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Kraftübertragungseinrichtung für Schiffsantrieb Die Erfindung bezieht
sich auf eine Kraftübertragungseinrichtung für den Antrieb von Schiffen durch Dampf-
oder Gasturbinen, wobei es sich um eine Kraftübertragungseinrichtung derjenigen
Bauart handelt, bei welcher zwischen einer durch die Turbine angetriebenen Welle
und der Schraubenwelle je ein Kraftübertragungsweg für den Vorwärts- und für den
Rückwärtsantrieb vorgesehen ist, und wobei jeder dieser Kraftübertragungswege eine
regelbare hydraulische Turbokupplung umfaßt. Unter dem Ausdruck »regelbar« wird
hier verstanden, daß die Arbeitskammer der betreffenden Turbokupplung gefüllt bzw.
entleert werden kann, derart, daß sich der in der Kupplung auftretende Schlupf verändern
läßt. Dies kann: stufenlos oder aber in einer oder mehreren Stufen und beispielsweise
mittels verstellbarer Schöpfrohre erfolgen.
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Bei einer solchen bekannten Kraftübertragungseinrichtung wird die
Arbeitskammer einer Kupplung, d. h. der Kupplung für den Vorwärtsantrieb oder der
»Vorwärtskupplung«, gefüllt, um den Vorwärtsantrieb zu bewirken, während die Arbeitskammer
der Kupplung für den Rückwärtsantrieb oder der »Rückwärtskupplung« wenigstens so
weit entleert wird, daß die Rückwärtskupplung nicht in der Lage ist, ein bemerkbares
Drehmoment zu übertragen. Für den Rückwärtsantrieb wird die Arbeitskammer der Rückwärts-Turbokupplung
gefüllt, und die Arbeitskammer der Vorwärts-Turbokupplung wird wenigstens so weit
entleert, daß sie nicht in der Lage ist, ein bemerkbares Drehmoment zu übertragen.
Während des Überganges vom Vorwärtsantrieb auf den Rückwärtsantrieb wird das von
der Turbine entwickelte Drehmoment dazu verwendet, die Schraubenwelle zum Stillstand
zu bringen und sie dann in der entgegengesetzten Drehrichtung anzutreiben. Während
derjenigen Zeitspanne, während welcher sich das Schiff infolge seiner Massenträgheit
weiter vorwärts bewegt, d. h. während einer Zeitspanne, die bei vielen Schiffen
länger ist als ½ Minute, wirkt das Drehmoment der Turbine dem Drehmoment entgegen,
das durch die sich weiterdrehende Schiffsschraube hervorgerufen wird.
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Die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik einer Turbine ist derart, daß
das durch die Turbine gelieferte Drehmoment dann, wenn die Zufuhr von Dampf oder
Gas aufrechterhalten wird, hoch ist, wenn die Turbinendrehzahl durch die Last herabgesetzt
wird, und daß sich das Drehmoment vermindert, wenn die Drehzahl der Turbine infolge
einer Verringerung der Last ansteigt. Um die Schraubenwelle schnell zum Stillstand
zu bringen und dann in entgegengesetzter Drehrichtung anzutreiben, muß die Turbine
an einem Punkt der Charakteristik arbeiten, bei dem die Turbine nahezu zum Stillstand
kommt, da sich hierbei das Drehmoment einem Maximum nähert. Die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik
einer Turbokupplung, z. B. im vorliegenden Falle der Rückwärtskupplung, ist derart,
daß man bei gefüllter Arbeitskammer das maximale Drehmoment dann erhält, wenn der
Schlupf in der Größenordnung von 1000/o liegt, d. h. wenn die Krafteinleitungswelle
der Kupplung festgehalten wird und wenn der Läufer der Kupplung infolge der weiteren
Vorwärtsdrehung der Schiffsschraube während der anhaltenden Vorwärtsbewegung des
Schiffes in einer Drehrichtung umläuft, die der normalen Drehrichtung der Krafteinleitungswelle
