Kennzahl: Unwucht U und Unwuchtmasse u

Nur um sicher zugehen: Die Unwucht U (Großbuchstabe) ist etwas anderes als die Unwuchtmasse u (Kleinbuchstabe).

Die intuitivste Kennzahl für den Unwuchtzustand eines Rotors ist die Unwuchtmasse u. Mit der Angabe u = 1 Gramm ist direkt klar, dass an einer Stelle des Rotors 1 Gramm zuviel oder zuwenig ist. Leider hat diese direkte Angabe der Unwuchtmasse einen Nachteil: Sie führt leicht zu Missverständnissen. Denn die Wirkung dieser Masse hängt vom Radius ab, auf dem sie sitzt. Je weiter außen am Rotor, desto größer die Fliehkraft und damit die Wirkung. Also sollte man dem Kollegen statt „mach mal 1 Gramm weg“ besser sagen „mach mal 1 Gramm auf dem Radius 100 mm weg“.

Und genau dafür gibt es die Angabe der Unwucht U=u*r. Sagen Sie nun dem Kollegen „mach mal 100 g*mm weg“, dann bohrt er eben 1 Gramm auf 100 mm Radius oder 2 Gramm auf 50 mm Radius weg.

Empfehlung: Wenn beim Radius Interpretationsspielraum ist, dann unbedingt in Unwucht [gmm] kommunizieren. In unserer Lohnwuchtung ist das aus gutem Grund die übliche Einheit.

Falls Sie mehr über U <-> u wissen wollen, dann schauen Sie mal hier rein.

Wie ändert sich die Genauigkeit der Winkelangabe für die Auswuchtanweisung mit der Drehzahl?

Kommt darauf an 😉

Genauer gesagt: Es kommt darauf an, ob Sie mir konstanter Festdrehzahl oder mit variabler Drehzahl („Rampenwuchten„) auswuchten.

Wuchten mit Festdrehzahl

In diesem Fall ist immer mit möglichst genau der Drehzahl auszuwuchten, mit der die Kalibrierung durchgeführt wurde. Je näher die Auswuchtdrehzahl und die Kalibrierdrehzahl liegen, umso genauer wird die Unwuchtmasse und deren Winkel berechnet.

Wie groß der Abstand zwischen Auswuchtdrehzahl und Kalibrierdrehzahl sein darf, wird praktisch ermittelt. Bei unserem Auswuchtsystem stellen Sie beispielsweise auf Dauermessung und variieren langsam die Drehzahl – Sie sehen dann direkt im Polardiagramm die Veränderung des Messwertes.

Übrigens: Falls Sie einen Prüfstand von uns haben, dann haben Sie mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auch unsere Antriebssteuerung eingebaut. Damit können Sie die von Ihnen erlaubte Drehzahlabweichung im Bereich „Arbeitsvorbereitung“ eingeben. Das System startet die Messung dann sobald der erlaubte Drehzahlbereich erreicht ist. In unseren Schulungen und im Consulting unterstützen wir Sie gerne bei der Ermittlung der erlaubten Drehzahlabweichung.

Wuchten im Rampenverfahren, also bei beschleunigendem
oder auslaufendem Rotor

Hier liegt für jede Drehzahl eine optimale Kalibrierung vor. Egal welche Drehzahl Sie verwenden, die Winkelangabe bleibt hochgenau.

Allgemein: Die passende Auswuchtdrehzahl

Es ist sinnvoll vor einer Wuchtung zu überprüfen, ob man bei der gewählten Drehzahl in oder in der Nähe einer Resonanz ist. Denn in diesem Fall macht man sich die Wuchtung unnötig schwer und muss die Drehzahl unnötig genau einhalten. Auch dieses Thema wird in unseren Anwenderschulungen vermittelt.

Breite der Nullmarkierung und Drehzahl

Die Frage nach der Genauigkeit der Winkelangabe für die Wuchtkorrektur wird uns gerne im Zusammenhang mit der Breite der Nullmarkierung gestellt. Falls Sie auch in diese Richtung denken, dann schauen Sie bitte in diesen Artikel rein.

Wenn ich eine Serie wuchte, was ist zu beachten?

