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Verfahren und Vorrichtung zum Festziehen einer Mutter-
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Gewindebolzen-Verbindung Gewindebolzen-Verbindung Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Anziehen einer Mutter-Gewindebolzen-Verbindung mit einer die Beanspruchung
anzeigenden Mutter und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Es ist bestens bekannt und anerkannt, daß es zur Erzielung einer maximalen
Wirksamkeit einer Schraube-Mutter-Befestigung notwendig ist, die Mutter in einem
solchen Ausmaß anzuziehen, daß die im Schraubenschaft erzeugte Spannung einen gewissen
vorbestimmten Minimalwert erreicht und vorzugsweise übertrifft. Dies ist besonders
wichtig bei gewissen Anwendungen, wie hochwiderständigen Schraubenverbindungen und
ebenso in Schrauben- und Mutter-Befestigungen, die auf dem Gebiet der Flugzeuge
und Kraftfahrzeuge benutzt werden, wo
es wichtig ist, sicherzustellen,
daß die Schraube-und Mutter-Verbindungen richtig befestigt werden, und daß keine
Lockerung der Verbindung unter den Arbeitsbedingungen auftritt, bei denen die 6chraube-Mutter-Verblndung
Schwingungen oder anderen Wechselbeanspruchunfen ausgesetzt ist.
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Es gibt Vorschläge für gewisse Formen von Muttern und Unterlegscheiben,
die als "belastungsanzeigende Muttern oder Unterlegscheiben' bezeichnet werden,
wobei die Mutter oder Unterlegscheibe derart geformt ist, daß ein Teil oder Teile
der Mutter oder Unterlegscheibe plastisch deformiert werden, wenn sie in einer Schraube-
und Mutter-Verbindung befestigt werden, und wenn die Spannung im Schraubenschaft
einen vorbestimmten Minimalwert erreicht oder übertrifft, wobei die Deformierung
derart ist, daß sie eine meßbare Anzeige in der Weise ergibt, daß festgestellt werden
kann, ob die erwünschte Minimalspannung im Schraubenschaft erreicht oder übertroffen
wurde.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Typ einer belastungsanzeigenden
Mutter oder Unterlegscheibe, bei der die oben erwähnte Deformierung in einer Bewegung
eines Teils der Mutter oder Unterlegscheibe gegen die Auflagefläche resultiert,
gegen die eine Mutter anzuziehen ist.
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Im Falle einer belastungsanzeigenden Mutter kann die Auflagefläche
die Fläche des Werkstückes sein oder aber -wenn sich eine normale belastungsaufnehmende
Unterlegscheibe unter der Mutter befindet - kann die Auflagefläche die äußere Fläche
der Unterlegscheibe sein. Ähnlich kann im Fall der Benutzung einer belastungsanzeigenden
Unterlegscheibe mit einer herkömmlichen Mutter die Auflagefläche die Fläche des
Werkstückes, oder wenn eine übliche, belastungsaufnehmende Unterlegscheibe unter
der belastungsanzeigenden Scheibe benutzt wird, dann die Auflagefläche
die
äußere Fläche einer solchen belastungsaufnehmenden Unterlegscheibe sein.
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Zur Terminologievereinfachung besitzt sich im folgenden der Ausdruck
"belastungsanzeigende Mutter" entweder auf eine belastungsanzeigende Mutter als
solche oder eine belastungsanzeigende Unterlegscheibe als solche, außer wenn der
Zusammenhang dies anders spezifiziert. Also bezeichnet der Ausdruck "belastungsanzeigende
Mutter der spezifizierten Art" eine belastungsanzeigende Mutter oder eine belastungsanzeigende
Unterlegscheibe der oben definierten Art.