entgegengesetzt ist. Das Drehmomentübertragungsvermögen der Turbokupplung vermindert
sich, wenn der Schlupf den Wert von 1000/o übersteigt, d. h. wenn sich der antreibende
Teil der Kupplung und der Läufer in entgegengesetzten Richtungen drehen, und das
Drehmomentübertragungsvermögen geht auf ein Minimum zurück, wenn der Schlupf etwa
2000/o beträgt, wie es der Fall wäre, wenn die Krafteinleitungswelle der Turbokupplung
durch die Turbine in deren normaler Drehrichtung angetrieben würde und wenn die
Abtriebswelle der Kupplung infolge der anhaltenden Vorwärtsdrehung der Schraube
mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung angetrieben
würde. Ein Schlupf von etwa 2000/o würde außerdem der vollen Turbinendrehzahl entsprechen,
so daß das zum Stillsetzen und Umkehren der Drehrichtung der Schraubenwelle verfügbare
Turbinendrehmoment- erheblich kleiner ist, als es der Fall wäre, wenn die Antriebsleistung
der Turbine durch eine Turbokupplung mit einem höheren Drehmomentübertragungsvermögen
übertragen würde, z. B. durch eine Turbokupplung größerer Abmessungen mit den einer
solchen Kupplung anhaftenden Nachteilen.
Ferner ist die sich entwickelnde
Wärme zu berücksichtigen, denn die mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl laufende
Turbine treibt den Antriebsteil der Rückwärts-Turbokupplung in der einen Richtung
mit hoher Drehzahl an, und die sich in Vorwärtsrichtung drehende Schiffsschraube
treibt den Kupplungsläufer mit hoher Drehzahl in der entgegengesetzten Richtung
an, was zur Folge hat, daß die in der Rückwärts-Turbokupplung bei 2000/o Schlupf
je Zeiteinheit entwickelte Wärmemenge doppelt so groß ist wie diejenige je Zeiteinheit
entwickelte Wärmemenge, welche der durch die in Vorwärtsrichtung umlaufende Schraube
an den Läufer der Rückwärtskupplung abgegebenen Nettoleistung entspricht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schwierigkeiten zu überwinden,
die sich in der angegebenen Weise aus der Herabsetzung des Schiffsschraubenbremsdrehmoments
und aus der übermäßigen Wärmeentwicklung ergeben, wenn man vom Vorwärtsantrieb auf
den Rückwärtsantrieb oder umgekehrt vom Rückwärtsantrieb auf den Vorwärtsantrieb
übergeht.
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Da das von einer Turbokupplung entwickelte Drehnioinent normalerweise
bei einem Schlupf in der Nähe von 100% ein Maximum erreicht, würde die auf die Schraubenwelle
ausgeübte Bremswirkung sehr viel größer sein, wenn die Krafteinleitungswelle der
Rückwärtskupplung zum Stillstand gebracht würde, als es unter Bedingungen der Fall
wäre, bei denen eine Annäherung an einen Schlupf von 2000/o erfolgt, und ; ferner
würde die Wärmeentwicklung in der Turbokupplung bei stillgesetzter Krafteinleitungswelle
erheblich geringer sein als bei einem Schlupf von 2000/o, nenn man außerdem berücksichtigt,
daß sich die Zeit, während welcher Wärme erzeugt wird, infolge der wirksameren Abbremsung
der Schraubenwelle bei einem Schlupf von 1000/o in der Turbokupplung verkürzt.
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Es liegt auf der Hand, daß die vorstehend getroffenen Feststellungen
bezüglich der Bremswirkung der Rückwärtskupplung und der Wärmeentwicklung beim Übergang
vom Vorwärtsbetrieb auf den Rückwärtsbetrieb auch für die Bremswirkung der Vorwärtskupplung
und die in ihr stattfindende Wärmeentwicklung während des Überganges vom Rückwärtsbetrieb
auf den Vorwärtsbetrieb gilt.