Unser Auswuchtsystem wird sehr gerne für die Prototypenwuchtung in Entwicklungsabteilungen und ebenso in der Produktion für die Serienwuchtung verwendet. Beides kennen wir aus unserer PMB-Lohnwuchtung und von den vielen Systemen bei den Anwendern unserer Technologie. Was dabei auffällt:

Die Anforderungen in der Produktionsumgebung sind in vielen Dingen sehr ähnlich zu der Laborarbeit – Genauigkeit und deren Überprüfbarkeit, Flexibilität, einfache Bedienung, das wird in beiden Bereichen gewünscht und bereit gestellt. Natürlich wünschen sich Anwender bei der Serienwuchtung eine Automatisierung wiederkehrender Aufgaben, das ist keine Überraschung.

Interessanter wird es mit dem Thema…

Überprüfbarkeit und Reproduzierbarkeit

Die Überprüfbarkeit der Ergebnisse eines hochpräzisen Auswuchtsystems ist immer wieder ein wichtiges Thema in den Gesprächen mit unseren Kunden. Denn geometrische DImensionen eines Bauteils können einfach nachgemessen werden, die Unwucht nur auf einer Auswuchtanlage. Und da jeder Hersteller solcher Anlagen diesen bestimmte Eigenschaften mitgibt, ist ein direkter Vergleich der Ergebnisse schwierig.

Wie man die Ergebnisse im Einzelfall überprüft führt hier zu weit – dieses Thema gehen wir gerne in unseren Anwenderschulungen an. Denn darin können wir gezielt auf die passenden Vorgehensweisen eingehen. Für die Serienwuchtung ist zusätzlich wichtig:

  • Kalibrierservice für die Elektronik nutzen
    Die verwendeten Gerätschaften sollten regelmäßig (z.B. jährlich) überprüft werden. Wer ISO9001 zertifiziert ist, ist ohnehin dazu angehalten.
    Unsere Messelektronik (PMB-BALANCER…) wird bei der Kalibrierung komplett überprüft und mögliche Einflüsse der Elektronik auf das Ergebnis werden ausgeglichen.
  • Statistiken nutzen, „Augen offen halten“, Kennzahlen verfolgen
    Die statistische Auswertungsfunktion unserer Auswuchtsoftware hilft systematische Abweichungen zu verfolgen. Nimmt die mittlere Eingangsunwucht zu, dann ist das ein wichtiger Hinweis für die vorangehenden Produktionsschritte. Nimmt die Anzahl der Massenkorrekturen je Bauteil zu, dann ist auch das ein Hinweis, das etwas aus dem Ruder läuft. Schulen Sie die Bediener darin sich veränderndes Verhalten der Rotoren nicht einfach hinzunehmen, sondern zu überprüfen und zu melden. Legen Sie einfache Kennzahlen fest, die dem Bediener und Ihnen helfen, ungewollte Zustände rechtzeitig zu erkennen.
  • Kalibrierung regelmäßig kontrollieren
    Das Auswuchten ist immer ein vergleichender Arbeitsschritt. Über die Kalibrierung mit Testmassen wird mit einem Master für die Software ein Zusammenhang zwischen gemessenem Schwingungsbild und Unwuchtzustand hergestellt. Unsere Systeme führen Sie in einfach verständlicher Weise durch den kurzen Prozess der Unwuchtkalibrierung. Diese Kalibrierung wird dann für alle nachfolgenden Werkstücken verwendet und man geht davon aus, dass sich diese auf der Anlage identisch wie der Master verhalten.
    Bei der Serienanwendung empfehlen wir mehrere Master zu haben und diese bei der Kalibrierung miteinander zu vergleichen. Gilt jede Kalibrierung jedes Master auch für die anderen Master, können Sie loslegen. Und um Sicherheit zu schaffen, können wir bei PMB für jeden dieser Master Referenzwerte bestimmen.Sehr wichtig:
    Behandeln Sie Master sorgfältig und speichern Sie nach der Kalibrierung die aktuellen Werte des Masters ab. Legen Sie einen Überprüfungszyklus fest (z.B. alle 10 /100/1000 Werkstücke), in dem der Master zur Vermessung erneut aufgenommen wird. Sind die Werte innerhalb der Toleranz zur Kalibrierung, dann kann die Serie weiterlaufen, ansonsten liegt eine zu ergreifende Maßnahme an.
  • Prozesse davor/danach stabil halten
    Laufen die Prozesse vor dem Auswuchten aus dem Ruder, wird das häufig erst beim Auswuchten bemerkt, denn hier laufen viele der Rotoren das erste mal im Produktionsprozess. Stellt man also beim Auswuchten Abweichungen fest und mit dem Master ist bei einer Überprüfung alles in Ordnung, dann schauen Sie sich unbedingt die Prozesse vor dem Auswuchten an. Wenn Sie beispielsweise auf eine rechnerische Restexzentrizität von wenigen Nanometern auswuchten, dann kann eine Kleinigkeit in der Dreherei in der Auswuchterei zu Auffälligkeiten führen.
  • Dokumentieren Sie!
    Führen Sie im Sinne der Nachverfolgbarkeit Seriennummern ein und speichern Sie zu jedem Wuchtobjekt den Auswuchtverlauf. Dann können Sie im Fall der Fälle nachträglich wertvolle Hinweise zu Ihrem Prozess finden.
  • Pflegen Sie die Mechanik
    Unsere Prüfstände sind robust aufgebaut. Gehen Sie bitte sorgfältig damit um, reinigen Sie regelmäßig oder besser noch nach Bedarf, dann bleibt der Verschleiß gering. Und wenn ein Verschleißteil an seine Grenze kommt, dann tauschen Sie es aus. Abgelaufene Schuhe tauschen Sie ja auch aus ohne Ihre Beine in Frage zu stellen.

