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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherungseinheit zur lösbaren Klemmung
von relativ zueinander bewegten Elementen nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Im
Maschinenbau, beispielsweise bei Montagevorrichtung, sind Linearführungssysteme
bekannt, die in vertikaler Richtung arbeiten. Dabei werden zu bewegenden
Komponenten, die mitunter ein erhebliches Gewicht aufweisen, in
vorzugsweise vertikaler Richtung auf- und abbewegt. Zur Sicherung
der bewegten Lasten, etwa bei einem Systemausfall mit Druckluft-
oder Stromausfall, sind aus der Praxis Klemmsysteme bekannt, die
die zu tragende Last an einer weitgehend beliebigen vertikalen Position
relativ zu einer Führung
gegen diese so klemmen können,
dass die Last nicht unter Schwerkrafteinwirkung nach unten sinkt
oder fällt.
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Insbesondere
sind solche Klemmsysteme bekannt, bei denen ein Klemmelement mit
einer mit Medium beaufschlagbaren Kammer versehen ist, welche ihre
geometrischen Abmessungen bei Beaufschlagung derart ändert, dass
dadurch eine Kraft auf eine relativ zur bewegten Last ruhende Komponente aufgebracht
oder gelöst
wird, um ein Klemmen oder Freigeben der Relativbewegung zwischen
der Last und der Komponente zu ermöglichen. Diese ruhende Komponente
kann insbesondere die vertikale Führung sein. Die Beaufschlagung
der Kammer erfolgt üblicherweise
mit Druckluft oder Hydrauliköl.
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Bekannt
ist insbesondere die Ausführung
eines Klemmsystems, welches im entspannten (also nicht druckbeaufschlagten)
Zustand eine Klemmkraft entwickelt, die durch Druckbeaufschlagung
aufgrund einer entsprechenden Verformung der Kammer die Klemmkraft
löst und
die Relativbewegung zwischen dem das Gewicht tragenden Teil und
der ortsfesten Komponente zulässt.
Dieses System weist den Vorteil auf, dass bei Ausfall von Druckluft
bzw. dem entsprechenden hydraulischen Medium die Klemm kraft aufgebracht
wird und die Relativbewegung gestoppt wird, so dass ein Weiterbewegen
des Gewichts bei Systemausfall vermieden wird.
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Nachteilig
für die
nach dem Stand der Technik bekannten Ausführungen ist jedoch die Tatsache, dass
im Anschluss an eine vorstehend geschilderte Störung bei Zuschaltung des entsprechenden
Mediums die Klemmkraft wieder gelöst wird und das Gewicht sich
der Schwerkraft folgend wieder in Bewegung setzt. Dies kann zu erheblichen
Schäden
sowohl an Material als auch an Menschen führen, wenn die Zuschaltung
des Mediums erfolgt, ohne dass die anschließende Bewegungsmöglichkeit
des Gewichts ausreichend bedacht oder gesichert wurde. Der Sicherungsmechanismus
funktioniert also nur insoweit, als der Ausfall des Systemdrucks
eine Relativbewegung stoppt. Die Folgen der Wiederherstellung des Systemdrucks
liegen allein im Verantwortungsbereich des Bedienungspersonals und
sind damit risikobehaftet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Sicherungseinheit zu schaffen,
die eine sichere Wiederinbetriebnahme der vorgenannten Anlagen ermöglicht und
dabei konstruktiv einfach und preisgünstig zu realisieren ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Sicherungseinheit nach Anspruch 1.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Druckbeaufschlagung der
Kammer des Klemmelements in konstruktiver Weise von der Position
des zu tragenden Gewichts relativ zum Klemmsystem abhängig zu
machen. Zu diesem Zweck ist in erfinderischer Weise in der Zufuhrleitung
des Mediums ein Ventil vorgesehen, welches über ein bewegbares Betätigungselement
zu öffnen
bzw. zu schließen
ist. Das Betätigungselement
soll dabei in der gleichen Richtung bewegbar sein, in der das zu
bewegende Gewicht bewegt wird, also vorzugsweise in einer vertikalen
Richtung Z.
