von einem auf der einen Seite von dem unter Druck stehenden Arbeitsmittel beaufschlagten,
in einem Zylinder gleitenden Servokolben über ein Gestänge bewegt wird, wobei die
Zylinder von den Kolben gesteuerte Bohrungen zum Zufluß des Arbeitsmittels haben.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die andere Seite des Servokolbens
an eine Leitung angeschlossen ist, die über eine Drosselstelle mit einem Druckraum
der Pumpe oder mit einer an , diesem Druckraum angeschlossenen Förderleitung verbunden
ist und die eine Abflußöffnung aufweist, die durch ein Ventil gesteuert wird, das
durch die Wirkung des in der Förderleitung herrschenden Druckes geöffnet und durch
Federdruck geschlossen wird.
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Das in der Abflußleitungg der einen Servozylinderseite vorgesehene
Abflußventil steht vorzugsweise unter der Wirkung eines Fördermengenbegrenzers,
der durch einen Kolben gebildet wird, welcher unter der Wirkung der Differenz der
vor und hinter einer in der Pumpenförderleitung angeordneten Drosselstelle herrschenden
Drücke steht und so mit dem Ventil verbunden ist, daß er dieses mehr öffnet, wenn
die Strömung in der Förderleitung ein bestimmtes Maß überschreitet. Die Drosselstelle
in der Pumpenförderleitung kann durch ein einstellbares Nadelventil gebildet sein,
das durch einen Servokolben betätigt wird, der von einer Druckdifferenz beaufschlagt
ist, die durch die Drehzahl eines von der Pumpe angetriebenen hvdraulischen Motors
bestimmt wird.
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Die Empfindlichkeit der Beeinflussung des Abflußventils kann dadurch
erhöht werden, daß es in der Öffnungsrichtung nicht nur dem verminderten hydraulischen
Druck der Niederdruckseite des Servozylinders, sondern zusätzlich noch dem vollen
Förderdruck der Pumpe ausgesetzt wird.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen von Pumpen gemäß der
Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 die Charakteristik einer
üblichen Pumpe, Fig.2 die Charakteristik einer Pumpe gemäß der Erfindung, Fig. 3
einen Längsschnitt durch die erste Ausführungsform der Pumpe, Fig.4 eine Schemazeichnung
einer Abwandlung dieser Pumpe, Fig. 5 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform,
Fig. 6 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform, Fig. 7 eine vierte Ausführungsart
im Schnitt und Fig. 8 einen Teilschnitt in größerem Maßstab durch das Abflußventil.
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Die in Fig.3 dargestellte Pumpe weist mehrere Pumpenplunger 10 auf
(von denen nur zwei zu sehen sind), die im Kreis angeordnet und in Zylinderbohrungen
des Pumpengehäuses 100 hin- und herbeweglich sind. Jeder Zylinder weist einen hinteren
Teil 9 und einen vorderen Teil 90 auf. Die Plunger sind mit einer zentralen Längsbohrung
11 und seitlichen Überströmöffnungen 12 versehen. Sie werden durch eine Taumelscheibe
13 bewegt, die auf einer Antriebswelle 13 befestigt ist. Die zu fördernde Flüssigkeit
tritt durch, den Eintrittsstutzen 25 in den Innenraum 110 des Gehäuses 100 ein und
wird beim Saughub jedes Plungers in dessen Zylinder 90 eingesaugt. Beim Förderhub
wird die Flüssigkeit dann durch das Ausströmventil 26 in einen Ringraum 140 übergeschoben,
der mit einer Förderleitung 14 in Verbindung steht. Jedem Plunger ist ein Überströmventil
zugeordnet, das als eine den Plunger umgebende Büchse 24 ausgebildet ist. Nehmen
diese Büchsen die in Fig. 3 dargestellte Lage ein, die der maximalen Förderleistung
der Pumpe entspricht, so wird jeder Plunger 10 mit dem Fördern der angesaugten Flüssigkeit
beginnen. sobald sein vorderes Ende in den vorderen Teil 90
des zugehörigen
Zylinders eintritt. Werden die Büchsen 24 jedoch nach rechts verschoben, so werden
die Überströmöffnungen 12 freigegeben, sobald sie das rechte Ende des Zylinderteils
9 verlassen. Daher wird nun Flüssigkeit durch die Bohrung il und die Öffnungen 12
ausströmen und daher so lange keine Förderung stattfinden, bis die Öffnungen in
die Büchse 24 gelangen und dadurch abgeschlossen werden. Die Förderleistung der
Pumpe wird also durch die Verstellung der Büchsen 24 und damit der zu Anfang des
Förderhubes zurückströmenden Flüssigkeitsmenge verändert und nimmt um so mehr ab,
je weiter die Büchsen aus der dargestellten Lage nach rechts verschoben werden.