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Gemäß der Erfindung wird die Kraftübertragungseinrichtung daher mit
einer Rückdrehsperre ausgerüstet, die beim Umsteuern der Drehrichtung der Schiffsschraube
ein Rückwärtsdrehen des Antriebsteils (Pumpenrades) der Turbokupplung verhindert.
Da die Kraftabgabewelle der Turbine unmittelbar oder über Zahnräder mit den Krafteinleitungswellen
der Vorwärts- und Rückwärts-Turbokupplungen gekuppelt ist, kann jede dieser Wellen,
d. h. die Kraftabgabewelle der Turbine und die Krafteinleitungswellen der beiden
Kupplungen oder jede Welle, die durch Zahnräder zwangläufig mit diesen Wellen verbunden
ist, als Krafteinleitungswelle der Kraftübertragungseinrichtung betrachtet werden,
und bei den Mitteln, die erforderlichenfalls dazu dienen, eine Rückwärtsdrehung
des Antriebsteils der Vorwärtskupplung zu verhindern, kann es sich um die gleichen
Mittel handeln, die dazu verwendet werden, erforderlichenfalls eine Rückwärtsdrehung
des Antriebsteils der Rückwärtskupplung zu verhindern, und es kann vorgesehen sein,
daß diese Mittel auf die erwähnte Krafteinleitungswelle wirken.
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Ein zweckmäßiges, selbsttätig wirksam werdendes Mittel. um eine Rückwärtsdrehung
der erwähnten Krafteinleitungswelle zu verhindern, ist eine in nur einer Richtung
wirksame selbstschaltende Synchronkupplung, bei der die Anordnung so getroffen ist,
daß einer der Kupplungsteile festgehalten wird, damit die Kupplung während der normalen
Vorwärtsdrehung der Kraftabgabewelle der Turbine ausgerückt ist, jedoch eingerückt
wird, um die erwähnte Krafteinleitungswelle stillzusetzen, wenn letztere das Bestreben
zeigt, ihre Drehrichtung umzukehren.
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Wenn die Geschwindigkeit des Schiffes nach dem Umsteuern der Kupplungen
in genügendem Maße abgenommen hat, d. h. wenn das Drehmoment an der Schraubenwelle
unter dasjenige Drehmoment gesunken ist, das die Turbine entwickeln kann, kann man
die zunächst. herabgesetzte Turbinenleistung steigern, um zu bewirken, daß sich
die Krafteinleitungswelle in der normalen Drehrichtung dreht, damit das Stillsetzen
der Schraubenwelle zu Ende geführt und die Umkehrung ihrer Drehrichtung bewirkt
wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Kraftübertragungseinrichtung
gemäß der Erfindung: Fig. 2 ist eine Stirnansicht eines Teils der in Fig. 1 dargestellten
Zahnradanordnung Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer Durchdrehvorrichtung.
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Wie aus den Figuren hervorgeht, umfaßt die Kraftübertragungseinrichtung
zwei hydraulische Turbokupplungen A und B, die nachstehend als »Vorwärtskupplung«
bzw, als »Rückwärtskupplung« bezeichnet sind. Der treibende Teil 1 der Kupplung
A ist mit einem Hülsenteil 2 sowie mit einem Gehäuse 3 verbunden, welch letzteres
eine Schöpfkammer bildet, die nur wenig über den äußeren Profildurchmesser des Arbeitskreislaufs
der Kupplung hinausragt. Der treibende Teil 4 der Kupplung B ist mit dem Hülsenteil
2 sowie mit einem Gehäuse 5 verbunden, das ähnlich dem Gehäuse 3 der Kupplung <1
ausgeführt ist und ebenfalls eine Schöpfkammer bildet. Ferner ist der treibende
Teil 4 mit einer Krafteinleitungswelle 6 verbunden, von der angenommen sei, daß
sie mit der Kraftabgabewelle einer Turbine gekuppelt ist. Somit können die beiden
treibenden Teile 1 und 4, die durch den Hülsenteil 2 miteinander verbunden sind,
durch die Welle 6 angetrieben werden.