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Ein Beispiel für eine belastungsanzeigende Mutter dieser Art ist in
der GB-PS 1 370 792 beschrieben, in der der Teil der Mutter, der eine plastische
Deformation erleidet, ein ringförmiger Flansch am Ende der Mutter ist, der auf der
Auflagefläche aufliegt. Wenn eine solche plastische DeformatIon eintritt, tritt
eine Reduzierung der gesamten axialen höhe der Mutter auf, die zwischen einem Datenpunkt
auf dem Mutterkörper und der Auflagefläche, gegen welche die Mutter angezogen wird,
gemessen wird. Jedoch erfordert diese Mutterart eine Prüfung, ob der gewünschte
Deformationsbetrag eingetreten ist, und dies erfordert einen getrennten Untersuchungsvorgang
unter Benutzung einer Eichvorrichtung wie einer "Takt-Eichung, wie sie in der oben
erwähnten Patentschrift beschrieben ist. Andere Vorschläge im Zusammenhang mit diesen
Arten von belastungsanzeigenden Muttern und belastungsanzeigenden Unterlegscheiben
erfordern auch im allgemeinen eine nachfolgende Untersuchung und Prüfung in Form
irgendeiner Messung.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Befestigen
einer Schraube-Mutter-Verbindung anzugeben, bei dem eine belastungsanzeigende Mutter
in der Verbindung
benutzt wird, um sicherzustellen, daß die gewünschte
Minimalspannung im Schraubenschaft erreicht oder übertroffen wird und der Schraubenschaft
richtig angezogen wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Beaufschlagung der
Mutter mit einem Befestigungsdrehmoment, während gleichzeitig an die Mutter Detektormittel
angelegt werden, die auf eine Abstandsveränderung zwischen zwei vorgewählten Datenpunkten
auf der Mutter ansprechen, und durch fortgesetzte Aufbringung des Befestigungsdrehmoments,bis
die Detektormittel auf eine Abstandsveränderung um einen vorbestimmten Wert zwischen
den Datenpunkten reagiert haben.
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Wird eine belastungsanzeigende Unterlegscheibe mit einer herkömmlichen
Mutter in einer Schrauben-Mutter-Verbindung benutzt, so ist der Ausdruck "Mutterkörper"
im Vorangehenden und in den anschließenden Ansprüchen in diesem Sinne zu verstehen.
Der "Mutterkörper" kann der Körper der Unterlegscheibe sein, wobei dann die beiden
oben erwähnten Datenpunkte sich auf der Unterlegscheibe selbst befinden, oder aber
die beiden Datenpunkte sind zum einen auf dem Körper der herkömmlichen Mutter und
zum anderen auf der belastungsanzeigenden Unterlegscheibe vorhanden, wobei dann
die kombinierte Einheit aus der herkömmlichen Mutter und der belastungsanzeigenden
Unterlegscheibe als "Mutterkörper" zu betrachten ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer
Vorrichtung zur Ausführung des oben erwähnten Verfahrens.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch vom Hauptkörper des Schraubenschlüssels
gehaltene Detektormittel mit zwei relativ zueinander beweglichen Detektorteilen,
von denen zumindest eines am Körper der belastungsanzeigenden Mutter angreift,
wobei
die Detektorteile in vorbestimmten Relativstellungen zueinander gehalten werden,
wenn die Mutter anfänglich gegen eine Auflagefläche festgehalten wird; und eine
vom Hauptkörper des Schraubenschlüssels gehaltene Signaleinrichtung, die mit den
Detektormitteln wirksam verbunden ist und die Erzeugung eines Signals bewirkt, wenn
ein Wechsel vorbestimmten Wertes in der Relativstellung der beiden Detektorteile
durch weiteres Festziehen der Mutter über die anfängliche Befestigung hinaus aufgetreten
ist.
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Die beiden Detektorteile können am Körper der belastungsanzeigenden
Mutter an relativ abständigen Stellen angreifen oder im Fall der Benutzung einer
belastungsanzeigenden Unterlegscheibe mit einer herkömmlichen Mutter kann ein Detektorteil
der herkömmlichen Mutter angreifen, während der andere Detektorteil an der belastungsanzeigenden
Unterlegscheibe angreift, anstatt daß beide Teile am Körper der belastungsanzeigenden
Unterlegscheibe an zueinander abständigen Stellen angreifen. Jedoch wurde in der
Praxis als geeigneter festgestellt, den Schraubenschlüssel so herzustellen, daß
ein Detektorteil auf der Auflagefläche aufliegt, während der andere Detektorteil
am Körper der belastungsanzeigenden Mutter anliegt.