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Durch
die Anordnung eines solchen Ventils wird in erfinderischer Weise
ermöglicht,
die vertikale Bewegung bzw. Position des Gewichts mit einer Betätigung des
Ventils zu koppeln und so eine zusätzliche Steuerung für die Druckbeaufschlagung
der Kammer bzw. die daraus resultierende Klemmkraft bereit zu stellen.
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Im
Folgenden sei unter „Öffnen" des Ventils eine
Bewegung des Betätigungselements
derart gemeint, dass die Zufuhr der Kammer des Klemmelements entspannt
wird, dass also ein Druckaufbau in der Kammer nicht möglich ist.
Im ungekehrten Sinne bedeutet „Schließen" im Weiteren, dass
das dem System zugeführte
Medium nicht entweichen kann und somit zwangsweise die Kammer des
Klemmelements mit Druck beaufschlagt.
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In
einer einfachsten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Grundkörper
vorgesehen, der von einer sich in einer axialen Richtung verlaufenden
Komponente so durchdringbar ist, dass der Grundkörper und die Komponente zwei
relativ zueinander bewegte Elemente darstellen. Nach dem Stand der
Technik ist dabei die Komponente als raumfeste Komponente gedacht,
beispielsweise in Form einer vertikal ausgerichteten Stange als
Führungselement.
Der Grundkörper
gleitet entlang dieser Komponente auf und ab.
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Der
Grundkörper
weist wenigstens ein Klemmelement auf, welches eine über eine
Medienzufuhr mit einem Medium beaufschlagbare Kammer enthält. An der
Kammer oder damit gekoppelt ist ein Kraftübertragungselement vorgesehen,
welches zur Übertragung
einer Klemmkraft von der Kammer auf die Komponente ausgebildet ist.
Die Komponente, die vorzugsweise vertikal angeordnet ist, wird durch
die Kraft in radialer Richtung, also bei vertikaler Ausrichtung
der Komponente im Wesentlichen in horizontaler Richtung, beaufschlagt.
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Unter "radial" ist im folgenden
eine Richtung gemeint, die auf die Komponente zuläuft. Vorzugsweise
erstreckt sich diese Richtung genau senkrecht zu einer Längsrichtung
der Komponente, jedoch soll auch ein anderer Winkel als 90° zwischen
der Längsachse
der Komponente und der "radialen" Richtung mit umfasst
sein. Die Längsachse
der Komponente beschreibt in diesem Zusammenhang die Bewegungsrichtung
des Grundkörpers
bzw. des Klemmelements relativ zur Komponente im nicht geklemmten Zustand.
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Denkbar
ist dabei auch eine gekrümmte Längsachse
der Komponente, also eine nicht ausschließlich gerade geformte Führung, etwa
bei einer Komponente in Form einer gekrümmten oder gar kreisbahnförmigen Schiene.
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Da
der Querschnitt der Komponente senkrecht zu deren Achse nicht nur
kreisförmig,
sondern beispielsweise auch vierkantförmig oder in jeder beliebigen
anderen Profilform eines Führungselements ausgebildet
sein kann, ist unter "radial" daher auch nicht
nur ein Bezug auf ein kreisförmiges
Element zu verstehen. Vielmehr soll "radial" auch den Umstand umschreiben, dass
eine Klemmkraft auch von mehreren Seiten auf die dazu zentrisch
angeordnete Komponente ausgeübt
werden kann.
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Das
Klemmelement verformt sich bei Beaufschlagung der Kammer mit dem
Medium elastisch und bewirkt dabei eine Veränderung seiner Abmessungen.
Insbesondere erfolgt eine Veränderung
der Abmessungen in radialer Richtung, so dass dadurch über das
Kraftübertragungselement
die Komponente in radialer Richtung relativ zum Grundkörper mit
einer Kraft beaufschlagt oder entlastet und dadurch geklemmt oder
freigegeben wird.