Da Auswuchtsysteme meist nur durch sich selbst überprüfbar sind, sind QM und QS in der Auswuchtserie unverzichtbar. Wie Sie das effizient und sicher organisieren, werden wir gerne gemeinsam festlegen – unsere Schulungen und das Consulting leisten das. Das Thema ist komplex und wir unterstützen Sie gerne darin.

Welchen Einfluss hat die Auflagerstelle?

Ein wichtiges Thema, denn hier kann man viel falsch und viel richtig machen:
Welchen Einfluss auf die Vibrationsgüte im Endprodukt haben verschiedener Auflagerstellen beim Auswuchten?

Um die Dinge verständlich zu halten, werden wir ein vereinfachtes Modell benutzen, dem wir dabei einen realen Fertigungsfehler verpassen. Wir betrachten einen Scheibenrotor mit rein statischer Schwerpunktsunwucht (1 Ebenen Unwucht in der Schwerpunktebene, der einfachste Fall). Das Rotorgewicht beträgt 10kg. Die zulässige Restunwucht beträgt 100gmm.

Um einen griffigen Vergleichswert zur Unwucht U=100gmm zu haben, rechnen wir mit folgender einfachen Formel die Exzentrizität aus, die einer solchen Unwucht entspricht:

Formel_e

Hiermit ergibt sich eine erlaubte gedachte Restexzentrizität der Scheibe von 10µm, bezogen auf die tatsächliche Drehachse. 0,01mm Exzentrizität, das ist zu schaffen. Nehmen wir nun an, dass bei der Fertigung eine unvermeidbare Ungenauigkeit aufgetreten ist. Da ist Vieles möglich, zur Verdeutlichung nehmen wir wieder einen einfachsten Fall: Es sei die Welle mei einer leichten Verbiegung eingesetzt worden, siehe Bild.

Exzentrizitaet der Auflagerstelle

Beide Wellenende weisen in diesem Fall eine leichte Schiefstellung auf.  Betrachtet wir nun zwei unterschiedliche Auflagerstellen, Auswuchtlagerung LA außen und als späteren Sitz der Lager die Betriebslagerung LB weiter innen. Und nehmen wir an, dass durch die krumme Welle eine gleichphasige Rundlaufdifferenz von 10µm (Spitze-Spitze) auftritt, also die Rotationsachsen der Lagerstellen A und B eine Exzentrizität von 5µm zueinander haben. Schauen wir jetzt, was das für die folgenden Arbeitsschritte bedeutet:

Auswuchten in Lagerstelle A

Im ersten Schritt wird der Rotor in den Lagerstellen A aufgelagert und auf die geforderte Restunwucht von 100gmm gewuchtet. Die Exzentrizität der momentanen Drehachse (bezogen auf LA) beträgt nun also maximal die erlaubten 10µm (bei 100gmm und 10kg Rotorgewicht).  Der Rotor wird nun auf der Auswuchtanlage als „innerhalb der Spezifikation = i.O“ angezeigt.

