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Einrichtung zum Verstärken der Stellkraft eines auf die Neigung eines
örtlich begrenzten Teilstückes eines Eisenbahngleises, insbesondere in der Querebene
zu diesen, ansprechenden Pendels Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verstärken
der Stellkraft eines auf die Neigung eines örtlich begrenzten Teilstückes eines
Eisenbahngleises, insbesondere in der Querebene zu diesem, ansprechenden Pendels,
das einen reversiblen Servomotor steuert und wobei die verstärkte Stellkraft an
ein Anzeige- oder Steuerorgan weitergeleitet wird.
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Die Wichtigkeit eines genauen geometrischen Zustandes der Eisenbahngleise
nimmt mit der Zunahme der Verkehrsgeschwindigkeiten ständig zu. Ob es sich um Unterhaltsarbeiten
oder um Erneuerungen handelt, die Anforderungen an die Genauigkeit erreichen heute
einen hohen Grad. Insbesondere die Querneigung, die z. B. bei einem Gleis von 1500
mm Spurweite zwischen ± 180 mm variieren kann, muß mit einer Genauigkeit von der
Größenordnung von ± 0,5 mm eingehalten werden. Es ist somit notwendig, über eine
Meß-, Überwachungs- oder Steuereinrichtung zu verfügen, die auf 1/1o mm genau arbeitet,
das ist ein Winkel von 1/15 000, und zwar in einem Bereich von 360 mm, d. h., es
ist eine Genauigkeit in der Größenordnung von 0,1/360 = etwa 0,3 %o des Arbeitsbereiches
erforderlich.
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Auf einem Schienenfahrzeug sind diese Einrichtungen den Erschütterungen,
teils auch Schlägen, die vom Verkehr herrühren, ausgesetzt. Auf den Maschinen zum
Stopfen des Schotters unter den Schwellen sind sie zudem den mehr oder weniger starken
Nachschwingungen ausgesetzt, die vom Schwingungsstopfen herrühren. Schließlich ist
es, wenn diese Einrichtungen eine automatische Nivelliervorrichtung steuern oder
wenn sie die Nivellierarbeit stetig überwachen, unbedingt notwendig, daß sie zuverlässig
arbeiten. Dies bedeutet, daß diese - als fahrbare Einrichtungen ausgebildet - mit
großer Sicherheit unter den härtesten Bedingungen arbeiten müssen, so daß alle in
dieser Richtung vorgenommenen Verbesserungen von großer Bedeutung sind.
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Die Anwendung eines gewöhnlichen Pendels zur Anzeige der Neigung ist
schon sehr alt. Aber wenn dieses eine große freie Länge aufweist, so ist seine Ansprechzeit
sehr lang, und wenn das Pendel kurz ist, so ist seine Steuerkraft klein, sein Ausschlag
gering und seine Genauigkeit ungenügend.
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Das ist der Grund, warum man bereits ein Pendel, das auf ein Verstärkerrelais
einwirkt, vorgeschlagen hat, und die Bemühungen der Konstrukteure haben sich auch
daher auf elektrische Relais gerichtet. Die Pendel, die gewöhnliche elektrische'4-Kontakte
- die Mikrokontakte mit eingeschlossen - betätigen, geben eine Genauigkeit, die
durch die zu ihrer Betätigung notwendigen Kräfte und Weglängen begrenzt ist und
die überdies alle den elektrischen Kontakten innewohnenden gut bekannten Nachteile
aufweisen. Die mit elektrischen Meßwertverstärkern oder mit Schwachstromrelais arbeitenden
Pendel bereiten zahlreiche Schwierigkeiten, wie die Stabilität des Nullpunktes,
die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, die Empfindlichkeit des Fühlers
der Pendellage, die Unmöglichkeit, eine Reparatur auf dem Platz durch das Gleispersonal
durchzuführen, der Preis u. a. m.
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Es sind auch Einrichtungen bekannt, die gleichfalls mit einem Pendel
arbeiten (ohne Servomotor), bei denen jedoch das Pendel nicht in einem als geschlossener
Behälter ausgebildeten Rahmen untergebracht ist. Die sich allein aus diesem Umstand
ergebenden Nachteile sind eine geringe Steifigkeit, kein Schutz der beweglichen
Teile und die Notwendigkeit besonderer Maßnahmen zur Dämpfung der Pendelausschläge.
