DE102018006380A1 - System zum Laden und Entladen mindestens eines Hydrospeichers - Google Patents
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Abstract
Ein System zum Laden und Entladen mindestens eines Hydrospeichers (10), der an eine Ventilsteuereinrichtung (12) anschließbar ist, wobei die Ventilsteuereinrichtung (12) mindestens ein Logikventil (14) aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass weiter ein Wechselventil (16) und ein Umschaltventil (18) vorgesehen sind und die Ventile (14, 16, 18) derart miteinander verschaltet sind, dass das hydraulisch betätigbare Umschaltventil (18) den Speicherdruck (p) mit einem über die Steuerdruckeinstellung dieses Umschaltventils (18) einstellbaren Mindestspeicherdruck (p) vergleicht.
Description
- Die Erfindung betrifft ein System zum Laden und Entladen mindestens eines Hydrospeichers, der an eine Ventilsteuereinrichtung anschließbar ist, wobei die Ventilsteuereinrichtung mindestens ein Logikventil aufweist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein System, das zur Steuerung des Ladezustandes von Hydrospeichern vorgesehen ist, die bei hydraulischen Hybridanwendungen für die Zwischenspeicherung und spätere Rückgewinnung überschüssiger hydraulischer Energie eingesetzt sind.
- In hydraulischen Systemen kann überschüssige Energie, beispielsweise Bremsenergie oder beim Absenken von Lasten gewonnene potentielle Energie, die im Hydrospeicher zwischengespeichert ist, abgerufen werden, um Antriebsaggregate für hydraulische Verbraucher, wie Antriebe oder Arbeitszylinder, zu unterstützen oder zu entlasten. Hierfür muss, je nach Systemzustand und Ladezustand des Hydrospeichers, die Verbindung des Speichers zum Hydrauliksystem bedarfsgerecht gesperrt oder freigegeben werden, um den Speicher mit überschüssiger Energie zu beladen oder gespeicherte Energie durch Entladen des Speichers rückzugewinnen.
Am Speicherabgriff wird hierfür eine Rückschlagfunktion benötigt. Ist der Systemdruck höher als der Speicherdruck, wird der Speicher geladen. Ist der Systemdruck niedriger, wird ein Entladen des Speichers durch die Rückschlagfunktion verhindert. Diesbezüglich ist es Stand der Technik, ein entsperrbares Rückschlagventil einzusetzen, wobei das Laden in Durchströmungsrichtung erfolgt und ein Entladevorgang durch Entsperren des Ventils auslösbar ist. Die Rückschlagfunktion kann auch durch Einsatz eines Magnetventils realisiert werden, das eine aktive Zu- und Abschaltung des Speichers ermöglicht. Für den Einsatz bei hydraulischen Hybridsystemen ist jedoch die Schaltdynamik gängiger Magnetventile nicht ausreichend. Durch auftretende Schaltverzögerungen kommt es zu unerwünschten Drucküberhöhungen im System. Bei Benutzung eines entsperrbaren Rückschlagventils ist zwar eine höhere Schaltdynamik realisierbar. Durch die Ventilfunktion wird jedoch ein Entladen des Speichers unterhalb eines Mindestwertes des Speicherdrucks nicht verhindert. Bei einer Entladung des Speichers unterhalb von dessen Vorfülldruck besteht die Gefahr der Beschädigung des Trennelements des betreffenden Speichers. Eine im DokumentDE 10 2016 006 545 A1 aufgezeigte Ventilsteuereinrichtung, die für eine Druckanpassung mit einem Hydrospeicher in Verbindung ist, ist für einen Einsatz bei hydraulischen Hybridanwendungen ebenfalls nicht geeignet. - Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein System zum Laden und Entladen mindestens eines Hydrospeichers zur Verfügung zu stellen, das den bei hydraulischen Hybridanwendungen zu stellenden Anforderungen in besonderem Maße gerecht wird.
- Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein System gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
- Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 zeichnet sich die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass ein Wechselventil und ein Umschaltventil vorgesehen sind und die Ventile derart miteinander verschaltet sind, dass das hydraulisch betätigbare Umschaltventil den Speicherdruck mit einem über die Steuerdruckeinstellung dieses Umschaltventils einstellbaren Mindestspeicherdruck vergleicht. Da die Ventilsteuereinrichtung des erfindungsgemäßen Systems ohne magnetische Ventilbetätigung arbeitet, ist eine hohe Schaltdynamik gewährleistet. Da ferner mittels des Wechselventils und des Umschaltventils ein Vergleich des Speicherdrucks mit einem einstellbaren Mindestspeicherdruck erfolgt, ist das erfindungsgemäße System auch betriebssicher betreibbar, indem der niedrigste Speicherdruck auf einen für den Betrieb des Druckspeichers optimalen Druckwert eingestellt wird.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems befindet sich, solange der Speicherdruck unterhalb des Mindestspeicherdrucks liegt, das Umschaltventil in der vom Steuerdruck jeweils verursachten Ventilstellung und leitet dabei den Speicherdruck auf die eine Kolbenseite des Kolbens des Logikventils weiter, das, derart als Rückschlagventil wirkend, ein Entladen des jeweiligen Hydrospeichers unter den eingestellten Mindestspeicherdruck verhindert. Auf diese Weise sind Beschädigungen am Trennelement des Speichers durch einen Druckabfall unterhalb des Mindestspeicherdrucks wirksam vermieden.
- Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind die Ventile derart miteinander verschaltet, dass, sobald der Speicherdruck oberhalb des eingestellten Mindestspeicherdrucks liegt, das Umschaltventil in seine betätigte Schaltstellung wechselt und es dem, vorzugsweise inversen, Wechselventil erlaubt, den jeweils niedrigeren der beiden Drücke in Form des Speicherdrucks und eines Systemdrucks eines an das System angeschlossenen Hydrauliksystems, auf die eine Kolbenseite des Kolbens des Logikventils zu melden, was die Durchströmung des Logikventils in beiden Richtungen ermöglicht, also vom Hydrospeicher zum Hydrauliksystem und umgekehrt, so dass der Hydrospeicher sowohl beladbar als auch entladbar ist. Ist der Speicherdruck oberhalb des Systemdrucks, wird der Hydrospeicher über das Logikventil zum Hydrauliksystem entladen, im umgekehrten Fall bei einem Speicherdruck unterhalb des Systemdrucks vom Hydrauliksystem über das Logikventil beladen.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist eine aktive Absperreinrichtung vorgesehen, die ein Magnetventil aufweist, das unbetätigt oder betätigt über ein weiteres Wechselventil den jeweils höheren der beiden Drücke von Speicherdruck und Systemdruck auf die eine Seite des Kolbens des Logikventils meldet, der, derart in seiner geschlossenen Stellung gehalten, den Hydrospeicher vom Hydrauliksystem absperrt und die hydraulisch-mechanische Speichersteuerung inaktiviert. Durch das Absperren des Speichers kann verhindert werden, dass bei Betriebszuständen, bei denen die komplette Antriebsleistung zur Versorgung der hydraulischen Funktionen benötigt wird, ein beiläufiges Laden des Speichers erfolgt. Dadurch wird die Aufnahmefähigkeit des Speichers für überschüssige Energie im weiteren Verlauf des Arbeitszyklus erhalten. Außerdem wird verhindert, dass ein beiläufiges Laden des Speichers bei Betriebszuständen, bei denen die volle Antriebsleistung benötigt wird, eine Verringerung der verfügbaren, abgebbaren Leistung zur Folge hätte. Die Benutzung eines Magnetventils als Vorsteuerventil für die Absperrfunktion ist unkritisch, da für diese Vorsteuerfunktion nur eine geringe Schaltdynamik benötigt wird.
- Weiter ist vorteilhaft, dass für ein sicheres Entladen des Hydrospeichers in einen Tank- oder Rücklaufanschluss, zum Beispiel bei einem Maschinenstillstand, ein Entladeventil vorgesehen ist.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bildet das Logikventil auf seiner der einen Seite des Kolbens gegenüberliegenden Seite eine Art Stufenkolben aus, der eine Fluidverbindung zwischen dem Hydrauliksystem und dem jeweiligen Hydrospeicher steuert.
- Das Magnetventil ist sowohl stromlos offen als auch stromlos geschlossen ausführbar. Alternativ ist die Einstellung des Steuerdrucks für das Umschaltventil auch elektro-proportional ausführbar.
- Mit besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße System zur Steuerung der fluidführenden Verbindung zwischen einem Hydrospeicher zur Energierückgewinnung und einem hydraulischen System eingesetzt. Dadurch ist ein bedarfsgerechtes Laden, Entladen und Sperren des Hydrospeichers über die Verschaltung der Ventile gewährleistet.
- Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert.