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"Anfängliche Befestigung" der Mutter meint die Stelle, die erreicht
wird, wenn die Mutter bis zum Ende der Schraube heruntergeschraubt und so befestigt
wurde, daß jegliches "Spiel" aufgehoben ist und die Mutter die Stelle erreicht hat,
nach der ein weiteres Festziehen eine Spannung im Schraubenschaft erzeugen würde.
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Obwohl di.e Erfindung auch auf von Hand betätigte Schraubenschlüssel
angewandt werden kann, ist vorgesehen, daß die Erfindung in der Praxis ihre verbreiteteste
Anwendung der antriebbetätigten Schraubschlüsseln findet. Eine bevorzugte
Anzeigeeinrichtung
ist eine elektrische, die Mittel wie einen Mikroschalter enthält, der einen elektrischen
Stromkreis derart steuert, daß auf Betätigung der Signaleinrichtung hin der Mikroschalter
einen elektrischen Stromkreis öffnet oder schließt oder ein Signal über einen elektrischen
Stromkreis aussendet, um Mittel zu betätigen, welche die positive Anzeige geben,
daß die Mutter richtig befestigt ist. Solche positiven Anzeigen können in der Herstellung
eines Hör- oder Sichtsignals bestehen oder aber in einer bevorzugten Ausführungsform
in der Unterbrechung der Spannungsquelle für einen spannungsbetätigten Schraubenschlüssel.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt: Fig. t einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Schraubenschlüssel, der am Betätigungsende eines normalen,
kraftbetätigten Schraubenschlüssels befestigt ist; und Fig. 2 einen Schnitt entlang
der Linie 2-2 in Fig. 1.
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In Fig. 1 bezeichnet 10 das Vorderende eines üblichen, kraftbetätigten
Schraubenschlüssels, wie eines luftbetätigten Schraubenschlüssels. Am Ende erstreckt
sich ein Ansatz 11 im rechten Winkel zur Normalachse des Hauptkörpers des Schraubenschlüssels.
Von diesem Ansatz erstreckt sich der drehende Schraubenschlüsselteil 12, der normalerweise
ins Lager eines Schraubenschlüsselteils eingepaßt wird, um ein Befestigungsdrehmoment
auf gewöhnliche Muttern in der üblichen Weise auszuüben. Der erfindungsgemäße Schraubenschlüssel
ist allgemein mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet.
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Er ist am Ansatz 11 des üblichen Schraubenschlüssels befestigt. Der
Schraubenschlüssel 13 ist so gezeigt, wie er
zur Befestigung einer
belastungsanzeigenden Mutter 14 gegen eine Auflagefläche 15 angelegt ist. Die belastungsanzeigende
Mutter 14 ist eine der oben spezifizierten Art, wie beispielsweise eine Mutter mit
einem Grundflansch 16, der eine plastische Deformation erleidet, wenn die Mutter
14 angezogen wird, um eine Spannung im Schraubenschaft der vollständigen Schraube-Mutter-Verbindung
zu erzeugen.
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Der Schraubenschlüssel 13 besitzt ein äußeres Zylindergehäuse 17,
an dessen unterem Ende eine koaxial angeordnete Haltehülse 18 befestigt ist, die
im Vergleich zum Gehäuse 17 einen verminderten Durchmesser besitzt. An seinem oberen
Ende ist das Gehäuse 17 an einem zylindrischen Kragen 18 befestigt, der gleitend
um den Ansatz 11 des üblichen Schraubenschlüssels angreift. Das Gehäuse 17 ist am
Vorderende 10 des üblichen Schraubenschlüssels durch einen Bügel befestigt, wobei
der Teil eines seiner Schenkel bei 39 gezeigt ist. Der Bügel ist am Vorderende 10
des üblichen Schraubenschlüssels durch eine Rändelschraube 40 befestigt.
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Die Befestigung ist derart, daß das Gehäuse 17 an einer Drehung relativ
zum Ansatz 11 gehindert wird, aber zu einer axialen Gleitbewegung relativ zum Ansatz
11 imstande ist.
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Das Gehäuse 17 bildet einen Teil des oben erwähnten Detektormittels.
