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Schwingungsgedämpfte Aufhängevorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine schwingungsgedämpfte Aufhängevorrichtung, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, mit einem in einem Zylinder geführten, einen Durchlaß aufweisenden
Kolben, der in dem Zylinder zwei gegensinnig deformierbare flüssigkeitsgefüllte
Räume abgrenzt, ohne sie vollständig zu trennen, und mit einem Hauptfedermittel,
das über Drosselmittel Flüssigkeit in den einen deforinierbaren Hauptraum eintreten
oder aus ihm heraustreten läßt.
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Bei einer bekannten Aufhängevorrichtung dieser Art (französische Patentschrift
1100 585) ist ein Drosselorgan vorgesehen, das den Eintritt und den Austritt
der Flüssigkeit in einen deforinierbaren Hauptraum steuert und dabei unterschiedliche
Flüssigkeitsreibungswiderstände ausnutzt, die auftreten, wenn die aufgehängte Masse
aus ihrer Gleichgewichtslage herausbewegt oder in ihre Gleichgewichtslage zurückbewegt
wird. Das Drosselorgan ist dabei nicht in der Lage, sich langsamen Schwingungen
und raschen Schwingungen gleichermaßen anzupassen.
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Es ist ferner eine Aufhängevorrichtung bekannt (deutsche Patentschrift
845 452), bei der dem Drosselorgan ein Ventil zugeordert ist, das die Drosselwirkung,
je nachdem, ob sich der deformierbare Hauptraum vergrößert oder verkleinert,
beeinflußt.
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Ferner sind Aufhängevorrichtungen bekannt, bei denen das Drosselorgan
in einem Raum unveränderbarer Größe im Körper der Aufhängevorrichtung untergebracht
ist.
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Keine der vorbenannten Einrichtungen ist sowohl gleichermaßen dem
Auftreten von langsamen Schwingungen und raschen Schwingungen angepaßt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Aufhängevorrichtung anzugeben,
die gleichermaßen langsamen Schwingungen, raschen Schwingungen und kurzzeitigen
Stößen angepaßt ist-, insbesondere sollen rasche Schwingungen und Stöße gut gedämpft
werden.
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Ausgehend von einer Aufhängevorrichtung eingangs genannter Art ist
die Erfindung gekennzeichnet durch mindestens ein Hilfsfedermittel, das über Drosselmittel
Flüssigkeit in den anderen deformierbaren Hilfsraum eintreten oder aus ihm heraustreten
läßt.
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Durch die Erfindung ist es möglich, zusätzlich zur Wirkung des Hauptfedermittels
ein Hilfsfedermittel wirken zu lassen, das vom Hauptfedermittel verschieden ist
und dessen Wirkung je nach der Schwingungsfrequenz, also je nachdem, ob es
sich um langsame Schwingungen (Frequenzbereich der vertikalen Eigenschwingung des
Fahrzeugaufbaues) oder rasche Schwingungen (Frequenzbereich der vertikalen Eigenschwingung
des Rades und der Achse) handelt, und der Dauer von Stößen ergänzt; dabei wird durch
die besondere Aufteilung der Räume, der Federmittel und der Drosselmittel auch erreicht,
daß die Dämpfung frequenzabhängig wird.
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Nachfolgend ist ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die Aufhängevorrichtung nach der Zeichnung weist im Inneren, durch
eine deformierbare flexible Membran m voneinander getrennt, als Hauptfedermittel
A ein komprimlerbares Gas und eine Flüssige keit auf. Diese übertragen Kräfte,
die auf sie ausgeübt werden, auf Achsschenkel von Rädern -über hydraulische Kolben-Zylinder-Einheiten,
die an der Aufhängevorrichtung angebracht sind, entweder direkt oder indirekt.
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Die Aufhängevorrichtung soll dabei folgenden Forderungen genügen-1.
die Dämpfung der Bewegungen der aufgehängten Masse, ohne daß die Aufhängung härter
wird;
2. die Entwicklung wesentlich kräftigerer Dämpfungseffekte
als vorher für die Flüssigkeitsverschiebungen von oder zu den hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheiten
für die Räder, entsprechend Schwingungsfrequenzen des Rades.
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Die Aufhängevorrichtung weist einen mit der aufgehängten Masse, z.