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Zudem ist bei diesen Einrichtungen das Pendel über mindestens ein
weiteres Gelenk (außer der Aufhängung) mit den Fühlern verbunden, so daß dadurch
die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Schwierigkeiten
zu beheben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der Servomotor ein Gehäuse aufweist, das fest mit einem als geschlossener Behälter
ausgebildeten Rahmen verbunden ist, an dem die Aufhängung des Pendels angebracht
ist und der mit seinem unteren Teil an zwei Punkten des Gleisabschnittes aufliegt
und mit @ .einem hydraulischen Druckmittel gefüllt ist, das als Betriebsmittel für
den Servomotor und als Dämpfungsmittel für das Pendel dient, und daß im Gehäuse
ein Kolben mit einer Stange gleitend gelagert ist, der mit einer Befestigungsöse
od. dgl. für Mittel zur Weiterleitung der verstärkten Stehkraft versehen ist und
der im Gehäuse zwei Kammern bildet, zwischen denen mittels zweier relativ zueinander
verschiebbarer Steuerschieber ein den Kolben bewegender Druckunterschied hergestellt
wird, wobei der erste Steuerschieber zwangläufig den Bewegungen des Pendels und
der zweite Steuerschieber den Bewegungen des Kolbens folgt und wobei jeder Steuerschieber
eine scharfe Kante aufweist, die als veränderliches Drosselorgan in der Druckmittelleitung
mit einer der genannten Kammern zusammenwirken.
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Der Servomechanismus gemäß der Erfindung ist einfach, so daß er die
Meßeinrichtung nicht zu sehr verteuert und trotzdem das kurze Pendel durch Verstärkung
seiner Stellkraft zu einem brauchbaren Instrument macht.
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Die für den Erfindungsgegenstand vorgesehene Ausbildung des Rahmens
als geschlossener Behälter ergibt eine einfache und robuste Konstruktion, die geringe
Wartung erfordert und vor Staub und äußeren Einwirkungen geschützt ist. Die steife
Verbindung zwischen Auflagepunkten und Pendelaufhängung vermeidet Gelenke, die durch
Abnutzung die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen könnten. Der Behälter dient
gleichzeitig als Reservoir für das Druckmittel und als Ölbad für die Dämpfung der
Pendelschwingungen. Das Öl dient auch der Schmierung der Gelenke und beweglichen
Teile im Behälter. Der Behälter trägt auch das Gehäuse des Servomotors und vermittelt
die Rüttelschwingungen zur Reibungsverminderung, wobei Resonanzerscheinungen durch
den Behälterinhalt vermieden werden.
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Die Zeichnung _ zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Einrichtung gemäß
der Erfindung mit Bezug auf ihre Anwendung auf den Fall der Messung der Querneigung
eines Eisenbahngleises.
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F i g. 1 und 2 zeigen je einen Querschnitt in schematischer Darstellung.
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Bei dem in F i g. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist über
den beiden Schienensträngen 1 a und 1 b ein starrer Rahmen 2 angeordnet, der in
Form eines Behälters ausgebildet ist, der auf dem Gleis mittels Gleistastern aufruht,
die durch die Walzen 3 a und 3 b gebildet werden, die aber auch durch einfache Gleisschuhe
ersetzt sein können. Auf diese Art weist der Rahmen dieselbe Neigung auf wie das
Gleis in der Ebene quer zu letzterem. Er kann außerdem längs des Gleises mittels
eines beliebigen, nicht gezeigten Fahrzeuges verschoben werden.
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Das Pendel ist aus einer schweren Masse 4 gebildet, die mit einem
Doppelhebel fest verbunden ist, von dem man den hinter der Zeichenebene gelegenen
Teil 5 sieht. Der genannte Hebel ist im Behälter frei um die Achse der Aufhängung
6 schwenkbar. Der Behälter ist mit Öl gefüllt, so daß das Pendel sofort nach der
Verschiebung des Behälters in Gleisrichtung seine Gleichgewichtslage in der Zeichenebene
einnimmt und beibehält, wobei das Öl die Rolle eines Schwingungsdämpfers spielt.