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Die
erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht also
ein dauerhaftes Verklemmen (oder auch Freigeben) unabhängig davon,
dass der Systemdruck nach einer Systemstörung wieder aufgebaut wird.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist das Betätigungselement
an einem in Z-Richtung geführten
Gewichtskörper
angeordnet oder ein Teil desselben. Durch diese konstruktive Vereinfachung
wird ein unmittelbarer Zusammenhang der vertikalen Position des
Gewichts mit dem Öffnen
oder Schließen
des Ventils hergestellt. Eine Bewegung des Gewichts in Z-Richtung öffnet oder schließt also
das Ventil. Durch geeignete Wahl der Klemmelemente (etwa derart,
dass eine Klemmkraft aufgebracht wird, wenn die Kammern drucklos
sind) kann somit vorteilhaft erreicht werden, dass eine Klemmkraft
niemals dann aufgebracht wird, wenn der Gewichtskörper durch
seine Bewegung das Ventil geöffnet
und damit die Medienzufuhr drucklos entspannt hat.
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Wird
der Grundkörper
mit dem darin ausgebildeten Klemmsystem mit dem zu transportierenden Gewicht
in geeigneter Weise gekoppelt, so nimmt er die Gewichtskraft auf.
Der Grundkörper
kann dafür bspw.
benachbart und oberhalb des zu transportierenden Gewichtskörpers angeordnet
sein.
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Das
Ventil, welches insbesondere im Grundkörper selber ausgebildet sein
kann, wird im Betrieb durch den eng anliegenden Gewichtskörper verschlossen,
so dass das Klemmsystem druckbeaufschlagt wird und eine Relativbewegung
zwischen dem Grundkörper
mit anhängendem
Gewichtskörper einerseits
und der relativ dazu ortsfesten Führungskomponente andererseits
zulässt.
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Ein
Druckabfall im System hat dann zur Folge, dass die ursprünglich druckbeaufschlagte
Kammer im Klemmsystem entspannt wird und dadurch eine Klemmkraft
entsteht, die eine weitere Bewegung des Grundkörpers mitsamt dem anhängenden
Gewichtskörper
verhindern soll. Während
der Grundkörper
mit dem darin befindlichen Klemmsystem im Moment der auftretenden
Klemmkraft in seiner vertikalen Position festgehalten wird, versucht
der am Grundkörper
angehängte
Gewichtskörper
der Schwerkraft weiter zu folgen und löst sich vom darüber befindlichen
Grundkörper
ab. Dadurch wird das Ventil der ohnehin bereits entspannten Medienzufuhr geöffnet.
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Eine
darüber
hinaus gehende weitere Abwärtsbewegung
des Gewichtskörpers
relativ zum Grundkörper
soll durch die vorgenannte Koppelung vermieden werden. Denkbar ist
hier ein einfaches Führungsgestänge, über welches
der Gewichtskörper
um ein wählbares
Maß relativ
zum Grundkörper zwar
verschieblich bewegbar ist, jedoch in vertikaler bzw. Z-Richtung
in einem vorgebbaren Abstand vom Grundkörper durch die geeignete Koppelung
an diesem Grundkörper
gehalten wird.
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Nach
dem Systemausfall befindet sich also der Grundkörper mit dem blockierenden
Klemmsystem in einer bestimmten vertikalen Position, während in
einem vorzugsweise gering gewählten
Abstand unterhalb des Grundkörpers
der Gewichtskörper hängt und
ebenfalls stillsteht. Der Abstand zwischen Grundkörper und
Gewichtskörper
wird vorteilhaft so gewählt,
dass dadurch eine ausreichende Öffnung des
Ventils gewährleistet
ist, was bereits für
einen Abstand von wenigen Millimetern gelten kann.
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Wird
nun der Systemdruck wieder aufgebaut, so wird die Medienzufuhr zwar
mit dem entsprechenden Medium beaufschlagt, da jedoch das Ventil im
Grundkörper
durch den nicht mehr anliegenden Gewichtskörper geöffnet ist, kann die Kammer
des Klemmelements im Grundkörper
nicht druckbeaufschlagt werden und daher die Klemmung nicht lösen. Ein
Verfahren bzw. ein unbeabsichtigtes Absenken des Grundkörpers mitsamt
dem Gewichtskörper
ist somit zunächst
ausgeschlossen.