- Es zeigen:
-
1 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zum Laden und Entladen mindestens eines Hydrospeichers; und -
2 einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zum Laden und Entladen mindestens eines Hydrospeichers. - Die
1 zeigt einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems mit einer an einen Hydrospeicher10 angeschlossenen Ventilsteuereinrichtung12 . Für den Einsatz als Energiezwischenspeicher ist der Hydrospeicher10 über die Ventilsteuereinrichtung12 an einem Hydrauliksystem28 ,42 angeschlossen, das einen hydraulischen Verbraucher, beispielsweise in Form eines Arbeitszylinders oder Fahrantriebs mit zugehöriger Steuerelektronik (Sämtliches nicht dargestellt) aufweist. Für die Druckversorgung des Systems mit einem Systemdruck ps ist eine Hydropumpe11 vorgesehen, die von einem nicht gezeigten Antriebsmotor einer zugehörigen Gerätschaft, wie einem mobilen Arbeitsgerät, antreibbar ist. Für die Steuerung des Zustroms und Abstroms von Fluid zum und vom Speicherabgriff13 des Speichers10 weist die Ventilsteuereinrichtung12 ein Logikventil14 auf, das eine Rückschlagfunktion zur Verfügung stellt. - Das Logikventil
14 entspricht in seiner Auslegung dem in der erwähntenDE 10 2016 006 545 A1 eingesetzten Logikventil. Mit seinem mit 1 bezeichneten Ventilanschluss ist das Logikventil14 mit der den SystemdruckpS führenden Druckseite der Hydropumpe11 und mit seinem Ventilanschluss2 mit dem den SpeicherdruckpA führenden Speicherabgriff13 des Speichers10 in Verbindung. Mit seinem Ventilanschluss3 ist das Logikventil14 mit der Ausgangsseite eines hydraulisch betätigbaren Umschaltventils18 verbunden. Dieses ist als 3/2-Wegeventil ausgebildet, das durch eine einstellbare Feder36 in die in1 gezeigte unbetätigte Schaltstellung bringbar ist. Zum Überführen in die betätigte, zweite Schaltstellung ist das Umschaltventil18 mit seinem Steueranschluss15 mit dem den SpeicherdruckpA führenden Speicherabgriff13 verbunden. Mit seinem Ausgangsanschluss41 ist das Umschaltventil18 mit dem Ventilanschluss3 des Logikventils14 verbunden, so dass der Kolben24 des Logikventils14 an seiner Wirkfläche34 mit vom Umschaltventil18 her zuführbarem Steuerdruck belastbar ist. - Ein eingangsseitiger Ventilanschluss
27 des Umschaltventils18 ist mit dem Speicherabgriff13 in Verbindung und führt daher den SpeicherdruckpA . Der zweite eingangsseitige Ventilanschluss31 des Umschaltventils18 ist mit dem Ausgang35 eines inversen Wechselventils16 in Verbindung. An seinem einen Eingang39 führt das Wechselventil16 den Systemdruck ps, während der andere Eingang37 des Wechselventils mit dem Speicherabgriff13 in Verbindung ist und den SpeicherdruckpA führt. - Als invers arbeitendes Wechselventil
16 meldet es über seinen Ausgang35 dem Eingangsanschluss31 des Umschaltventils18 den jeweils niedrigeren Druckwert von Systemdruck ps oder SpeicherdruckpA vom Speicherabgriff13 . Solange der SpeicherdruckpA unterhalb des von der Feder36 eingestellten MindestspeicherdruckspAO liegt, befindet sich das Umschaltventil18 in der gezeigten, nicht betätigten Stellung, in der es den SpeicherdruckpA auf die Wirkfläche34 des Kolbens24 des Logikventils14 meldet. Dadurch wirkt das Logikventil14 als Rückschlagventil, so dass es den Durchfluss vom Speicherabgriff13 her sperrt, so dass der Speicher10 lediglich von der den Systemdruck ps führenden Druckseite17 der Hydropumpe11 her beladbar ist. Liegt der SpeicherdruckpA oberhalb des eingestellten Mindestdruckwerts, dann wechselt das Umschaltventil18 in die betätigte Schaltstellung und erlaubt dem inversen Wechselventil16 den jeweils niedrigeren der beiden DrückepA und ps auf die Wirkfläche34 des Kolbens24 des Logikventils14 zu melden. Da dadurch der niedrigere Druck auf die Wirkfläche34 des Kolbens24 des Logikventils14 wirkt, ermöglicht dieses nunmehr die Durchströmung in beiden Richtungen, d.h. der Speicher10 kann sowohl geladen als auch entladen werden. - Die Verschaltung der obigen Bauelemente weist als einen ersten Leitungs-Hauptzweig eine den Systemdruck