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In dem Behälter 2 ist das Gehäuse 7 eines hydraulischen Servomotors
fest angebracht. Der gesteuerte Teil des letzteren ist der Kolben 8, der durch die
Stange 9 verlängert ist, an der man an der Befestigungsöse 10 eine in der
Zeichnung nicht gezeigte Einrichtung irgendwelcher Art anhängen kann.
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Der genannte Kolben 8 ist also im Gehäuse 7 verschiebbar und besitzt
außerdem eine zweite Stange 11. Letztere ist teilweise vom Kanal 12 durchbohrt,
der die Kammer 13 mit der Ringnut 14 verbindet, die auf der Seite des Kolbens 8
eine scharfe Kante 15 aufweist. Auf der Stange 11 kann sich die Hülse 16 frei verschieben.
Letztere ist mit dem Pendel durch den Stab 17 gelenkig verbunden. Die Hülse 16 läuft
in eine scharfe Kante 18 aus, welche die Ringnut 14 mehr oder weniger vollständig
überdeckt und im Zusammenspiel mit der Kante 15 einen veränderlichen Spalt bilden
kann. Auf diese Weise bilden Stange 11 und Hülse 16 einen aus zwei beweglichen Gliedern
bestehenden Verteiler, von denen ein Glied unmittelbar mit dem gesteuerten Kolben
8 und das andere Glied mit dem Pendel verbunden ist.
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Der beschriebene Servomotor wird ergänzt durch eine beliebige - nicht
gezeigte - ölzufuhr mit konstantem Druck, durch die Zufuhrleitung 19, die eine Verengung
20 aufweist, durch eine Abf(ußleitung 21 sowie durch die Rückholfeder 22, die den
Kolben 8 in der dargestellten Ausführung ständig nach links drückt.
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Die Arbeitsweise der Einrichtung ist folgende: In der dargestellten
Gleichgewichtslage besteht ein ständiger ölfluß durch 19, 20, 13, 12 und 14, durch
den durch die Kanten 15 und 18 gebildeten Spalt, durch den als Behälter ausgebildeten
Rahmen 2 und die Abftußleitung 21. Das öl erfährt einen gewissen Druckabfall in
der Verengung 20 und einen zweiten in dem durch die Kanten 15 und 18 gebildeten
Spalt, so daß sich in der Kammer 13 ein Zwischendruck einstellt. Dieser Druck bewirkt,
indem er auf den Kolben 8 einwirkt, eine Gleichgewichtslage desselben in axialer
Richtung entgegen der Wirkung der Rückholfeder 22 und der von der betätigten Einrichtung
an der Befestigungsöse 10 angreifenden Gegenkräfte.
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Wenn z. B. an der Befestigungsöse 10 ein zusätzlicher Zug auftritt,
verschieben sich der Kolben 8 und somit auch die Kante 15 ein wenig nach rechts
(F i g. 1); da sich die Kante 18 nicht bewegt, erweitert sich dann der durch die
Kanten 15 und 18 gebildete Spalt, woraus eine Verminderung des Zwischendruckes und
eine fast augenblickliche Wiederherstellung der Gleichgewichtslage folgt. Ein zusätzlicher
Druck an der Befestigungsöse 10 ruft eine Erhöhung des Zwischendruckes in der Kammer
13 hervor, der die Gleichgewichtslage wiederherstellt. Ohne weiter auf diesen gut
bekannten Regelvorgang einzugehen, kann man sagen, daß die Reaktionskraft an der
Befestigungsöse 10 die Stellung des Pendels nicht verändert und daß der Abstand
zwischen der Befestigungsöse 10 und dem Stab 17 praktisch konstant bleibt, sofern
die genannte Kraft nicht übermäßig groß ist.