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Die
Klemmung des Grundkörpers
kann selbst bei wiederhergestelltem Systemdruck nur dadurch gelöst werden,
dass der Gewichtskörper
wieder so nach oben auf den Grundkörper zubewegt wird, dass das
Ventil geschlossen und damit der Druck im Klemmsystem wieder aufgebaut
wird. Wird der Gewichtskörper
beispielsweise über
eine zur Richtung Z parallele Achse angetrieben bzw. bewegt (etwa über eine
Hubeinheit bzw. ein Hubsystem) und dient die ortsfeste Komponente
nur als Führungs- oder
Sicherungselement, so ist zwangsläufig sichergestellt, dass der
Gewichtskörper
(mitsamt dem über ihm
angeordneten Grundkörper
samt Klemmsystem) erst dann wieder frei bewegbar wird, wenn die
parallel dazu angeordnete und zum gleichen Drucksystem gehörende Achse
bzw. Hubeinheit wieder ordnungsgemäß funktioniert und den Gewichtskörper anheben und
tragen kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Koppelung zwischen dem Grundkörper und
dem Gewichtskörper
derart vorgesehen, dass der Gewichtskörper über eine Federkraft in Z-Richtung
gegen den Grundkörper
gedrückt
wird. Eine solche Federkraft stellt sicher, dass bei gelöstem Klemmsystem
keine Relativbewegung zwischen Grundkörper und Gewichtskörper stattfindet.
Vielmehr liegen diese beiden Körper
dann grundsätzlich aneinander
an, so dass das Ventil geschlossen wird und die Druckbeaufschlagung
der Kammer im Klemmsystem sichergestellt ist. Die Federkraft ist
dabei so zu wählen,
dass bei Druckabfall und daraus resultierender Klemmung des Grundkörpers die
Gewichtskraft des Gewichtskörpers
die Federkraft soweit übersteigt,
dass sich der Gewichtskörper
in vertikaler Richtung nach unten vom Grundkörper ablöst, um dabei das Ventil zu öffnen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Ventil derart
ausgebildet, dass es in geöffneter
Stellung das Medium aus der Medienzufuhr in die Umgebung ausströmen lässt. Dies
ist besonders vorteilhaft für
die Beaufschlagung mit Druckluft geeignet, da der konstruktive Aufwand
hier sehr gering ist. Durch einfaches Öffnen der Zufuhrleitung in die
Umgebung beim Öffnen
des Ventils wird die Zufuhrleitung und damit auch die Kammer des
Klemmsystems entspannt.
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In
einer ähnlichen
Ausführungsform
ist das Ventil dagegen so ausgebildet, dass das Medium bei geöffnetem
Ventil in eine eigens vorgesehene Medienrückleitung umgeleitet wird.
Dies kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn die Kammer des Klemmsystems
mit Hydrauliköl
oder einer vergleichbaren Flüssigkeit
betrieben wird. Da das Hydrauliköl nicht
in die Umgebung abgeleitet werden kann, wird dessen Rückführung durch
eine geeignete Leitung vorgesehen. Wesentlich für die Funktion dieses Ventils
ist wiederum die Tatsache, dass das Ventil in geöffnetem Zustand die Druckbeaufschlagung
der Kammer des Klemmsystems verhindert, so dass die Kammer entspannen
und damit eine Klemmwirkung aufbauen kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass eine oder auch mehrere Klemmelemente so
ausgebildet sind, dass sie die im Wesentlichen raumfeste Komponente
(Stange, Führung)
in Form einer ringförmigen
Membran umlaufen. Eine solche Membran, die insbesondere relativ
flach ausgeführt
werden kann, ist zur Erzeugung hoher radialer Kräfte bei relativ dazu geringer
Veränderung der
Abmessungen in Z-Richtung ausgebildet. Die Kräfte bestimmen sich dabei im
wesentlich im Sinne einer flachen Raute, deren nah beieinander und
gegenüberliegende
Spitzen mit entgegengesetzten Kräften
beaufschlagt werden, so dass an den entfernt gegenüberliegenden
anderen Spitzen bei geringerem Verstellweg eine höhere Kraft
resultiert.