ps führende Druckleitung19 auf, die von der Druckseite17 der Hydropumpe11 zum ersten Eingang39 des Wechselventils16 führt und an der, an einem Abzweig49 , der Ventilanschluss1 des Logikventils14 angeschlossen ist. Als zweiter Hauptzweig ist eine Speicherdruckleitung21 vorgesehen, die den SpeicherdruckpA führt und die Verbindung zwischen dem Speicherabgriff13 und dem zweiten Eingang37 des Wechselventils16 bildet. Als dritter Hauptzweig ist eine Speicherlade-Entladeleitung23 vorgesehen, die vom Speicherabgriff13 zum Ventilanschluss2 des Logikventils14 führt. Das Umschaltventil18 ist mit seinem Ausgangsanschluss41 über eine Steuerleitung46 , in der sich eine Blende43 befindet, mit dem Ventilanschluss3 des Logikventils14 in Verbindung. Eingangsseitig ist das Umschaltventil18 mit seinem ersten Eingangsanschluss27 an einem Abzweig29 mit der Speicherdruckleitung21 verbunden und mit seinem zweiten Eingangsanschluss31 über eine Leitung33 mit dem Ausgang35 des Wechselventils16 in Verbindung. Für seine Vergleichsfunktion, bei der der SpeicherdruckpA der eingestellten Kraft der Feder36 entgegenwirkt, ist der Steueranschluss15 an einem Abzweig25 mit der Speicherdruckleitung21 verbunden. Vervollständigt ist die Schaltung durch ein Entladeventil20 , das elektromagnetisch betätigbar ist, eingangsseitig an einem Abzweig45 mit der Speicherdruckleitung21 und damit mit dem Hydrospeicher10 in Verbindung ist und ausgangsseitig über eine Tankleitung47 mit dem Tank-T oder Rücklaufanschluss in Verbindung ist. - Für seine Sperr-Rückschlagfunktion ist das Logikventil
14 , wie in dem erwähntem DokumentDE 10 2016 006 545 A1 aufgezeigt, durch ein 2-Wege-Einbauventil gebildet, dessen Steuerkolben24 drei Wirkflächen30 ,32 und34 sowie eine Kolbenstufe26 mit einer Steuergeometrie aufweist. Auf die Wirkfläche30 wirkt der Druck des Ventilanschlusses1 ein, der an den Abzweig49 der Druckleitung19 angeschlossen ist und den Systemdruck ps führt. Die zweite Wirkfläche32 erfährt den Druck vom Ventilanschluss2 und misst von der Größe her weniger als ein Hundertstel der ersten Wirkfläche30 . Die dritte Wirkfläche34 , die vom Fluiddruck am Ventilanschluss3 beaufschlagt ist, bildet demgemäß die größte Wirkfläche aus und entspricht der Summe der Wirkflächen30 und32 . Der Ventilkolben24 ist mit seiner einen Steuerzapfen bildenden Kolbenstufe26 mittels der Feder22 mit Vorspannung in den Sitz gedrückt. In dieser den Volumenstrom durch das Logikventil14 sperrenden Stellung ist der Kolben24 bei der in1 gezeigten Schaltstellung des Umschaltventils18 durch den an der Wirkfläche34 wirkenden Speicherdruck gehalten, während bei der betätigten Stellung des Umschaltventils18 und dem dann jeweils niedrigeren Druck von ps undpA an der Wirkfläche34 der Durchstrom durch das Logikventil14 nach Maßgabe der an den Ventilanschlüssen1 und2 herrschenden Drücke ermöglicht ist. - Die
2 zeigt den Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems. Das zweite Ausführungsbeispiel wird nur noch insofern beschrieben, als es sich wesentlich vom ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet, und die bisher getroffenen Erläuterungen gelten insoweit auch für das zweite Ausführungsbeispiel. Dieses unterscheidet sich insbesondere vom ersten Beispiel durch eine aktivierbare Absperreinrichtung, mittels deren die Funktion der Steuereinrichtung12 inaktivierbar ist. Die Absperreinrichtung weist ein elektromagnetisch betätigbares Schaltventil38 in Form eines 3/2-Wegeventils sowie ein Wechselventil40 auf. Dieses ist mit einem Eingang51 an einem Abzweig52 mit der Speicherdruckleitung21 und an seinem zweiten Eingang53 über eine Verbindungsleitung54 an einem Abzweig55 an der Druckleitung19 angeschlossen. Bei dieser Anordnung meldet das Wechselventil40 von seinem Ausgang56 einem ersten Eingang57 des Schaltventils38 den jeweils höheren Druck von SpeicherdruckpA und Systemdruck ps. Mit seinem zweiten Eingang58 ist das Schaltventil38 mit dem Ausgangsanschluss41 des Umschaltventils18 über eine Leitung59 in Verbindung. Am Ausgangsanschluss60 des Schaltventils38 ist die Steuerleitung46 angeschlossen, die zum Ventilanschluss3 des Logikventils14 führt. - In der unbetätigten Schaltstellung, wie in