Das untere Ende der Haltehülse 18 bildet einen der oben erwähnten beiden Detektorteile.
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Innerhalb des Gehäuses 17 ist der Hauptkörper 20 koaxial angeordnet.
Der Hauptkörper 20 besitzt allgemein eine Zylinderform und hat an seinem oberen
Ende ein axial ausgerichtetes Lager nichtkreisförmigen Querschnittes, um nicht drehbar
mit dem Schraubenschlüsselteil 12 in Eingriff zu kommen, der sich vom Ansatz 11
des herkömmlichen Schraubenschlüssels erstreckt. Auf diese Weise wird der Hauptkörper
20 gedreht. An seinem unteren Ende besitzt der Hauptkörper 20 einen Axialansatz
21 ebenso von nichtkreisförmigem
Querschnitt, um nicht drehbar
mit der Öffnung des entsprechenden Querschnitts im oberen Ende eines Lagerteils
22 eines herkömmlichen Schraubenschlüssels in Eingriff zu kommen. Der Lagerteil
22 kommt an seinem unteren Ende mit der Mutter 14 in Eingriff, um auf sie das anziehende
Drehmoment auszuüben.
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Der Hauptkörper 20 besitzt einen länglichen Schlitz 23, der sich diametral
durch ihn und über einen wesentlichen Teil des Mittelabschnitts seiner Länge erstreckt.
Im Schlitz 23 ist gleitend ein Halter 24 für einen Mikroschalter 41 befestigt. Der
Halter 24 besteht aus auf Abstand stehenden Seitenplatten, die an ihren oberen Enden
durch einen Steg 25 und an ihren unteren Enden durch einen mit einem Innengewinde
versehenen Block 26 verbunden sind.
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Das obere Ende des Schlitzes 23 steht mit einem sich axial erstreckenden,
mit einem Innengewinde versehenen Loch in Verbindung, in das eine Schraube 26A eingeschraubt
ist. Eine Feder 27 ist zwischen dem inneren Ende der Schraube 26A und der oberen
Fläche des Stegs 25 angeordnet, um den Halter 24 des Mikroschalters 41 in Beziehung
zum Hauptkörper 20 nach unten zu drücken.
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An seinem unteren Ende steht der Schlitz 23 mit einer sich axial erstreckenden
Öffnung mit kreisförmigem Querschnitt in Verbindung, die sich durch den Boden des
Ansatzes 21 erstreckt. In dieser öffnung ist gleitend ein Stab 28 angebracht, der
an seinem oberen Ende durch Schraubengewinde mit dem Block 26 in Eingriff steht.
An seinem unteren Ende ist der Stab 28 als ein teilweiser zylindrischer Schuh 29
ausgebildet, der an der oberen Endfläche der Mutter 14 angreift, wenn der Schraubenschlüssel
13 in Stellung ist.
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Der Schuh 29 bildet den zweiten Detektorteil des Detektormittels.
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Ebenso ist innerhalb des Gehäuses 17 ein ringförmiger Flansch 30 am
Hauptkörper 20 befestigt. Weiter abwärts innerhalb des Gehäuses 17 ist ein weiterer
ringförmiger Flansch 31 gleitend um den Hauptkörper 20 angebracht. Eine Spiralfeder
32 ist mit ihren Enden an den ringförmigen Ansätzen der beiden Flansche 30 und 31
angeordnet und erstreckt sich zwischen den beiden Flanschen. Die Unterseite des
unteren Flansches 31 trägt einen selbstschmierenden Haltering 32A, der auf dem oberen
verbreiterten Ende der Haltehülse 18 aufliegt.
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Der ringförmige Flansch 31 hat an zwei gegenüberliegenden Stellen,
die mit dem Schlitz 23 ausgerichtet sind, ein Paar Ausnehmungen. Die Enden eines
Riegels 33 sind in diesen Ausnehmungen befestigt, so daß der Riegel 33 sich durch
den Schlitz 23 und damit diametral durch den Hauptkörper 20 erstreckt.
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Am oberen Ende des Hauptkörpers 20 ist eine Hülse 34 angebracht, die
aus elektrisch isolierendem Material (z.B.