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Das
Klemmelement oder/und die Kammer kann aus jedem geeigneten Material
bestehen, wobei vorteilhafterweise die Kammerwände zug- bzw. druckfest ausgebildet
sind, um eine besonders hohe Kraft übertragen zu können. Insbesondere
kann dabei ganz oder teilweise Metall verwendet sein.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
vorgenannte Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen
erläutert.
Von den Figuren zeigen
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1 eine
erste Ausführungsform
der Erfindung in einer Position mit geschlossenem Ventil,
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2 die
gleiche Ausführungsform
wie 1 in einer Position mit geöffnetem Ventil,
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3 eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung in einer Position mit geschlossenem Ventil und
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4 die
gleiche Ausführungsform
wie 3 in einer Position mit geöffnetem Ventil.
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Wie
in 1 zu sehen ist, ist eine Sicherungseinheit 1 vorgesehen.
Die Sicherungseinheit 1 umgibt eine in den Figuren im Wesentlichen
in der Bildmitte und vertikal angeordnete Komponente 2. Die
Komponente 2 ist als raumfeste Führung in Form einer Stange
gedacht, entlang welcher ein Grundkörper 3 in einer vertikalen
Richtung Z auf- und
abgleiten kann.
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Unterhalb
des Grundkörpers 3 ist
ein Gewichtskörper 12 angeordnet,
der über
eine Verschraubung und ein Federelement 14 lösbar gegen die
Unterseite des Grundkörpers 3 gedrückt wird.
Gemeinsam mit dem Grundkörper 3 wird
der Gewichtskörper 12 über eine
nicht dargestellte Hubeinrichtung zur Auf- und Abbewegung angetrieben.
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Im
Inneren des Grundkörpers 3 sind
zwei übereinander
angeordnete Klemmsysteme 4 vorgesehen. Jedes Klemmsystem 4 weist
unter anderem wenigstens eine elastisch verformbare Kammer 6 auf.
Bei elastischer Verformung der Kammer 6 ändert sich
deren Abmessung in radialer Richtung, so dass ein Kraftübertragungselement 7 in
Richtung auf die Komponente 2 oder von dieser wegbewegt
wird. Je nach Ausführungsart
der Klemmsysteme 4 und insbesondere in Abhängigkeit
von der Steifigkeit der Kammern 6 und der Fertigungstoleranzen
ergeben sich bei geringer Formänderung
in Z-Richtung große Kräfte in radialer
Richtung, die über
das Kraftübertragungselement 7 auf
die Komponente 2 einwirken können, um eine Relativbewegung
zwischen dem Grundkörper 3 und
der Komponente 2 durch Klemmung zu verhindern.
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Die
Kammern 6 der Klemmsysteme 4 erhalten über eine
Medienzufuhr 8 ein geeignetes Fluid, welches sowohl Druckluft
als auch Hydrauliköl
oder ein sonstiges Fluid sein kann.
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Im
Bereich der innerhalb des Grundkörpers 3 verlaufenden
Medienzufuhr 8 ist ein Ventil 11 vorgesehen, welches über ein
in Z-Richtung bewegbares Betätigungselement 10 betätigbar ist.
Im Beispiel der 1 ist das Betätigungselement 10 als
Teil des Gewichtskörpers 12 ausgebildet.
Das Betätigungselement 10 verschließt die Medienzufuhr 8 dahingehend,
dass das Medium ausschließlich
in die Kammern 6 der Klemmsysteme 4 gelangen kann
und dort einen entsprechenden Druck aufzubauen vermag.
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Die
dargestellte Anordnung des Grundkörpers mit dem unmittelbar daran
anliegenden Gewichtskörper 12 (Position
S1) zeigt das Ventil 11 also in geschlossenem Zustand.
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In 2 ist
die gleiche Anordnung nach einer Störung in der Druckversorgung
der Anlage zu sehen. Durch den Druckabfall sind die Kammern entspannt
und abgeflacht, und bewirken dabei eine radiale Klemmkraft nach
innen auf die Komponente 2. In diesem Zustand ist der Grundkörper 3 gegen
die Komponente 2 geklemmt und lässt sich in Z-Richtung nicht
mehr relativ zu dieser Komponente 2 verschieben.