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Der Hülsenteil 2 umgibt eine Welle 7, mit welcher der Läufer 8 der
Kupplung B gekuppelt ist, und die Welle 7 trägt ein Ritzel 9 für den Rückwärtsantrieb;
die Welle 7 erstreckt sich durch eine Hohlwelle 10, mit welcher der Läufer 11 der
Kupplung A gekuppelt ist, und die Hohlwelle 10 trägt ein Ritzel 12 für den Vorwärtsantrieb.
Das Vorwärtsritze1 12 kämmt mit einem Zahnrad 13 auf einer Vorgelegewelle 13', die
ihrerseits ein Ritzel 14 trägt, das in ein Zahnrad 15 auf einer Kraftabgabewelle
16 eingreift, bei welch letzterer es sich um eine Schiffsschraubenwelle handeln
kann. Das Rückwärtsritzel 9 kämmt mit einem Zwischenzahnrad 17, das auf einer Vorgelegewelle
18 sitzt und in ein Zahnrad 19 auf der Vorgelegewelle 13' eingreift (Fig. 1 und
2).
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Nimmt man an, daß die Krafteinleitungswelle 6 durch die Turbine bei
Betrachtung der Anordnung nach Fig.1 von der linken Seite her im Uhrzeigersinne
angetrieben wird, wie es durch den Pfeil angedeutet ist, so erkennt man, daß bei
gefülltem Arbeitskreislauf der Kupplung A und bei entleertem Arbeitskreislauf der
Kupplung B kein erhebliches Drehmoment über die Kupplung B auf die Welle 7 und das
Rückwärtsritzel
9 übertragen wird, daß jedoch das volle Drehmoment
über die Kupplung A auf die Hohlwelle 10 und das Vorwärtsritzel 12 übertragen wird,
so daß sich die Schraubenwelle 16 im Vorwärtssinne dreht. Wenn dagegen der Arbeitskreislauf
der Kupplung A leer und der Arbeitskreislauf der Kupplung B gefüllt ist, wird kein
erhebliches Drehmoment über die Kupplung A auf die Hohlwelle 10 und das Vorwärtsritzel
12 übertragen, sondern das volle Drehmoment wird über die Kupplung B auf die Welle
7 und das Rückwärtsritzel9 übertragen, so daß sich die Schraubenwelle 16 im Rückwärtssinne
dreht.
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Um einen schnellen Übergang von demjenigen Zustand, bei dem der Arbeitskreislauf
der Kupplung A gefüllt ist, während der Arbeitskreislauf der Kupplung B leer ist,
zum umgekehrten Zustand zu ermöglichen, ist ein Schöpfrohr 20 vorgesehen, das an
seinen Enden in entgegengesetzte Richtungen weisende Schöpföffnungen besitzt und
in einem feststehenden Schöpfgehäuse 21 in seiner Längsrichtung verschiebbar ist.
In Fig. 1 befindet sich das Schöpfrohr 20 in einer neutralen Mittellage, bei welcher
beide Arbeitskreisläufe teilweise gefüllt sind. Bringt man das Schöpfrohr 20 in
eine Lage, bei der sich seine obere Schöpföffnung in der Nähe der Umfangswand der
Schöpfkammer 5 befindet, wird die in der Kupplung B enthaltene Flüssigkeit schnell
in die Kupplung A übergeführt, so daß sich der Arbeitskreislauf der Kupplung A füllt,
während derjenige der Kupplung B entleert wird. Bringt man das Schöpfrohr dagegen
in ; eine Lage, bei der sich seine untere Schöpföffnung in der Nahe der Umfangswand
der Schöpfkammer 3 befindet, wird die in der Kupplung A enthaltene Flüssigkeit schnell
in die Kupplung B eingeleitet, so daß sich der Arbeitskreislauf der Kupplung B füllt,
während der Arbeitskreislauf der Kupplung A entleert wird. Das beiderseitig offene
Schöpfrohr 20 dient somit dazu, ein schnelles Umschalten zwischen dem Vorwärtsantrieb
und dem Rückwärtsantrieb der Schraubenwelle 16 zu bewirken. Wenn das Schöpfrohr
20 seine Mittellage einnimmt. sind beide Arbeitskreisläufe teilweise gefüllt, und
in keinem "Leitpunkt während des Überganges vom Vorwärtsantrieb auf den Rückwärtsantrieb.