2 gezeigt, meldet das Schaltventil38 den vom Wechselventil40 zugeführten, jeweils höheren Druck von SpeicherdruckpA und Systemdruck ps an die Wirkfläche34 des Logikventils14 , so dass dieses im Absperrzustand verbleibt und der Speicher10 dadurch sicher vom System abgetrennt ist. Im betätigten Zustand des Schaltventils38 ist wiederum, wie beim Beispiel von1 der Ausgangsanschluss41 des Umschaltventils18 über die Leitung59 und den Ausgangsanschluss60 mit der Steuerleitung46 in Verbindung, wie dies bei1 der Fall ist, so dass die Steuerfunktion der Ventilsteuereinrichtung12 wiederum aktiviert ist. Das Schaltventil38 kann sowohl als stromlos offen als auch als stromlos geschlossen ausgeführt sein. Optional kann für das Umschaltventil18 auch eine elektro-proportionale Mindestdruckeinstellung vorgesehen sein. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016006545 A1 [0002, 0016, 0020]
Claims (9)
- System zum Laden und Entladen mindestens eines Hydrospeichers (10), der an eine Ventilsteuereinrichtung (12) anschließbar ist, wobei die Ventilsteuereinrichtung (12) mindestens ein Logikventil (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass weiter ein Wechselventil (16) und ein Umschaltventil (18) vorgesehen sind und die Ventile (14, 16, 18) derart miteinander verschaltet sind, dass das hydraulisch betätigbare Umschaltventil (18) den Speicherdruck (pA) mit einem über die Steuerdruckeinstellung dieses Umschaltventils (18) einstellbaren Mindestspeicherdruck (pA0) vergleicht.
- System nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass solange der Speicherdruck (pA) unterhalb des Mindestspeicherdrucks (pA0) liegt, sich das Umschaltventil (18) in der vom Steuerdruck jeweils verursachten Ventilstellung befindet und dabei den Speicherdruck (pA) auf die eine Kolbenseite (34) des Kolbens (24) des Logikventils (14) weiterleitet, das, derart als Rückschlagventil wirkend, ein Entladen des jeweiligen Hydrospeichers (10) unter den eingestellten Mindestspeicherdruck (pA0) verhindert. - System nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (14, 16, 18, 20) derart miteinander verschaltet sind, das, sobald der Speicherdruck (pA) oberhalb des eingestellten Mindestspeicherdrucks (pA0) liegt, das Umschaltventil (18) in seine betätigte Schaltstellung wechselt und es dem, vorzugsweise inverten, Wechselventil (16) erlaubt, den jeweils niedrigeren der beiden Drücke in Form des Speicherdrucks (pA) und eines Systemdrucks (pS) eines an das System angeschlossenen Hydrauliksystems (42), auf die eine Kolbenseite (34) des Kolbens (24) des Logikventils (14) zu melden, was die Durchströmung des Logikventils (14) in beiden Richtungen ermöglicht, also vom Hydrospeicher (10) zum Hydrauliksystem (42) und umgekehrt, so dass der Hydrospeicher (10) sowohl beladbar als auch entladbar ist. - System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Absperreinrichtung vorgesehen ist, die ein Magnetventil (38) aufweist, das unbetätigt oder betätigt über ein weiteres Wechselventil (40) den jeweils höheren der beiden Drücke von Speicherdruck (pA) und Systemdruck (ps) auf die eine Seite (34) des Kolbens (24) des Logikventils (14) meldet, der derart in seiner geschlossenen Stellung gehalten den Hydrospeicher (10) vom Hydrauliksystem (42) absperrt und die hydraulisch-mechanische Speichersteuerung inaktiviert.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein sicheres Entladen des Hydrospeichers (10) in einen Tank- oder Rücklaufanschluss (T) ein Entladeventil (20) vorgesehen ist.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikventil (14) auf seiner der einen Seite (34) des Kolbens (24) gegenüberliegenden Seite eine Art Stufenkolben (26) ausbildet, der eine Fluidverbindung zwischen dem Hydrauliksystem (42) und dem jeweiligen Hydrospeicher (10) steuert.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (38) sowohl stromlos offen als auch stromlos geschlossen ausführbar ist.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Steuerdrucks für das Umschaltventil (18) auch elektro-proportional ausführbar ist.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Steuerung der fluidführenden Verbindung zwischen einem Hydrospeicher (10) zur Energierückgewinnung und einem hydraulischen System (42) eingesetzt ist.
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