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Der
an dem Grundkörper 3 anhängende Gewichtskörper 12 hat
sich gegen die Kraft der Feder 14 um das konstruktiv zugelassene
Maß abgesenkt
und wird in dieser Position durch die Verschraubung am Grundkörper 3 gehalten.
Er ist in eine Position S2 abgesetzt und gibt damit die Öffnung des
Ventils 11 frei. Dadurch kann in den Kammern 6 kein
Medium komprimiert werden.
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Unabhängig davon,
ob die Medienzufuhr 8 mit Druck beaufschlagt wird oder
nicht (Systemausfall oder ordnungsgemäße Funktion) kann die Klemmwirkung
nun nicht aufgehoben werden, da das Medium über das geöffnete Ventil 11 entweicht.
Erst unter Bereitstellung von Druckmedium und bei zusätzlicher
Anhebung des Gewichtskörpers 12 bis zum
unteren Anschlag gegen den Grundkörper 3 wird das Ventil 11 wieder
geschlossen, so dass die Kammern 6 druckbeaufschlagt werden
und dabei die Klemmkraft gegen die Komponente 2 reduzieren bzw.
ganz aufheben. Dies kann erfindungsgemäß nur dann erfolgen, wenn die
nicht dargestellte Hubvorrichtung zur Bewegung des Gewichtskörpers und des
Grundkörpers
ordnungsgemäß funktioniert
und ein unkontrolliertes Absenken bzw. Herabfallen des Gewichtskörpers 12 dadurch
ausgeschlossen ist.
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In 3 ist
eine abgewandelte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Gegenüber
der Variante der 1 und 2 ist hier
ein modifiziertes Ventil 11 dargestellt, welches neben
dem Anschluss für
eine Medienzufuhr 8 auch einen Anschluss für eine Medienrückleitung 8' aufweist.
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Das
Betätigungselement 10 ist
dabei als Stößel ausgeführt, der
je nach Position des mit ihm verbundenen Gewichtskörpers 12 die
Medienrückleitung 8' verschließt oder
freigibt. Das Ventil 11 ist dabei so ausgeführt, dass
das verwendete Medium zu keiner Zeit in den Bereich zwischen den
Grundkörper 3 und
den Gewichtskörper 12 austreten
kann. Im standardmäßig vorgesehenen
Betrieb schließt
das Betätigungselement 10 die
Medienrückleitung
gegen die ungewollte Abfuhr von Medium.
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Analog
zur vorbeschriebenen Systemstörung
führt ein
Druckabfall in der Medienzufuhr wieder zur Entspannung der Kammern 6,
wodurch eine Klemmkraft auf die Komponente 2 ausgeübt wird.
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Der
wiederum gegen eine Feder 14 am Grundkörper 3 aufgehängte Gewichtskörper 12 senkt sich
um ein zulässiges
Maß aus
der Position S1 in die Position S2 ab, wie dies in 4 dargestellt
ist. Dabei gibt das Betätigungselement 10 die
Medienrückleitung 8' frei, so dass
ein eventuell wieder hergestellter Druck in der Medienzufuhr über die
Medienrückleitung 8' entspannt wird,
ohne die Kammern 6 der Klemmsysteme 4 zu beaufschlagen.
Insbesondere bei der Verwendung von Hydrauliköl wird das zugeführte Öl also durch
die Medienrückleitung 8' wieder sicher
zurückgeführt.
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Das
derart bereitgestellte Druckmedium kann jedoch die Kammern 6 erst
dann wieder mit Druck beaufschlagen und damit die Klemmung gegen
die Komponente 2 lösen,
wenn das Betätigungselement 10 die
Medienrückleitung 8' wieder verschließt. Zu diesem
Zweck muss wiederum die nicht dargestellte Hubeinrichtung den Gewichtskörper 12 aus
der Position S2 in die Position S1 anheben, um das Ventil 11 in
diesem Sinne zu schließen.
Erst jetzt lässt
sich das Paket aus Grundkörper 3 und
Gewichtskörper 12 wieder
wunschgemäß bewegen.