Vor Auswuchten: 

Unwucht Lagerstelle A

Nach Auswuchten:

Ausgewuchtet Lagerstelle A

Was bedeutet das kritisch betrachtet für den späteren Einsatz im Gesamtaufbau, einem Ihrer Produkte:

Auflagerung in B nachdem in Lagerstellen A ausgewuchtet wurde

Nach dem Auswuchten wird der Rotor verbaut. Im eingebauten Zustand werden jetzt die Lagerstellen LB verwendet. Wie bereits oben erwähnt, haben wir dadurch eine Verschiebung der Drehachse um 5µm.

Formel_U

Dadurch verändert sich die Unwucht um 50gmm. Im ungünstigsten Fall (mit dem wir immer rechnen müssen) addiert sich diese durch Umlagerung entstandene Unwucht auf die vorhanden Restunwucht von 100gmm. Das bedeutet, der Rotor hätte dann eine Unwucht von 150gmm und liegt somit weit außerhalb der Toleranz, siehe Bild unten. Für Ihr Produkt bedeutet das, das die Schwingungsgüte bei einer erheblichen Anzahl der Produktion deutlich schlechter sein wird, als dies erwartet wird. Also Ausschuss.

Unwucht Lagerstelle B

 

Auflagerungsstelle beim Auswuchten entspricht der Betriebslagerung

Wellen, Rotoren und Montageschritte haben immer kleine Ungenauigkeiten. Das ist unvermeidbar. Und (auch) genau deswegen wird ausgewuchtet. Denn eine gute Auswuchtstrategie beseitigt die Auswirkungen dieser unvermeidbaren Ungenauigkeiten der Mechanik.

Wird der Rotor beim Auswuchten dort aufgelagert, wo er auch im späteren Betrieb gelagert sein wird, werden die Einflüsse der „schiefen“ Welle mit ausgeglichen. Noch besser wäre es, den Rotor im Betrieb im Produkt auszuwuchten – was nicht immer gehen wird. Mit der Auflagerung an den späteren Lagerstellen hat man den besten Kompromiss.

Unwucht Lagerstelle A=B

Ausgewuchtet Lagerstelle A=B

 Zusammenfassung:

  • Der Rotor sollte zur Wuchtung möglichst immer dort aufgelagert werden, wo er auch bei Betrieb gelagert sein wird.
  • Am besten ist eine Auswuchtung in den Lagerstellen, also mit betriebsfertig verbautem Rotor – was bedauerlicherweise nicht immer möglich ist.
  • PMB als Entwickler, Hersteller und erfahrener Anwender von präzisen Auswuchtsystemen leistet wesentlich mehr als viele Lohnwuchter. Wir stellen sicher, dass alles Machbare zur Sicherstellung der Qualität einer Wuchtung unternommen wird. Auch wichtig: Wenn etwas nicht machbar ist, sagen wir Ihnen das und erarbeiten gemeinsam mit Ihnen eine machbare Lösung. Denn selten ist die Realität so einfach wie das Beispiel dieses Eintrages.

Als Nachwort: Falls Sie solche Einflüsse für konstruiert halten und die Auswirkungen kleiner Exzentrizitäten nicht kennen – schauen Sie doch mal in einige der vorherigen Kapitel rein und rechnen Sie die Beispiele dort mit z.B. Turboladern oder anderen schnell drehenden Systemen durch. Bei einer Mikroturbine als Extremfall stellte der Kunde erst bei Restexzentrizitäten im Nanometerbereich gute Schwingungseigenschaften fest. Und wir können das leisten, reproduzierbar und abgesichert.

Wo ist die Null der Winkelzählung? Am Anfang, in der Mitte, am Ende der Markierung?

Auch das sind sehr häufig in Lehrgängen gestellte Fragen:

  • Wenn die Nullmarkierung („Triggerstrich“) verwendet wird, um die Winkellage der Unwucht zu berechnen, muss ich den Triggerstrich dann genau auf meine gewünschte „Null“ setzen?
  • Und wenn ich es ganz genau machen will: Ist dann in Drehrichtung die vordere oder hintere Kante der Markierung die „Null“? Oder die Mitte des Strichs?