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Die Büchsen 24 sind mit einer Scheibe 15 verbunden, die in eine Nut
der Büchsen eingreift, von einer Feder 16 belastet ist und mittels einer Kolbenstange
17 mit einem Servokolben 18 verbunden ist. Die linke Seite des Servozylinders, in
dem sich dieser Kolben befindet, ist über Bohrungen 118 mit dem Ringraum 140 verbunden
und steht daher unter dem Förderdruck Pd der Pumpe, während die andere Seite des
Servozylinders über eine Leitung 19 und eine Drosselstelle 20 mit der Druckleitung
14 der Pumpe verbunden ist. Das Ende der Leitung 19 weist eine Öffnung 190 auf,
die durch ein Ventil 21 gesteuert wird, das in Abhängigkeit von hydraulischen Werten
der Förderleitung betätigt wird. Auf die rechte Seite des Servokolbens wirkt daher
ein durch verschiedene Größen bestimmter verminderter Druck kPd. Das Ventil 21 sitzt
auf einem um einen Zapfen 122 schwenkbaren Hebel 22, der einerseits unter der Wirkung
einer Feder 23 und andererseits unter der Wirkung eines hydraulischen Drucks steht.
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Das Ventil 21 ist zunächst geschlossen. Wird die Pumpe jedoch in Betrieb
gesetzt, so steigt der Förderdruck Pd auf einen Wert P3 (z. B. 150 kg/cm2),
bei dem sich das Ventil 21 zu öffnen beginnt. Das Ventil öffnet sich weiter in dein
'Maße. wie der Förderdruck Pd der Pumpe ansteigt bis auf den Maximaldruck P4 (z.
B. 225 kg/cm2). Wenn die Belastungsverhältnisse der Pumpe in Ordnung sind, bleibt
dieser Druck konstant auf dem angegebenen Wert und das Ventil 21 in einer bestimmten
Stellung.
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Sinkt nun der Druckflüssigkeitsbedarf des Systems, so neigt der Förderdruck
Pd zu einer weiteren Steigerung über den Druck P4 hinaus. Diese Steigerung,
die sich auf beiden Seiten des Servokolbens 18 bemerkbar macht, bewirkt, daß sich
das Ventil 21 etwas weiter öffnet. Die dadurch hervorgerufene Steigerung des Durchflusses
durch die Drosselstelle 20 bewirkt ein augenblickliches Absinken des auf die rechte
Seite des Servokolbens 18 wirkenden Druckes, so daß sich der Kolben schnell nach
rechts bewegt und dabei über die Kolbenstange 17 und die Scheibe 15 die Büchsen
24
mitnimmt, wodurch die Menge der überströmenden Flüssigkeit erhöht und infolgedessen
der Förderdruck der Pumpe herabgesetzt wird. Sobald der Ausgleich zwischen der Fördermenge
und dem eingestellten Förderdruck P4 wiederhergestellt ist, kehrt das Ventil 21
in seine vorherige Stellung zurück, wodurch der Servokolben 18 wieder ausgeglichen
ist.