oder umgekehrt, ergibt sich ein Zustand in den Arbeitskreisläufen, bei welchem die
Turbine entlastet ist.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind gemäß der Erfindung
Mittel vorgesehen, um eine Rückwärtsdrehung der Krafteinleitungswelle 6 zu verhindern.
Diese Mittel werden durch eine selbstschaltende Synchronkupplung gebildet, die ein
Zwischenstück 22 umfaßt, das durch zusammenwirkende schraubenlinienförmige Führungsbahnen
in der Bohrung dieses Zwischenstücks und am Umfang der Welle 6 gezwungen wird, sich
gegenüber der Welle 6 längs einer schraubenlinienförmigen Bahn zu bewegen. Das Zwischenstück
22 besitzt eine Außenverzahnung 23 und trägt eine oder mehrere Sperrklinken 24,
deren Nasen bei Betrachtung der Anordnung nach Fig. 1 von der linken Seite her in
eine dem Uhrzeigersinne entgegengesetzte Richtung weisen. Während der Vorwärtsdrehung
der Welle 6 nimmt das Zwischenstück 22 die in Fig. 1 dargestellte Lage ein, bei
der sich die Sperrklinken 24 an einer Innenverzahnung 25 eines feststehenden Bauteils
26 entlang bewegen. Wenn die Welle 6 bestrebt ist. sich rückwärts zu drehen, greift
eine Sperrklinke an einem Zahn 25 an, und das Zwischenstück 22 bewegt sich auf der
Welle 6 nach rechts, bis die Zähne 23 in die Verzahnung 25 eingreifen. Wenn die
beiden Verzahnungen voll im Eingriff stehen, wird eine weitere Bewegung des Zwischenstücks
22 nach rechts durch eine Anschlagfläche 27 verhindert, so daß die Zähne 25 als
Anschläge wirken, die eine Rückwärtsdrehung der Welle 6 verhindern.
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Während eines Überganges vom Vorwärtsantrieb zum Rückwärtsantrieb,
d. h. wenn die Vorwärtskupplung A leer und die Rückwärtskupplung B gefüllt ist,
und wenn die Schiffsschraube noch durch die Fahrt des Schiffes in der Vorwärtsrichtung
gedreht wird, wobei der Läufer der Kupplung B in einer dem Pfeil in Fig. 1 entgegengesetzten
Richtung gedreht wird, wird der treibende Teil der Kupplung B gegen eine Rückwärtsdrehung
gebremst, so daß in der Kupplung B ein Schlupf von 1000/o auftritt, und hierbei
ergibt sich ein hohes Bremsdrehmoment, das auf die Schraubenwelle 16 aufgebracht
wird. Wenn die Leistung der Turbine erhöht wird, um die Schraube in der für die
Rückwärtsfahrt erforderlichen Richtung anzutreiben, verschiebt sich das Zwischenstück
22 auf der Welle 6 nach links, so daß die Zähne des Zwischenstücks aus der Verzahnung
25 ausgerückt werden, während die Sperrklinken 24 mit der Verzahnung 25 in Fluchtung
kommen: die Bewegung des Bauteils 22 nach links wird durch einen beliebigen geeigneten
Anschlag (nicht dargestellt) begrenzt. Um zu verhindern, daß sich die Sperrklinken
24 während des normalen Betriebes ständig über die Zähne 25 hinwegbewegen und dabei
nacheinander mit den Zähnen in Berührung treten, sind die Sperrklinken so ausgeführt,
daß sie unter der Wirkung von Fliehkräften bei normalen Drehzahlen von den Zähnen
25 abgehoben bleiben, jedoch in der erforderlichen Weise in diese Zähne eingreifen,
wenn die Drehzahl der Welle 6 auf einen niedrigeren Wert absinkt, so daß diese Welle
durch das Einrücken der Synchronkupplung in den feststehenden Bauteil 26 zum Stillstand
gebracht wird.