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Es sei nun angenommen, daß nach einer Ortsveränderung der Einrichtung
der Schienenstrang 1 a z. B. ein wenig höher sei als der Schienenstrang 1 b. Der
Behälter nimmt, wie bereits erwähnt, die gleiche
Neigung an wie
das Gleis. Das Pendel findet seine Gleichgewichtslage, indem es nach rechts (F i
g. 1) ausschwenkt. Die Kante 18 verschiebt sich in gleicher Richtung, was die beiden
Kanten 18 und 15 einander annähert, den Druck in der Kammer 13 erhöht und alsdann
den Kolben 8 nach rechts verschiebt, bis zur Wiederherstellung der* ursprünglichen
Spaltbreite. Es ist klar, daß eine Veränderung der Neigung des Gleises im umgekehrten
Sinne die Abstände im ebenfalls umgekehrten Sinne verändert, bis das Gleichgewicht
wiederhergestellt ist. Hier sei lediglich hervorgehoben, daß die gesteuerte Befestigungsöse
10
der Bewegung des Pendels fast augenblicklich und mit großer Genauigkeit
folgt, wie groß auch immer die Neigung des Gleises und die vom Servomotor erzeugten
Kräfte seien.
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Daraus folgt, daß sich die Neigung des Gleises im einen oder im anderen
Sinne in einem ganz bestimmten Abstand der Befestigungsöse 10 von der Mittelstellung
bei waagerechter Gleislage auswirkt.
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Man ersieht somit, daß der Servomotor mit Genauigkeit irgendeine beliebige
Vorrichtung zur Anzeige, zur Aufzeichnung oder zur Steuerung einer weiteren Vorrichtung
mittels eines an der Befestigungsöse 10 angebrachten - Gestänges, das in
der Zeichnung nicht dargestellt ist, steuern kann.
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Ein erster wichtiger Vorteil gegenüber den bekannten Einrichtungen,
der aus der Auswahl und der Kombination der Elemente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
hervorgeht, besteht im hohen, durch die Einrichtung erreichten Genauigkeitsgrad.
Dies ist vor allem dem Umstand zu verdanken, daß ein hydraulischer Servomotor verwendet
wird, der vollkommen reversibel ist, d. h. in beiden Richtungen in gleicher Weise
arbeitet, der auch stetig arbeitet, d. h. ohne systembedingte Unempfindlichkeitszone,
und der lageabhängig gesteuert ist, -so daß seine Verstellung keine Reaktionskraft
auf das Pendel hervorruft. Aber diese Genauigkeit rührt auch von der Steifigkeit
der durch den Rahmen, die Gleistaster, die Aufhängeachse und das Gehäuse des Servomotors
gebildeten Gesamtheit her, da das Pendel auf diese Weise von störenden Bewegungen,
die z. B. vom Servomotor herrühren, nicht beeinflußt wird. Die Präzision ist ebenfalls
gewährleistet durch die feste Verbindung des Dämpfungsmittelbehälters (der als Behälter
ausgebildete Rahmen im Ausführungsbeispiel) mit dem starren Ganzen. Da dieses Ganze
unbeweglich auf dem Gleis ruht, verursacht das Dämpfungsmittel keine störende Lageveränderung
des Pendels und wirkt außerdem stets denjenigen Bewegungen entgegen, die der Verteiler
hervorrufen könnte.
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Man verfügt dabei über eine beliebig große Steuerkraft, wobei man
erforderlichenfalls einen zweiten oder mehrere Servomotoren nach einer bekannten
Technik zu Hilfe nimmt.
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Von großem Vorteil ist auch die hohe Ansprechgeschwindigkeit der Einrichtung,
die sich aus der gleichzeitigen Anwendung eines Pendels mit kurzer Schwingungszeit,
eines Servomotors der beschriebenen Art, der durch sein Prinzip der Mengenregulierung
praktisch ohne Verzögerung arbeitet, und eines starren Ganzen ergibt, das es durch
seine Unbeweglichkeit auf dem Gleis erlaubt, daß das Pendel so rasch wie möglich
und ohne verzögernde Schwingungen seine Gleichgewichtslage einnimmt.