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Es ist zu erwähnen, daß der entgegengesetzte Vorgang stattfindet,
wenn der Druckmittelbedarf des hydraulischen Systems die Förderleistung der Pumpe
iil>ersteigt. Dadurch ergibt sich ein Absinken des Förderdruckes Pd der Pumpe. Das
Ventil 21 wird sich also etwas schließen und dadurch die Strömung durch die Drosselstelle
20 vermindern. Dies bewirkt ein plötzliches Ansteigen des Druckes auf der rechten
Seite des Kolbens 18, der sich also nach links bewegt und dadurch die Überströmmenge
vermindert.
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Das Ventil 21 ist, wie aus vorstehendem ersichtlich ist, während des
Betriebes der Pumpe geöffnet und erlaubt eine Strömung durch die Drosselstelle 20
in den Bereich zwischen den Drücken P3 und P4, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.
Die geringen Bewegungen des Ventils 21 aus der dem Druck P4 entsprechenden eingestellten
Stellung, die, wie soeben beschrieben, bei Änderungen der Belastungsbedingungen
eintreten, ergeben Änderungen des Förderdruckes von etwa 1,5 kg/em2. Man erkennt
also, daß der Förderdruck Pd unabhängig von der Fördermenge der Pumpe praktisch
konstant auf dem Wert P4 bleibt. -Der Servokolben 18 wird infolge der Strömung durch
die Drosselstelle 20 stabil gehalten. Diese Strömung wird sehr klein gehalten, weil
sie von der Förderung der Pumpe abgezogen werden muß. Sie wird wie folgt berechnet:
Für den Ausgleich des Servokolbens 18 ist kPdA -I- F = Pd (A-a), wobei F
die von der Feder 16 ausgeübte Kraft ist, A die beaufschlagte Fläche des
Servokolbens 18, a der Ouerschnitt der Kolbenstange 17, 1e eine Zahl, die
kleiner als 1 ist.
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Den Wert F kann man als konstant annehmen, da der Federweg der Feder
16 verhältnismäßig klein ist. Die hydraulische Druckdifferenz Pd (1 - k),
die notwendig ist, um bei irgendeiner Pumpenförderung einen Druckausgleich am Servokolben
zu erzielen, erhält man, wenn durch die Drosselstelle eine Strömung Q vorhanden
ist. Dann ergibt sich
wobei A die Querschnittsfläche der Drosselstelle 20 ist, C der Durchflußkoeffizient
der Drosselstelle, W das spezifische Gewicht der Flüssigkeit.
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Gerade dieser Strömungsbedarf ist es, der es erforderlich macht, daß
das Ventil 21 innerhalb des Druckhereiches von P3 bis P4 ständig etwas geöffnet
ist, ganz abgesehen von dem zusätzlichen Öffnen, das erforderlich wird, wenn die
Förderung der Pumpe absinkt.
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Flüssigkeitspumpen gemäß der Erfindung sind insbesondere zur Verwendung
in Flugzeugen gedacht. In Fig. 2 bedeutet die Linie CD die maximale Förderleistung
der Pumpe bei maximaler Drehzahl des Flugzeugtriebwerkes. Die Linie EF bedeutet
die maximale Fördermenge, die das hydraulische System des Flugzeuges aufnehmen kann.