B. dem Kraftfahrzeugrumpf, gekuppelten Körper in Form eines Zylinders
152 und einer dicht mit dem Zylinder152 verschraubten Glockel01 auf, in denen
angeordnet sind: a) ein in zwei Räume A und B durch die Membran m unterteiltes
Volumen. Der Raum A enthält das Hauptfedermittel in Form von Druckgas, welches
durch ein Ventil 103 eingeleitet wird. Der Raum B enthält eine Flüssigkeit,
die dem Druck des Hauptfedermittels unterworfen ist; b) ein mit Flüssigkeit
gefüllter deformierbarer Hauptraum C, der vom Zylinder 152 und dem
Kolben 151 oberhalb des letzteren gebildet wird. Auch dieser Hauptraum
C unterliegt dem Druck des Hauptfedermittels im Raum A, und zwar unter
Zwischenschaltung der Flüssigkeit der A-uffiängung; c) ein Organ 104 bis 112, das
die Dämpfungseffekte steuert. Dieses Organ weist ein zwischen einer oberen Kammer
111 und einer unteren Kammer 112 liegendes Doppelventil 104 auf, das zwei
entgegengesetzt liegende Ventilkegel besitzt, die mit Sitzen 105 und
106 zusammenwirken, welche in Blöcken 107, 108 angeordnet sind und
zwischen denen durchbrochene, blattförmige Rückzugfedem 109, 110 liegen.
Das Doppelventil 104 wird von einem Kolben 118
gesteuert, mit dem es fest
verbunden ist. Die Kammer, welche zwischen den beiden Blöcken 107 und
108 gebildet ist, steht zusätzlich mit der oberen Kammer 111 und der
unteren Kammer 112 durch öffnungen, welche durch Klappen oder Kugeln 113,
114 geöffnet bzw. geschlossen werden und die in ihren Sitzen durch Federn, wie beispielsweise
die Feder 115, gehalten werden und die sich nach außen zu öffnen. Die Öffnung
dieser Klappen wird durch Anschläge begrenzt.
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über diesem Dämpfungsorgan 104 bis 112 sitzt eine von der Glocke
101 umschlossene torische Zelle, die durch eine Trennmembran 119 in
zwei Kammern C Creteilt wird. Die eine Kammer A' enthält Druckgas und bildet eine
federnde Hilfskapazität. Die andere Kammer B 1 ist mit Flüssigkeit gefüllt,
die mit dem Zylinder für den Kolben 118 durch einen Kanal 117
und mit
der Kammer 111 über nicht gezeichnete Durchlässe verbunden ist, die zwischen
dem Kolben 118 und seinem Zylinder bestehen. Die Hilfskapazität
A' kann von außen durch ein Ventil aufgepumpt sein, das die Wandung des Körpers
des Aufhängeorgans durchdringt, oder sie kann auch ein für allemal aufgeblasen sein
wie ein Tennisball.
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Die obere Kammer 111 steht in direkter Verbindung mit dem Raum
B, und zwar durch den Kanal 120, während die untere Kammer 112 frei in den deformierbaren
Hauptraum C mündet.
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Die im vorstehenden beschriebene Einrichtung wirkt folgendermaßen:
Wenn infolge einer Verschiebung des Rades und damit des Kolbens 151 der Hauptraum
C gegenüber seiner Größe in der Ruhestellung verkleinert wird, dringt Flüssigkeit
in das Dämpfungsorgan 104 bis 112 über die untere Kammer 112 ein. Es sei der weitere
Ablauf bei einer verhältnismäßig langsamen und länger dauernden Bewegung betrachtet,
entsprechend dem Frequenzbereich der Eigenschwingung des Aufbaues. Die in die Kammer
112 zurückgedrängte Flüssigkeit stößt das Doppelventil 104 zurück, dringt in die
Kammer zwischen den Blöcken 107, 108 ein und sodann in die Kammer
111, indem sie durch die von den Klappen bzw. Kugeln 114 gesteuerten
Öff-
nungen hindurchgeht.
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Die Flüssigkeit dringt dann in den Raum B ein, indem sie den drosselnden
Kanal 120 durchströmt. Der Druck des Hauptfedermittels A wird größer.