Die kurze Antwort für Anwender des PMB Auswuchtsystems: Wo die „Null“ Ihres Rotors ist, legen Sie bei der Kalibrierung fest. Wo die Triggermarkierung ist, ist dabei in sehr vielen Fällen völlig unerheblich.

Das klingt paradox, wo doch nach der Markierung der Ort der Unwucht berechnet wird. Daher erkläre ich hier kurz die Hintergründe, deren Verständnis die Sache enorm erleichtert. Wie angedeutet, gilt das Folgende für das PMB-CAROBA, ob andere Hersteller es auch so flexibel und einfach gelöst haben, will ich hier nicht beurteilen.

Wohin kann ich den Nullpunkt der Winkelzählrichtung auf meinem Rotor legen?

Wohin sie wollen, beliebig auf dem Rotor.

Es bietet sich an einen vorhandenen Nullpunkt (Werkzeugpunkt, Körnung, Beschriftung, Passfedernut…) weiter zu nutzen. Die Messung wird damit zurückverfolgbar und kann zu beliebigen Zeitpunkten mit identischen Festlegungen wiederholt werden.

Sie legen den Nullpunkt bei der Kalibrierung fest, dazu jetzt mehr.

Nullpunkt wird bei Kalibrierung festgelegt!

Der Nullpunkt wird nicht durch die Triggermarkierung, sondern durch die Angabe des Winkels zwischen Kalibriergewicht und Triggermarkierung bei den Kalibrierläufen festgelegt. Das versteht man am schnellsten durch Unterscheidung folgender zwei Fälle:

  • Triggerstrich dort, wo „Null“ sein soll:
    So mache ich es immer, denn es ist am einfachsten. Einfach den Triggerstrich dahin machen, wo die Null sein soll. Beim Kalibrieren bringen Sie dann das Testgewicht „am Strich“ an, geben seine Position mit 0° ein und fertig. Beim Auswuchten werden die Winkel also ab Strich gezählt.
  • Kalibriermasse gegenüber Nullmarkierung verdreht:
    Das kommt beispielsweise vor, wenn man die Kalibriermassen nicht an einer bereits an einem Rotor vorhandenen Null anbringen kann, häufig bei Turboladern. Damit entstehen 2 weitere Fälle:

    • Triggerstrich soll die Null sein:
      Bringen Sie das Kalibriergewicht an und geben Sie in der Software den Winkel zwischen Triggerstrich und der Kalibriergewicht an. Damit rechnet die Software diese Verdrehung heraus und die Auswuchtanweisungen beziehen sich damit direkt auf die Triggermarkierung.
    • Ort des Kalibriergewichts soll die Null sein:
      Bringen Sie das Kalibriergewicht an und tragen Sie bei der Software den Winkel 0° ein. Ab jetzt werden Auswuchtanweisungen auf diesen Nullpunkt bezogen. Das ist praktisch, wenn der Triggerstrich „irgendwo“ ist, man den Winkel zum Kalibriergewicht nicht bestimmen kann oder will.

Ich empfehle entweder den Triggerstrich dorthin zu machen, wo die Null sein soll und auch das Kalibriergewicht dort anzubringen, es ist die einfachste Lösung.

Alternativ kümmern Sie sich einfach nicht um die Triggermarkierung und sagen der Software, das Testgewicht sei bei 0° – dann zählen Sie Winkel ab sofort ab der durch das Testgewicht definierten Null.

Und ist nun eine Kante oder die Mitte des Strichs die Null?

Ganz wie Sie wollen!

Wenn Sie nach einem oben genannten Weg vorgehen, zählen Sie einfach immer ab Mitte des Strichs oder ab Ihrer Lieblingskante. Solange Sie das immer so machen, ist alles in bester Ordnung.

Und wenn ich mehrere Teile zu wuchten habe, muss ich den Strich immer gleich machen?

Ja, falls Sie die Kalibrierung des ersten Werkstücks auch für die folgenden verwenden wollen.Ich gehe darauf in einem anderen Artikel genauer ein, hier als Zusammenfassung:

Der Strich ist die Null: Es reicht in der Praxis aus, wenn die Strichbreite halbwegs identisch machen. Die erste Kalibrierung kann weiter verwendet werden.