Wenn die Pumpe mit der maximalen Fördermenge EF betrieben wird, die sich bei der
Drehzahl des Triebwerkes für »Leerlauf-Flug« ergibt, so wird sie bei höherer Drehzahl
selbsttätig eine nicht benötigte höhere Fördermenge aufweisen. Wird die von der
Pumpe geförderte Flüssigkeit zum Antrieb eines hydraulischen Motors verwendet, der
einen Wechselstromgenerator mit konstanter Drehzahl antreiben soll, so wird die
Zunahme der Fördermenge mit der Triebwerksdrehzahl ein Überströmen bei hohem Druck
mit einem entsprechenden Leistungsverlust zur Folge haben, damit eine konstante
Motordrehzahl erhalten wird. Dieses Überströmen kann vermindert werden durch den
in Fig.3 dargestellten F ördermengenbegrenzer 31. Dieser Fördermengenbegrenzer weist
einen Zylinder 32 auf, der von seinen beiden Enden mit den vor und hinter einer
in der Förderleitung 14 vorgesehenen Drosselstelle 27 herrschenden Drücken beaufschlagt
wird. In dem Zylinder 32 ist ein Kolben 28 angeordnet, der mit einer die Differenz
der beiden Drücke ausgleichenden Feder 30 beaufschlagt ist. Das rechte Ende des
doppelarmigen Hebels 22 greift in einen Schlitz 34 des Kolbens 28 ein. Ein verstellbarer
Anschlag 29 begrenzt die Abwärtsbewegung des Kolbens 28. Die in der Förderleitung
14 vorgesehene Drosselstelle 27 bewirkt in bekannter Weise nur einen geringen Druckabfall,
z. B. von etwa 4 kg/cm2, bei einer Fördermenge von der Größe Q. Wird die Pumpendrehzahl
erhöht und erreicht die Pumpenförderung den festgelegten Maximalwert, so übersteigt
der Druckabfall in der Drosselstelle 27 den Wert der Kraft der Feder 30, so daß
sich der Kolben 28 aufwärts bewegt. Er verschwenkt dabei den Hebel 22 entgegen dem
Uhrzeigersinne und öffnet das Ventil 21. Hierdurch wird der Servokolben 18 in dem
Sinne verstellt, daß die Förderung der Pumpe vermindert wird. Die Fördermenge wird
also daran gehindert, den Wert zu überschreiten, der durch die Linie EF in Fig.
2 wiedergegeben ist.
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Beim Abnehmen der Fördermenge wird der Kolben 28 durch die Feder 30
abwärts bewegt, so daß er von dem Hebel 22 freikommt und der Fördermengenbegrenzer
dann wirkungslos ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die feste Drosselstelle 27
der Bauart nach Fig. 3 durch ein bewegliches Nadelventil 27A ersetzt, so daß die
Drosselung in der Förderleitung 14 verändert werden kann. Die Verschiebung des Nadelventils
erfolgt durch einen Servokolben 33, der einer Druckdifferenz ausgesetzt wird, die
durch ein vom Antriebsmotor 45 der Pumpe 44 angetriebenes Gerät 47 erzeugt wird
und am Kolben 33 durch eine Feder 35 ausgeglichen wird. Der Druckerzeuger 47 erzielt
eine Druckdifferenz in Abhängigkeit von der Drehzahl des hydraulischen Motors 45,
der durch die hydraulische Pumpe 44 angetrieben wird und seinerseits einen Wechselstromgenerator
46 antreibt. Die Pumpe 44 ist von der gleichen Bauart wie die in Fig. 3 dargestellte
Pumpe. Der Servokolben 33 betätigt in Abhängigkeit von Änderungen der Drehzahl des
'.Motors 45 das Nadelventil 27A und beeinflußt dadurch den Fördermengenbegrenzer
31, der in der gleichen Weise, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, an die Förderleitung
14 angeschlossen ist und die Fördermenge der Pumpe 44 so verändert, das die Drehzahl
des Motors 45 auf dem gewünschten Wert konstant gehalten wird.
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Statt des in Fig. 3 dargestellten Differentialservokolbens 18 kann,
wie Fig.5 erkennen läßt, auch ein Kolben 218 verwendet werden, der auf beiden Seiten
die gleiche Fläche hat. Zu diesem Zweck ist der Kolben mit einer Verlängerung 171
der Kolbenstange 17 versehen, die durch das Gehäuse 100 der Pumpe nach außen durchgeführt
und mit einer Dichtung 150 versehen ist.