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Ein weiterer Vorteil ist auch die Konstanz der von der Einrichtung
gelieferten Anzeigen, die durch die Festigkeit des starren Ganzen in Verbindung
mit den schon genannten Merkmalen des .Servomotors, seiner Regulierung und dem Dämpfungsmittel
gewährleistet wird.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung weist auch eine große Zuverlässigkeit
im Betrieb auf, die sich aus der Verwendung robuster Bauelemente, der Verwendung
eines kurzen Pendels, das seine Aufhängung (die empfindlich ist gegenüber den Schlägen
durch das Fahren auf dem Gleis) minimal beansprucht, und durch die geringe Zahl
von im übrigen äußerst geringer Abnutzung ausgesetzter beweglicher Elemente ergibt.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet noch weitere Vorteile, wie
die Einfachheit der Konstruktion, die fast vernachlässigbaren Betriebskosten usw.
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Im beschriebenen Beispiel führt die Wahl einer Regulierung mittels
einer einfachen Kante auf jedem der beiden beweglichen Teile des Verteilers nicht
nur zu einer größeren Einfachheit, sondern trägt zu einer größeren Sicherheit im
Betrieb bei und vermeidet jede heikle Regulierung nach einer überholung oder Reinigung,
wie dies bei einem Regler mit doppelter Kante z. B. leicht geschehen kann.
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Die Verwendung eines dichten Behälters als Rahmen (im Gegensatz zu
einem offenen Rahmen) bietet außerdem den Vorteil, daß er das Pendel vor jedem zufälligen
äußeren Einfiuß schützt, daß er unmittelbar den Behälter für das Dämpfungsmittel
bildet, daß dieselbe Flüssigkeit wie für den Servomotor verwendet werden kann, daß
er sämtliche beweglichen Organe bestens vor dem Baustellenstaub schützt und daß
er automatisch die Schmierung bewerkstelligt, wenn man Öl verwendet.
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Um die Empfindlichkeit der Einrichtung zu erhöhen, kann man den Rahmen
auf bekannte Weise mit einem an sich bekannten mechanischen Schwingungserzeuger
verbinden, welcher der Einrichtung kleine, rasche und regelmäßige Schwingungen erteilt,
die in der Lage sind, den Einfluß der Reibungen praktisch aufzuheben, ohne die Stellung
des Pendels zu verfälschen. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Beispiel ist angenommen,
daß die Einrichtung auf einem Gleis ruht, das infolge einer in einiger Entfernung
von dieser Einrichtung unternommenen Stopfung des Schotters leicht schwingt. Es
ist dies auch noch ein Vorteil der starren Anordnung, daß sie unter gewissen Umständen
einen hilfsweisen Schwingungserzeuger oder einen schwingenden Förderdruck überflüssig
macht.
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F i g. 2 zeigt eine verbesserte Ausführungsform, bei der die Ausschläge
des Pendels gegenüber dem festen Rahmen nicht nur kraftmäßig, sondern auch wegmäßig
verstärkt werden.
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In F i g. 2 ist ein Teil der in F i g. 1 gezeigten Teile mit den gleichen
Bezugszeichen wiederholt. Zur Vereinfachung sind im folgenden nur die Abweichungen
von der ersten Ausführungsform beschrieben.
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Hier ist das Pendel an dem Arm 23, der das Gehäuse 7 des Servomotors
verlängert, schwenkbar aufgehängt, um eine erhöhte Genauigkeit zu gewährleisten.
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Der Kolben 8 besitzt nur noch die Stange 9, die mit dem Gehäuse 7
und dem Kolben 8 eine zweite Kammer 24 bildet.
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Der Verteiler ist durch ein erstes bewegliches Glied in Form des Kolbens
25 gebildet, der eine kreisrunde Aussparung 26 aufweist, deren Kante 27 scharf ist.
Der Kolben 25 ist durch den Stab 17 mit dem Pendel
verbunden und
kann außerdem im Zylinder 28 gleiten. Letzterer stellt das zweite bewegliche Glied
dar, das eine kreisrunde Aussparung 29 mit einer scharfen Kante 30 besitzt. Dieser
Zylinder 28 kann im Gehäuse 7 gleiten, mit dem zusammen er die Kammer 31 bildet.
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Auf dem Gehäuse 7 ist im Gelenk 32 ein Kipphebel 33 schwenkbar gelagert.
Der Kipphebel 33
weist zwei Rollen 34 und 35 auf, gegen die sich die Stange
9 bzw. der Zylinder 28 des Kolbens 25 anlegen.