Der Strich ist nicht die Null, aber Sie kennen den Winkel zur Null: Machen Sie den Strich immer halbwegs identisch und an halbwegs identische Position. Die erste Kalibrierung kann weiter verwendet werden.

Der Strich ist nicht die Null und „irgendwo“: Ein sehr seltener Fall, bei der PMB-Lohnwuchtung noch nie aufgetreten. Sie müssten für jedes Werkstück neu kalibrieren.

Und nochmal für ganz Sicherheitsbewusste meine Empfehlung gegen Verwirrung mitten im Wuchtprozess: Wenn möglich Strich bei 0° machen, dort kalibrieren und als Winkel bei der Kalibrierung 0° eingeben. Dann ist der Strich der Nullpunkt.

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Nullmarkierung und Phasensignal

Bei meinen Schulungen und Optimierungen an Kundenanlagen werden mir Fragen rund um den Trigger, auch als Phasengeber bezeichnet, recht häufig gestellt. Der Phasengeber liest eine Markierung auf dem Werkstück (z.B. ein Turboläufer) ab und zusammen mit den Schwingungssignalen berechnet das PMB-CAROBA Auswuchtsystem daraus die Unwucht in Betrag und Winkel.

Damit hat der Phasengeber direkten Einfluss in die Qualität der Korrekturanweisung beim Auswuchten. Bei den Details, welche Einstellungen welchen Einfluss auf die Genauigkeit haben, gibt es anscheinend Klärungsbedarf. Glücklicherweise ist das schnell erklärt, denn softwareseitig haben wir von PMB beim Auswuchtsystem CAROBA die wichtigsten Grundlagen für höchste Präzision geschaffen. In den folgenden Artikeln gehe ich auf folgende Fragen ein, folgen Sie einfach den Links:

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Die dynamische Unwucht

Nachdem wir mit Die statische Unwucht und Die Momentenunwucht die Grundkomponenten jeglicher Unwucht betrachtet haben wenden wir uns heute deren Mischformen zu.

Die quasi-statische Unwucht

Quasi-statische Unwucht ist eine spezielle Kombination aus statischer Unwucht und Momentenunwucht. Die Besonderheit, die die quasi-statische Unwucht von der allgemeinen dynamischen Unwucht unterscheidet ist die Lage der statischen und Momentenunwucht zueinander: Beide Komponenten liegen in derselben Längsebene.

Dieser Zustand stellt sich am perfekt ausgewuchteten Rotor ein, wenn eine einzige Unwuchtmasse in einer Radialebene abseits der Schwerpunktebene angebracht wird.

Durch diese Besonderheit lässt sich eine quasi-statische Unwucht durch den Ausgleich in einer Ebene beseitigen.

Die dynamische Unwucht

Dies ist der allgemeinste Begriff der Unwucht. Eine dynamische Unwucht kann aus einer beliebigen Kombination aus statischer und Momentenunwucht bestehen, ohne das dabei bestimmte Beziehungen zwischen den einzelnen Komponenten bestehen müssten.

Der Unwuchtzustand kann immernoch durch eine Kombination aus statischer und Momentenunwucht dargestellt werden. In dem obigen Bild beschreiben die Vektoren Um, -Um und US den Unwuchtzustand des Rotors.

Üblicherweise wird der Unwuchtzustand jedoch durch die Angabe von zwei Unwuchtvektoren in beliebig gewählten Ebenen angegeben. UE1 und UE2 in obiger Abblidung beschreiben den Unwuchtzustand des Rotors genau so akkurat wie die drei Vektoren, die ihn als Kombination aus statischer Unwucht und Momentenunwucht beschreiben.

Die Beschreibung des Unwuchtzustandes durch zwei Vektoren hat einen entscheidenden Vorteil: Sie gibt Anleitung zur Beseitigung der Unwucht durch zwei Massekorrekturen. Dazu müssen nur die Ebenen, in der die Unwucht dargestellt wird in die Ausgleichsebenen gelegt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen:

Da alle Arten der Unwucht letztendlich nur Sonderfälle der dynamichen Unwucht sind wird klar: Jeder Unwuchtzustand kann durch zwei Unwuchtvektoren dargestellt und ausgeglichen werden.