In Fig. 6 ist eine Ausführungsform
der Pumpe dargestellt, bei der die die Büchsen 24 beaufschlagende Feder 16 der Ausführungsformen
gemäß Fig. 3 und 5 durch eine hydraulische Einrichtung ersetzt ist. Die Kolbenstange
17 ist hier durch eine geschlossene Kammer 37 geführt, der über ein Ventil 38 Druckflüssigkeit
zugeführt wird. Die Kolbenstange 17 ist mit einem Einschnitt versehen und so ausgebildet,
daß die dem Kolben 18 zugewendete Fläche 39 größer als die von ihm abgewendete Fläche
40 ist. Die in der Kammer 37 befindliche Druckflüssigkeit sucht daher die Kolbenstange
ständig nach links zu bewegen. Wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen
steuert der Servokolben 18 die Büchsen 24 in Abhängigkeit von Änderungen des Förderdruckes
der Pumpe.
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Die in Fig. 7 und 8 dargestellte Pumpe ist ebenfalls den vorbeschriebenen
ähnlich. Das Regelventil 21 ist jedoch von anderer Bauart. Die Leitung 19 mündet
hier in einen Ringraum 190, der einen Stift 50 umgibt, der von oben über die an
die Förderleitung 14 angeschlossenen Leitungen 51 und 52 durch den Druck P1 beaufschlagt
ist. Der am unteren Ende des Stiftes 50 vorgesehene halbkugelige Ventilkörper 21
ist auf einer den Stift 50 umgebenden Ringfläche mit dem verminderten Druck P2 beaufschlagt,
der auf der Niederdruckseite des Servokolbens 18 in dem Servozylinder herrscht.
Der Ventilkörper 21 ist in einem tassenförmigen Federteller 53 angeordnet, der unter
der Wirkung einer Feder 23 steht, deren Spannung durch eine Schraube 54 eingestellt
werden kann. Parallel zu dem Ventil 21 ist ein Überströmventil 60 vorgesehen, das
nur schematisch dargestellt ist.
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Bei geringem Pumpenförderdruck bleibt das Ventil 21 unter der Wirkung
der Feder 23 geschlossen, und erst bei Überschreiten eines bestimmten Förderdruckes
von beispielsweise 225 kg/cm2 beginnt es zu öffnen. Die tatsächliche hydraulische
Belastung des Ventils 21, die der Feder 23 entgegenwirkt, beträgt dann PI
a2 + P2 (a1 - a.),
wobei a2 der Querschnitt des Stiftes 50 und a1
- a2 die dem Druck P2 ausgesetzte Ringfläche des Ventilkörpers 21 ist.
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Wenn der Druckflüssigkeitsbedarf des hydraulischen Systems sinkt,
so steigt der Druck P1 an. Diese Drucksteigerung wird sofort von dem Ventil 21 registriert,
das sich etwas mehr öffnet und so den Durchfluß durch die Drosselstelle 20 erhöht
und dadurch einen sofortigen Druckabfall in dem rechts von dem Servokolben 18 befindlichen
Zylinderraum bewirkt. Der Kolben wird sich daher nach rechts bewegen, die Büchsen
24 mitnehmen und so die Überströmmenge erhöhen und den Förderdruck der Pumpe vermindern.
Sobald die Förderleistung der Pumpe wieder mit dem Bedarf des Systems übereinstimmt,
kehrt das Ventil 21 in seine ursprüngliche Stellung zurück, wodurch der Servokolben
18 wieder ausgeglichen ist. Man erkennt, daß die umgekehrte Arbeitsweise eintritt,
wenn der Druckflüssigkeitsbedarf des hydraulischen Systems die Förderleistung der
Pumpe übersteigt. Hierdurch ergibt sich ein leichtes Absinken des Förderdruckes
der Pumpe. Das Ventil 21 wird sich dann etwas mehr schließen und die Strömung durch
die Drosselstelle 20 dadurch vermindern, so daß ein plötzlicher Druckanstieg rechts
vom Servokolben 18 entsteht, der dadurch nach links bewegt wird und die Überströmmenge
vermindert. Da das Ventil 21 dem Förderdruck P1 der Pumpe unmittelbar ausgesetzt
ist, erfolgt die Reaktion dieses Ventils sehr schnell, so daß die Beeinflussung
des Förderdruckes fast unmittelbar erfolgt und ein starkes Abweichen des Drucks
von dem Sollwert vermieden wird.