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Während eines genügend kleinen Zeitintervalls ändert sich der Druck
der Hilfskapazität A' nicht, und zwar infolge der Drosselung zwischen den
Kammern 111 und Bi entsprechend den Stellungen des Kolbens 118 in
seinem Zylinder. Da der Druck im Raum B der gleiche ist wie im Hauptfedermittel
A, existiert eine Druckdifferenz zwischen dem Hauptfedermittel
A und der Hilfskapazität A. Da der Druck in der Kammer
111 größer ist als in der Hilfskapazität A,
hat der Kolben
118 die Neigung, nach oben zu gehen. Der obere Konus des Doppelventils 104
legt sich auf seinen Sitz 105, während ein freier Durchgang zwischen dem
Sitz 106 und dem unteren Konus des Doppelventils 104 entsteht. Der Durchgang
der Flüssigkeit von dem Hauptraum C in den Raum B ist also über das Spiel
des Kugelventils 114 frei.
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Wenn der Kolben 151 maximal in den Zylinder 152 eingedrungen
ist, beginnt er sich wieder in Richtung seiner Ruhestellung in entgegengesetzter
Richtung zu bewegen; die Flüssigkeit muß vom Raum B nach dem Hauptraum
C zu strömen. Der Kolben 151
kann dies nur tun, indem er das Doppelventil
104 zwingt, sich von seinem Sitz 105 abzuheben und dabei den Kolben
118 mitzunehmen. Diese Verschiebung kommt zum Stillstand, wenn die Druckdifferenz
zwischen dem Raum B und dem Hauptraum C,
welche auf den mittleren Teil des
Doppelventils 104 wirkt, ins Gleichgewicht kommt zur Druckdifferenz, die zwischen
der Hilfskapazität A' und der unteren Kammer 111 besteht und dabei
den Kolben 118
belastet.
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Das Verhältnis zwischen dem wirksamen Abschnitt des Kolbens
118 und dem mittleren Teil des Doppelventils 104 charakterisiert den Prozentsatz
der Dämpfung bei der Rückbewegung in den Gleichgewichtszustand, wenn die Leckverluste
zwischen dem Kolben 118 und seinem Zylinder sehr klein sind.
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Wenn man beim Verlassen des Gleichgewichtszustandes eine Bewegung
des Kolbens 151 betrachtet hätte, welche den Hauptraum C vergrößert,
würde man unmittelbar darauf beobachten, daß für genügend geringe Geschwindigkeiten
des Kolbens 151 und infolgedessen der Verschiebung der Flüssigkeit in den
Rohrleitungen und durch das Dämpfungsorgan hindurch sich die verschiedenen
Erscheinungen in analoger Weise abspielen würden. Die Dämpfungsvorrichtung stellt
nur einen geringen Widerstand dar, wenn sich die Aufhängevorrichtung vom Gleichgewichtszustand
entfernt; hingegen tritt ein Dämpfungseffekt seitens der wirksamen Ab-
schnitte
des Kolbens 118 und des Doppelventils 104 bei der Rückbewegung gegen die
mittlere Ruhestellung auf.
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Wenn der Flüssigkeitsdurchtritt zwischen dem Kolben 118 und
seinem Zylinder genügend groß ist, um
einen Einfluß auf die langsamen
Bewegungen zu haben, wird die HilfskapazitätA' zusammen mit der KammerB1, welche
mit der Flüssigkeit im Hauptraum C und im Raum B der Aufhängungseinrichtung
nur durch die Durchlässe entlang dem Kolben 118
kommuniziert, um so besser
den Druckänderungen des Hauptfedermittels A folgen, je langsamer die
Zusammenziehung oder Ausdehnung des Hauptfedermittels ist. Man hat also eine Anordnung
mit variabler Gesamtnachgiebigkeit, bei der die Nachgiebigkeit in dem Maß größer
ist, als die Bewegungen langsamer sind, was eine ideale Bedingung ergibt für den
Komfort und das Verhalten bei größerer Fahrgeschwindigkeit.
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Die unterschiedliche Nachgiebigkeit wird nach der Erfindung noch durch
eine Aufteilung der elastischen Masse unterstützt. Hierzu wird ein Hilfsfedermittel
A" in Kommunikation mit einem zweiten mechanisch deformierbaren Raum,
dem Hilfsraum Cl, gebracht, der auf der dem ersten mechanisch deformierbaren
Raum, dem Hauptraum C, gegenüberliegenden Seite des Kolbens 151 liegt.
Dieser Hilfsraum C, ändert demgemäß sein Volumen gegensinnig zum Hauptraum
C. Beide Räume, C und C" sind über Drosselmittel
150, 157, die im Kolben 151 vorgesehen sind, miteinander verbunden.