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Während des Überganges vom Rückwärtsantrieb auf den Vorwärtsantrieb,
wobei die Kupplung A gefüllt und die Kupplung B leer ist, und während sich die Schraube
im Rückwärtssinne dreht, beträgt der Schlupf in der Kupplung A 1000/0, da der treibende
Teil dieser Kupplung dadurch gegen eine Rückwärtsdrehung gebremst ist, daß die Synchronkupplung
selbsttätig eingerückt wurde; diese Kupplung wird automatisch ausgerückt, wenn die
Turbinenleistung gesteigert wird und die Schraube beginnt, sich im Vorwärtssinne
zu drehen.
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Bei einer abgeänderten Bauart der selbstschaltenden Synchronkupplung,
die dazu dient, eine Rückwärtsdrehung der Krafteinleitungswelle 6 zu verhindern,
ist der Bauteil 26, der mit der Innenverzahnung 25 versehen ist, nicht in der in
Fig, 1 dargestellten Weise fest eingebaut, so daß er sich nicht drehen kann, sondern
er sitzt gemäß Fig.3 auf dem letzten Untersetzungszahnrad 28 einer Turbinendrehvorrichtung,
welche die Aufgabe hat, die Krafteinleitungswelle 6 mit einer geringen Drehzahl
in der Vorwärtsrichtung anzutreiben. Das zweistufige Untersetzungsgetriebe umfaßt
gemäß Fig. 3 ein angetriebenes Zahnrad 29, eine Schnecke 30, ein Schneckenrad 31,
eine Schnecke 32 und ein Schneckenrad 28.
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Mit dieser Bauart läßt sich eine noch bessere Wirkungsweise erzielen.
Wird nämlich die Kraftübertragungseinrichtung gemäß Fig. 1 ausgebildet, dann stehen
beim Umsteuern während der Zeitspanne, in der die Synchronkupplung eingerückt ist,
die Primärteile 1, 3 und 4, 5 und somit auch die Schöpfrohrkaminern beider Turbokupplungen
still, so daß dann an den Schöpfrohren kurzzeitig die Schöpfwirkung fehlt. Ferner
wird sich im Arbeitsraum der jeweils
neu eingeschalteten Turbokupplung
beim Umschalten auf Rückwärtsbetrieb z. B. in der Turbokupplung B ein hoher Schlupf
und damit auch ein ziemlich großer Fliehkraftüberdruck gegenüber der unmittelbar
benachbarten, stillstehenden Schöpfrohrkammer einstellen, und dieser Überdruck verursacht
ein teilweises Entweichen von Arbeitsflüssigkeit aus dem Turboarbeitsraum in die
Schöpfrohrkammer. Gleiche oder zumindest ähnliche Mängel treten auch bei den meisten
anderen Bauarten von regelbaren Turbokupplungen auf. Wird nun beim Umsteuern die
Krafteinleitungswelle 6 nicht festgehalten, sondern gemäß der zuletzt genannten
Ausbildung langsam in Vorwärtsdrehrichtung gedreht, dann werden die vorgenannten
Nachteile vermieden oder zumindest auf ein unbeachtliches Maß vermindert.