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Nylon) gebildet ist. Die Hülse 34 dreht sich mit dem Hauptkörper 20,
wenn dieser vom Schraubenschlüssel 10 angetrieben wird. In den Umfang der Hülse
34 sind drei abständige Metallringe 35 aus elektrisch leitendem Material eingesetzt.
Die Metallringe 35 dienen als Bürstenringe 35 zum Leiten elektrischen Stromes,wie
im folgenden erklärt wird. Die Hülse 34 dreht sich in einem Zylinderglied 36, das
ebenfalls aus elektrisch leitendem Material ausgebildet ist. An einem Ende hat das
Zylinderglied 36 drei Radialbohrungen 37 für die Aufnahme von Bürstenhaltern, die
Bürsten besitzen, um elektrische Verbindungen mit den Bürstenringen 35 herzustellen.
Die Bürstenhalter (nicht gezeigt) in den Radialbohrungen 37 sind mit einem Längsschlitz
38 im äußeren Gehäuse ausgerichtet. Ein einziges Kabel (nicht gezeigt), das die
Leitungen von den Bürstenhaltern
führt, stellt die Verbindung
zu einem elektrischen Steuerkreis her, auf den im folgenden hingewiesen wird.
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Mittels Befestigung an einer der Seitenplatten 24 wird innerhalb des
Halters 24 des Mikroschalters 41 ein umstellbarer Mikroschalter 41 gehalten. Geeignete
elektrische Leitungen (nicht gezeigt) führen vom Mikroschalter 41 aufwärts durch
den Kanal des Hauptkörpers 20 und stehen in elektrischer Verbindung mit den Innenflächen
der drei Bürstenringe 35.
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Ein Betätigungsstößel, der sich von der Basis des Mikroschalters aus
erstreckt, steht mit dem Riegel 33 in Eingriff, der sich durch den Schlitz 23 erstreckt.
Der Bewegungsabstand des.Stößels zur Betätigung der Kontakte des Mikroschalters
41 kann durch den nachfolgend beschriebenen Mechanismus eingestellt werden.
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An seinem oberen Ende und unter dem mit einem Gewinde versehenen Teil
des Stabes 48 ist an diesen eine Einstellmutter 42 angebracht, die, wie in Fig.
2 qezeigt ist, ein geriffeltes oder gezacktes äußeres Rad.besitzt, damit ein Paar
federbeaufschlagter Anschläge 43 angreifen können. Die Anschläge 43 kommen in Eingriff
durch die oberen Enden eines Paars Blattfedern 44, die in sich axial erstreckenden
Kanälen in der Außenwand des Hauptkörpers 20 eingesetzt sind und an ihrem unteren
Ende am Hauptkörper 20 durch geeignete Schrauben befestigt sind.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, stehen sich die Anschläge 43 nicht diametral
gegenüber, sondern liegen so auf Linien unter einem stumpfen Winkel , so daß der
andere Anschlag 43 am äußeren Ende eines Zahnes anschlägt, wenn ein Anschlag 43
mit einem Tal zwischen zwei Zähnen der Einstellmutter 42 in Eingriff steht. Der
Zweck dieser Anordnung der Anschläge 43 besteht darin, eine gesteuerte stufenweise
Drehbewegung
zu ermöglichen, die dem Stab 28 durch Drehen des als Schuh 29 ausgebildeten Endes
erteilt wird. Derart kann mittels der Schraubengewinde-Verbindung zwischen dem oberen
Ende des Stabs 28 und dem Block 26 der Halter 24 des Mikroschalters 42 aufwärts
oder abwärts in bezug auf den Stab 28 bewegt werden, wodurch der Abstand eingestellt
wird, den der Stößel des Mikroschalters 41 sich bewegen muß, um die Kontakte des
Mikroschalters 41 zu betätigen. Es ist zu betonen, daß der Betrag der Bewegung des
Stößels sehr gering ist, und zwar in der Größenordnung weniger Tausendstel eins
.Inch (bzw. eines cm).
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Der Mikroschalter 41 kann als einfacher Ein/Aus-Schalter benutzt werden,
wobei dann nur zwei der Bürstenringe 35 benutzt werden. Oder der Mikroschalter 41
kann als Umstellschalter benutzt werden, und alle drei Bürstenringe 35 werden genutzt.