In dem Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung ist das Hilfsfedermittel
A" auf der dem elastischen Hauptfedermittel A gegenüberliegenden Seite
des Kolbens 151 angeordnet. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Zeichnung
einen sehr weit im Zylinder 152 ausgefahrenen Kolben 151
zeigt, in
welcher Stellung der Hilfsram C, durch Absperrorgane 216, 217 nochmals
unterteilt ist. Im üblichen Bewegungsbereich ist dies nicht der Fall.
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Die Anordnung nach der Zeichnung ist auch bei einem Hubschrauber oder
irgendeinem sonstigen Flugzeug zu verwenden.
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In diesem Fall kommt das Problem der Dämpfung der kinetischen Energie
der aufgehängten Masse bei einer harten Landung hinzu. Um ein Maximum an Arbeitsaufnahme
zu erreichen, wird der elastischen Kraft, welche die Auffiängung während des Rollens
sicherstellt, eine Kraft hydrodynamischen Ursprungs überlagert, die daraus resultiert,
daß durch den bubabhängig veränderlichen Durchlaß 150 sich durch den Kolbenkopf
gestaute Flüssigkeit vom Hauptraum C in den Hilfsraum C, hindurchzwängt.
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Eine bequeme Lösung des Problems, einen veränderlichen Durchströmweg
zu realisieren und die Schwingungen kurzer Periode (Radschwinaungen) zu dämpfen,
besteht in der Anwendung einer konischen Nadel 154, die von einer Querwand
158 getragen ist. Letztere schließt den Zylinder 152 oben ab. Die
konische Nadel 154 durchdringt die öffnung 150 und taucht in eine Höhlung
155 des Kolbens, die sich in die Kolbenstange fortsetzt. Überströraöffnungen
führen von der Höhlung 155 in den die Kolbenstange umgebenden Hilfsraum
C, Ein System von Ventilklappen bzw. Kugeln 156 erlaubt das Überströmen
von der Höhlung 155 in den Hilfsraum C, verhindert aber das Rückströmen
der Flüssigkeit vom Hilfsraum Ci zur öffnung 150. Bei einer Kolbenbewegung
mit Verkleinerung des Hilfraums C, strömt die Flüssigkeit aus dem Hilfsraum
C, unmittelbar durch eine Düse 157 in den Hauptraum C. Die Flüssigkeitsbremsung
der schnellen Bewegungen entsprechend den Ausdehnungsbewegungen erfolgt durch die
Düse 157.
Das Hilfsfedermittel A", das von einer Membran
205 begrenzt ist, ist in einem Ringraum 204 von fester Form um die Kolbenstange
herum angeordnet. Die Flüssigkeit im Ringraum 204 steht über ein in der Zylinderwand
sitzendes, als einstellbare Drossel dienendes Nadelventil 209 mit dem deformierbaren
Hilfsraum C, in Verbindung.
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Unter Umständen kann es wichtig sein, zur Lösung bestimmter Probleme,
wie dem des Verhaltens gegenüber Bremsstößen, jede Einwirkung des Hilfsfedermittels
A" auf die statische Nachgiebigkeit der Aufhängevorrichtung zu unterdrücken.
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In diesem Fall kann ein Hahn oder ein Schieber die Verbindung zwischen
dem Hilfsfedermittel A"'
und dem Hilfsraum sperren.
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Schließlich kommt das erwähnte Absperrorgan am Ende des Ausdehnungshubes
zur Wirkung, das aus einem Kragen 217 am Kolben 151 besteht. Der Kragen
217 arbeitet zusammen mit dem am Zylinder 152
festen Kragen
216. In der Nähe der maximalen Ausdehnung wird hierdurch ein ringförmiges,
geschlossenes Volumen 214 veränderlicher Größe begrenzt, das nur mit dem Hilfsfederinittel
A'*' Verbindung hat, welches dann die Rolle eines von den übrigen Räumen unabhängigen
elastischen Kissens spielt. Vom Hilfsraum Ci bleibt dann eine über die Drosselmittel
150 und/oder 157 mit dem Hauptraum C verbundene Ringkammer
153 übrig.
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Der Hauptvorteil des zusätzlichen Hilfsfedermittels X' im Zusammenwirken
mit dem ihm zugeordneten mechanisch deformierbaren Hilfsraum C, wird ersichtlich,
wenn man die Aufgabenstellung näher betrachtet, die den Aufhängevorrichtungen erfindungsgemäßer
Art an Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen, zugrunde liegt.