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Das Gehäuse 7 ist außerdem mit den notwendigen Kanälen versehen, wie
weiter unten beschrieben wird. Die Betriebsweise ist folgende: In der gezeigten
Gleichgewichtsstellung gelangt das Öl von der Zufuhrleitung 19 in einer der Deutlichkeit
halber mit einer strichpunktierten Linie angedeuteten Leitung nach einem im Gehäuse
7 gebohrten Kanal 36. Der auf diese Weise im Kanal 36 herrschende konstante
Druck wird einerseits über den Kanal 37 nach der Kammer 24 und andererseits
über den Kanal 38 nach der Kammer 31 geleitet, derart, daß der Kolben 8 ständig
nach links und der Zylinder 28 nach rechts gedrückt wird. Das Öl strömt vom Kanal
36 durch eine Verengung 20, in der es einen ersten Druckabfall erleidet.
Von hier aus fließt das Öl unter diesem Zwischendruck durch den Kanal 39 in die
Aussparung 26 und geht durch den von den scharfen Kanten 27 und 30 gebildeten Spalt,
in dem sich ein nochmaliger Druckabfall ergibt, hindurch. Das Öl entweicht von hier
aus durch die Aussparung 29 über den im Zylinder 28 vorgesehenen Kanal 40, ferner
über den Kanal 41 im Gehäuse 7 und zuletzt über den als Behälter ausgebildeten Rahmen
2 und die Abflußleitung 21. Beim Austritt aus der Verengung 20 wird der Zwischendruck
durch den Kanal 42 nach der Kammer 13 fortgeleitet, wo er dann den Kolben 8 nach
rechts drückt, derart, daß er den Gleichgewichtszustand beibehält.
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Man sieht zunächst, daß die von der Rückholfeder 22 aus dem vorher
beschriebenen Fall erzeugte Gegenkraft hier ersetzt ist durch eine, dank dem in
den Kammern 24 und 31 herrschenden konstanten Druck ebenfalls konstante Kraft.
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Man bemerkt weiter, daß sich, wenn die Längen der Hebelarme b und
c des Kipphebels 33 gleich sind, der Zylinder 28 um den gleichen Betrag verschiebt
wie der Kolben 8, aber im entgegengesetzten Sinn. Es ergibt sich daraus, daß das
System die gleiche Verschiebung überträgt wie diejenige des Pendels, aber im entgegengesetzten
Sinn (was je nach der zu betätigenden Einrichtung vorteilhaft sein kann). Für den
Fall, wo der Schienenstrang 1 a höher liegt als der Schienenstrang 1 b, ergibt sich,
daß sich das Pendel und der Kolben 25 nach rechts bewegen, daß sich die durch die
Kanten 27 und 30 gebildete Verengung erweitert, daß der Zwischendruck abnimmt, daß
der Kolben 8 nach links geht, daß sich der Zylinder 28 nach rechts verschiebt, was
die durch die Kanten 27 und 30 gebildete Verengung wieder verringert bis zur Wiederherstellung
des ursprünglichen Zwischendruckes. Der Vorgang stimmt somit - bis auf die Richtung
- mit demjenigen im ersten Beispiel untersuchten überein, so daß es überflüssig
ist, ihn noch näher zu beschreiben.
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Es ist noch der Fall zu untersuchen, bei dem der Hebelarm c des Kipphebels
länger ist als der Hebelarm b. F i g. 2 zeigt, daß die Verschiebung der Rolle
34 c/b-mal größer ist als diejenige der Rolle 35. Da, wie gezeigt worden
ist, die beiden verschiebbaren Kanten des Verteilers immer ungefähr die gleiche
gegenseitige Lage einnehmen (d. b.., daß der Verteiler praktisch immer die gleiche
Länge besitzt), so ist es einleuchtend, daß letztlich die Lageverschiebung der gesteuerten
Befestigungsöse 10 c/b-mal größer ist als die Lageverschiebung des Pendels, gemessen
im Abstand a vom Aufhängepunkt. So dient derselbe Servomotor gleichzeitig zur kraftmäßigen
und längenmäßigen Verstärkung. Zu diesem Vorteil kommt noch die Möglichkeit, das
Pendel spürbar und ohne Nachteil kürzen zu können.