Welcher Benutzungsgrad auch angenommen wird, die Wirkung des Mikroschalters 31 bewirkt
Unterbrechen eines elektrischen Stromkreises oder die Erzeugung eines Signals in
einem elektrischen Stromkreis, der den Mikroschalter 41 enthält. Dies wiederum kann
mittels eines allgemein bekannten Mechanismus benutzt werden, um die Spannungsquelle
vom Schraubenschlüssel 10 abzuschalten und/ oder eine Signallampe aufleuchten zu
lassen oder ein hörbares Signal zu bewirken. Zusätzlich kann das Signal des Mikroschalters
41 in einem Computerspeicher zusammen mit dem Datum, Zeit oder anderen Daten eingespeist
werden, um eine Aufzeichnung jeder Mutterbefestigung während eines Arbeitstages
zu ergeben und so jede Mutter mit einem bestimmten Posten oder einer hergestellten
Einheit in Beziehung zu setzen. Dies schafft eine Lösung für die wachsenden Erfordernisse
einer vollständigen Überwachung und Aufzeichnung der Befestigungsvorgänge auf einem
Gebiet, wo sichere und wirksame Schraubenverbindungen notwendig sind.
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In der Stellung der in der Fig. 1 der Zeichnung gezeigten Teile wurde
die Mutter 14 anfänglich befestigt. Bei an sie angelegtem Schraubenschlüssel steht
die Hülse 18 in Kontakt mit der Auflagefläche 15 und der Schuh 29 mit der oberen
Fläche der Mutter 14. In dieser Stellung ist die Beziehung zwischen dem Betätigungsstößel
des Mikroschalters 41 und dem Riegel 33 derart, daß der Stößel sich über eine gewisse
Entfernung (beispielsweise 0,015 Inch bzw. 0.038 cm) bewegen muß, um die Kontakte
des Mikroschalters 41 zu betätigen. In Abhängigkeit von der Größe und der Belastungsfähigkeit
der zu befestigenden Mutter 14 kann die gerade erwähnte Bewegungsentfernung durch
Drehung des Stabs 28 -wie oben beschreiben - eingestellt werden, um die Beziehung
zwischen dem Mikroschalter 41 und dem Riegel 33 einzustellen.
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Wegen des Aufliegens der Hülse 18 auf der Auflagefläche 15 wird der
Riegel 33 in einer festen Stellung in bezug auf die Auflagefläche 15 gehalten. Wenn
weiteres Drehmoment durch den Schraubenschlüssel nach der Anfangsbefestigung ausgeübt
wird, erzeugt diese Ausübung eine Spannung im Schraubenschaft und eine plastische
Deformation des Grundflansches 16 der Mutter 14 mit dem Ergebnis, daß der Hauptkörper
20 und der Schuh 29 am Boden des Stabes 28 sich abwärts bewegen wegen des Abfalls
der Gesamthöhe des Körpers der Mutter 14, so daß der Halter 24 des Mikroschalters
41 ebenso abwärts bewegt wird, wobei er den Mikroschalter 41 mit sich nimmt, bis
der vorbestimmte Abstand von beispielsweise 0,015 Inch (0.038 cm) durchlaufen wurde,
worauf der Mikroschalter 41 betätigt wird.
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Wenn die gewünschte Minimal spannung im Schraubenschaft erzeugt wurde
und eine plastische Deformation des Grundflansches 16 beginnt, tritt ein plastisches
Fließen des Metalls bei im wesentlichen konstanter Belastung auf und die Befestigung
kann weitergeführt werden, bis irgendein Punkt
in dem Bereich erreicht
ist, in dem diese plastische Deformation bei im wesentlichen konstanter Belastung
fortdauert. Auf diese Weise besteht ein weitgehender Grad von verfügbarem Spielraum
für den Arbeiter, zu gewährleisten, daß er die Mutter so befestigt hat, daß die
gewünschte Spannungsbeanspruchung im Schraubenschaft erreicht und übertroffen ist.
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Nach Beenden des Befestigens kann die Mutter 14 zusätzlich mittels
einer Meßeinrichtung geprüft werden.