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1. Langsame Bewegungen (kein großer Druckunterschied zwischen
den gegensinnig deformierbaren Räumen C und C)
Die Federmittel
A und A" arbeiten parallel zueinander, da bei langsamer Bewegung mit
einem sehr weitgehenden Druckausgleich über den Flüssigkeitsdurchfluß an den Drosselmitteln
150, 157 und 209
zu rechnen ist. Die Hauptfederung erfolgt durch das
Hauptfedermittel A in Abhängigkeit von der Größe des Volumens der Räume
C und Ci unter Berücksichtigung der Veränderung dieses Gesamtvolumens
durch die Kolbenstange.
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Jede Verschiebung des Kolbens 151 führt zu einer Veränderung
des Volumens des Hauptraums C und zu einer gegensinnigen Veränderung des
Volumens des Hilfsraums C,. Bei einer Verschiebung des Kolbens um dl ändert
sich das Gesamtvolumen um sdl, wenn s der Querschnitt der Kolbenstange ist.
Im Ergebnis ist es dasselbe, als wenn ein Kolben mit einem Querschnitts um einen
Weg dl in einen Zylinder eingestoßen oder aus ihm herausgezogen wird. 2.
Schnelle Bewegungen (Schwingungen der Räder) In diesem Fall ist der Druckunterschied
zwischen den gegensinnig deformierbaren Räumen C und C,
erheblich;
denn mit wachsender Frequenz und wachsender Amplitude steigt die für einen Druckausgleich
erforderliche Durchflußmenge je Zeiteinheit an den Drosselmitteln an, die
infolge des Drosselwiderstandes nicht mehr erreicht wird. Während einer Schwingung
sind die Druckschwankungen im Raum C um den
mittleren Druck
wesentlich stärker als die Druckschwankungen im RaumC, und außer Phase mit diesen.
Mit zunehmender Amplitude der Schwingungen und je nach der Schwingungsfrequenz,
von der die Drosselung abhängt, kommen die Druckschwankungen in den Räumen
C und C, schließlich nahezu um eine Halbperiode außer Phase.
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Druckschwankungen in den Räumen C und Ci verlaufen dann annähernd
gegensinnig. Das hat den Effekt, als ob dem Hauptfedermittel A das Hilfsfedermittel
A" nunmehr entgegengeschaltet wäre, wobei für die Kennlinie des Hauptfedennittels
A nunmehr der Querschnitt des Kolbens 151, für die Kennlinie des Hilfsfedermittels
der Querschnitt des Kolbens 151
minus dem Querschnitts der Kolbenstange maßgeblich
ist. Dabei kann man die Schwingungen der Räder sehr kräftig dämpfen. Andererseits
bleibt aber bei langsamen Schwingungen die Auffiängung sehr elastisch und wenig
gedämpft. 3. Stöße (überfahren einer Querrinne oder Stöße auf das Fahrgestell
eines Flugzeugs) Bei sehr kurz dauernden Stößen ist der Flüssigkeitsdurchgang vom
Hauptraum C zum Hilfsraum C, sehr gering. Der Druck im HilfsfedermittelA"*
verringert sich wegen der Vergrößerung des Volumens des Hilfsraums CV Diese Vergrößerung
des Volumens des Hilfsraums C, wird durch Zutritt von Flüssigkeit in diesen
Raum nicht kompensiert. Der Druck im Hauptraum C wächst an, als wenn das
Hauptfedermittel A allein auf die Kolbenfläche wirken würde. Wegen der Begrenzungswirkung
der Drosseleinrichtung zwischen der Hilfskapazität A' und dem Hauptraum
C ist das Ergebnis ein adiabatisches Zusammendrücken des Hauptfedermittels
A durch den aufsteigenden Kolben.
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Bei den Vorrichtungen nach den Entgegenhaltungen sind zum Teil tatsächlich
Hilfsfedermittel vorgesehen. Diese Hilfsfedermittel arbeiten jedoch auf den gleichen
deformierbaren Raum wie das Hauptfedermittel. Dadurch wird die oben unter 2 und
3 angegebene Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes nicht möglich, insbesondere
war es nach dem Stand der Technik nicht möglich, wie unter 2 erläutert, die Wirkung
des Hauptfedermittels A durch die Wirkung des Hilfsfedermittels
A" zu mindern.
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Die Ansprüche 3 bis 7 sollen als echte Unteransprüche
nur in Verbindung mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelten.