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Die Erfindung betrifft eine Propellerwellen-Schaltkupplung
für einen
Schiffsantrieb gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Frachtschiffe sind üblicherweise
nur mit einem Antriebsmotor ausgerüstet, der häufig als Zweitakt-Dieselmotor
ausgeführt
ist und direkt über
die Propellerwelle den Propeller antreibt. Der Motor kann auch genutzt
werden, einen Wellengenerator anzutreiben, um bei normaler Marschfahrt
Bordstrom zu erzeugen. Der Antrieb des Wellengenerators erfolgt in
der Regel über
ein sogenanntes Tunnelgetriebe, wie es beispielsweise aus der
EP 0 140 010 B1 bekannt
ist, das zwischen Motor und Propeller angeordnet ist und dessen
Antriebswelle über
eine elastische Kupplung mit der Propellerwelle gekuppelt ist.
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Fällt
der Motor aus, so lässt
sich das Schift nicht mehr manövrieren
und es besteht die Gefahr einer Havarie. Um die Ausfallsicherheit
des Antriebes zu erhöhen,
kann die Antriebsanlage mit einer Propellerwellen-Trennkupplung
ausgeführt
werden, die es im Notfall ermöglicht,
den Dieselmotor schnell abzukuppeln und den Wellengenerator als
Schiffsantrieb zu nutzen. Eine derartige Abschaltkupplung ist aus
der
DE 198 19 335
A1 bekannt. Der Wellengenerator wird dabei als Elektromotor
gefahren und treibt über
das Tunnelgetriebe den Propeller an. Da die Kupplung nur im selten
auftretenden Notfall geschaltet wird, ist der Schaltmecha nismus
nur für
eine geringe Anzahl von Schaltungen konzipiert, das Trennen erfolgt
automatisch über
Fernauslösung,
das Wiedereinschalten ist meist nur manuell vor Ort möglich und
erfordert sehr hohe Hydraulikdrücke
von bis zu 1000 bar.
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Um problematische Betriebsbereiche
des Dieselmotors zu reduzieren und den Dieselmotor zu schonen, ist
es zweckmäßig, den
Antrieb über
den Wellengenerator nicht nur im Notfall, sondern regelmäßig, bei
allen Fahrstufen des Schiffes, die mit niedriger Schiffsgeschwindigkeit
und somit mit niedriger Leistung durchgeführt werden, zu nutzen.
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Aus der
DE 37 00 584 C2 ist dazu
eine ausrückbare
Zahnkupplung zum Trennen der Propellerwelle bekannt. Damit sich
die Kupplungshülse
auf den außenverzahnten
Kupplungsnaben verschieben lässt,
muss an der Verzahnung Spiel vorgesehen werden. Das Verdrehspiel
der Kupplungsverzahnung ist bei Propellerwellen unerwünscht, da
bei jedem Hochfahren des Hauptmotors, bei der Durchfahrt der torsionskritischen
Drehzahl, Wechseldrehmomente entstehen. Innerhalb der Kupplung verursacht
dieses Spiel im Bereich der Verzahnung und der Lager Relativbewegungen,
die eine ständige
Schmierung erforderlich macht. Außerdem ist der Schaltmechanismus
der Kupplung so ausgeführt,
dass über
außenliegende
Hydraulikkolben, die mit dem Fundament verbunden sind, Kräfte erzeugt
werden, die sowohl den Antriebsstrang als auch das Fundament belasten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, eine betriebssichere unkomplizierte Propellerwellen-Schaltkupplung
zu schaffen, welche das Antriebsdrehmoment verdrehspielfrei oder
verdrehspielarm übertragen
kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Propellerwellen-Schaltkuppplung
kann der Hauptmotor einfach und unkompliziert an die Propellerwelle
an – oder
abgekuppelt werden. Durch die Ausführung als Zahnkupplung mit
keilförmiger
Verzahnung ist die Schaltkupplung verdrehspielfrei oder verdrehspielarm
und kann das Hauptantriebsdrehmoment mit hoher Sicherheit übertragen.
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Aufgrund ihrer einfachen Betätigung lässt sich
eine erfindungsgemäße Schaltkupplung
in vorteilhafter Weise regelmäßig nutzen.
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Durch die Anordnung von Distanzstücken kann
der Verschiebeweg der Kupplungshülse
auf den Kupplungsnaben begrenzt werden, wodurch die Belastung der
Verzahnungen mit der axialen Schaltkraft und ein unzulässig hohes
Verkeilen der Verzahnungen in vorteilhafter Weise verhindert werden
können.
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Durch die direkte Anordnung der Schaltelemente
auf der Kupplung selbst – ohne
Anbindung an das Fundament – wird
weder der Antriebsstrang noch das Fundament durch Schaltkräfte belastet
und die Dichtungen des vorzugsweise hydrau lisch betätigten Schaltkolbens
sind in keinem Betriebszustand einer relativen Drehbewegung ausgesetzt.
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Die Propellerwellen-Schaltkupplung
kann mit einer Axial-Lager-Anordnung ausgestattet werden, welche
die Propellerkräfte
in eingekuppeltem Betriebszustand in vorteilhafter Weise auf das
Schiffsdrucklager weiterleitet und im ausgekuppelten Zustand die
Axialkräfte
des Propellers selbst aufnehmen kann.
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Die Schaltkupplung kann mit einem
Stützzapfen
ausgeführt
werden, an welchem sich die beiden Kupplungshälften über zwei Radiallager gegeneinander
abstützen
können
und unzulässiges
Verschränken
oder Klaffen der beiden Kupplungshälften in vorteilhafter Weise
verhindert werden kann.
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Bei ausgekuppelter Propellerwellen-Schaltkupplung
kann die Propellerwelle in vorteilhafter Weise durch den Propellerwellen-Generator
angetrieben werden, indem dieser als Elektromotor betrieben wird.
Dadurch kann auf einen zusätzlichen
Motor verzichtet werden und es können
in vorteilhafter Weise Bauraum und Investitionskosten gespart werden.
Der Propellerwellengenerator kann bei allen Fahrstufen mit geringer
Schiffsgeschwindigkeit sowie auch im Notfall, wenn beispielsweise
der Hauptmotor ausfällt, als
Antriebselektromotor eingesetzt werden und bei normaler Marschfahrt
kann er für
die ökonomische Bordstromerzeugung
herangezogen werden.
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Durch die Verwendung des Propellerwellen-Generators
als alternativen Antrieb für
die Propellerwelle können
auch ältere
Schiffsantriebe in einfacher Weise auf die strengeren Sicherheitsanforderungen
mit einem zweiten Antriebsmotor nachgerüstet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben
sich aus den Unteransprüchen
in Verbindung mit der Beschreibung.
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Nachfolgend werden die Merkmale der
vorliegenden Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform
näher erläutert. In
den zugehörigen schematischen
Zeichnungen zeigt, die
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Antriebsanlage und
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2 stellt
eine erfindungsgemäße Propellerwellen-Schaltkupplung
dar.
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Die
1 zeigt
schematisch die Anordnung der erfindungsgemäßen Elemente einer beispielhaften
Schiffsantriebsanlage. Ein Hauptmotor
1 treibt eine Propellerwelle
2 an,
welche an ihrem wasserseitigen Ende einen Propeller
3 trägt. Mit
der Propellerwelle
2 ist über eine elastische Kupplung
9 ein
zu einem Getriebe
5 gehörendes
Zahnrad verbunden, welches einen Propellerwellen-Generator
4 antreibt. Das
Getriebe
5 ist vorzugsweise ein Übersetzungsgetriebe wie es
beispielsweise aus der
EP
0 140 010 B1 bekannt ist. Neben dem Propellerwellen-Generator
4 ist
ein weiterer Generator
7 zur Bordstromversorgung des Schiffes vorgesehen,
der von einem weiteren Motor
8 angetrieben wird. Der Motor
8 ist vorzugsweise
ein Dieselmotor und es ist selbstverständlich auch möglich – je nach
Bedarf – weitere derartige
Motor-Generator-Anordnungen auf dem Schift vorzusehen.
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An der Propellerwelle 2 ist
eine Kupplung 6 angeordnet, mit der sich die Antriebsverbindung
zwischen dem Hauptmotor 1 und dem Propeller 3 trennen
bzw. herstellen lässt.
Die Kupplung 6 ist zwischen der Abzweigstelle für den Propellerwellengenerator 4 und
dem Hauptmotor 1 eingebaut. Bei geöffneter Kupplung 6 kann
der Propellerwellen-Generator 4 als Elektromotor betrieben
werden und den Propeller 3 über das Getriebe 5 antreiben.
Seine Stromversorgung kann dabei durch den anderen Generator 7 bereitgestellt
werden. Zur Regelung des Elektromotors 4 können entsprechende
Steuerungs- und/oder Regeleinrichtungen vorgesehen werden.
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Zur Schonung des Hauptdieselmotors 1 und/oder
aus ökonomischen
Gründen
kann es sinnvoll sein, den Elektromotor 4 nicht nur im
selten auftretenden Notfall einzusetzen, sondern auch bei allen Fahrstufen
des Schiffes, die mit niedriger Schiffsgeschwindigkeit und somit
mit niedriger Antriebsleistung durchgeführt werden. Bei Stillstand
der Propellerwelle 2 kann der Hauptmotor 1 durch
die Propellerwellen-Schaltkupplung 6 an- und abgekoppelt
werden.
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Es ist auch möglich, durch die Positionierung einer
Propellerwellen-Schaltkupplung zwischen Propeller 3 und
Getriebe 5 den Propellerwellengenerator 4 – bei stillstehendem
Propeller 3 – über den
Hauptmotor 1 anzutreiben.
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Die 2 zeigt
eine beispielhafte Ausführung
der Propellerwellen-Schaltkupplung 6. Die erste Kupplungshälfte besteht
aus einem Flansch 10 und einer ersten außenverzahnten
Kupplungsnabe 11, welche vorzugsweise durch Schrauben an
der Kupplungshälfte
befestigt ist. Mit der ersten Kupplungshälfte ist ein Zapfen 18 starr
verbunden, der sich ins Innere der anderen hohlwellenförmigen Kupplungshälfte erstreckt.
Die zweite Kupplungshälfte
stützt sich
mittels Radiallagern 19, 26 drehbar an dem Zapfen 18 ab,
wodurch ein Verschränken
und Klaffen der beiden entkuppelten Kupplungshälften verhindert wird.
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An der zweiten Kupplungshälfte ist
eine weitere außenverzahnte
Kupplungsnabe 12 angeordnet, welche ebenfalls vorzugsweise
verschraubt ist. Weiterhin ist an der zweiten Kupplungshälfte ein
Schaltelement 15 vorgesehen, welches über Stege 22 mit einer
innenverzahnten Kupplungshülse 13 verbunden
ist. Mit dem Schaltelement 15 kann die Kupplungshülse 13 in
axialer Richtung parallel zur Drehachse 29 der Schaltkupplung 6 verschoben
werden. In der oberen Zeichnungshälfte befindet sich die Kupplungshülse 13 in
ausgekuppelter Stellung. Durch die – vorzugsweise hydraulische – Betätigung des
Schaltelements 15 kann die Kupplungshülse 13 in Richtung
der anderen Kupplungshälfte
verschoben wer den und umschließt
dann – wie
aus der unteren Zeichnungshälfte
hervorgeht – beide
Kupplungsnaben 11 und 12. Durch die Verzahnungen
der Kupplungsnaben 11, 12 sowie der Kupplungshülse 13 sind die
beiden Kupplungshälften
in dieser Schaltstellung formschlüssig drehfest miteinander verbunden
und stellen eine Antriebsverbindung mit hoher Betriebssicherheit
dar.
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Wie aus 2a hervorgeht ist die Kupplungsverzahnung
keilförmig
ausgeführt,
das heißt
die Zahnlücken
der Kupplungsnaben 11, 12 verkleinern sich über ihre
Breite – und
zwar in der Richtung des Verschiebeweges der Kupplungshülse 13 beim
Einkuppeln der Propellerwellenschaltkupplung – während sich die Zahnlücken der
Kupplungshülse 13 in entgegengesetzter
Richtung verkleinern. Dadurch lässt
sich das Flankenspiel in der Verzahnung, welches für das Verdrehspiel
der Kupplung verantwortlich ist, durch den Aufschiebeweg der Kupplungshülse 13 einstellen.
Die Verzahnungen der Kupplungsnaben 11, 12 sowie
der Kupplungshülse 13 weisen den
gleichen Keilwinkel auf und die Keilform ist vorzugsweise symmetrisch.
Die Kupplungsnaben 11, 12 bilden, bei eingekuppelter
Kupplung gemeinsam mit einer dazwischen angeordneten Axiallagerhälfte 27 eine
zusammengehörende
Keileinheit. Die Kupplungshülse 13 bildet
eine zweite Keileinheit. Damit die Verzahnung im eingekuppelten
Zustand nicht durch die axiale Schaltkraft belastet wird, kann am Schaltelement 15 oder
an der Kupplungshülse 13 eine
Axialwegbegrenzung vorgesehen werden. Vorzugsweise wird der Axialweg
des Schaltelementes 15 durch Distanzstücke 23 begrenzt, welche
gleichmäßig am Umfang
verteilt angeordnet sind und als Anschläge für das Schaltelement 15 dienen.
Es ist jedoch auch möglich
Anschläge
vorzusehen, an welchen der Weg der Kupplungshülse 13 direkt begrenzt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, das
Flankenspiel in der Kupplungs-Verzahnung bereits beim Zusammenbau
der Kupplung festzulegen, indem die Axialwegbegrenzungen 23 entsprechend
eingestellt werden. Je nachdem welchen Verschiebe-Weg die Axialwegbegrenzungen 23 zulassen,
kann die Kupplungshülse 13 mehr
oder weniger weit über
die Kupplungsnaben 11, 12 geschoben werden, so
dass das Flankenspiel in der Verzahnung eliminiert oder auf ein
Minimum reduziert wird und die Schaltkupplung 6 kann das
Antriebsdrehmoment dadurch verdrehspielfrei oder verdrehspielarm übertragen.
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Durch die Axialwegbegrenzung wird
in vorteilhafter Weise ein unzulässig
hohes Verkeilen der keilförmigen
Verzahnung verhindert.
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Die 2a stellt
einen Schnitt durch die Kupplungsverzahnung – gemäß Ansicht A-A aus 2 – dar, wodurch die Keilform
der Kupplungsverzahnung ersichtlich wird. Die obere Darstellung
zeigt die ausgerückte
Stellung und die untere die eingerückte Stellung.
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Die Kupplungsverzahnung ist vorzugsweise oberflächengehärtet und
geschliffen.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, umschließt das Schaltelement 15 zum
axialen Verschieben der Kupplungshülse 13 die hohlwellenförmige Kupplungshälfte muffenartig
und schließt
mit – sich
radial nach innen erstreckenden – Wandungen an die Kupplungshälfte an.
An der Kupplungshälfte
ist ein umlaufender Bund 16 angeordnet ist, der den Zwischenraum
zwischen dem Schaltelement 15 und der äußeren Mantelfläche der
Kupplungshälfte
in zwei Druckräume 17, 21 unterteilt.
Zur Abdichtung der Druckräume 17, 21 sind
am Schaltelement 15 und am Bund 16 umlaufende
Dichtungen 28 vorgesehen. Das Schaltelement 15 stützt die
vorzugsweise hydraulisch erzeugte Schaltkraft an dem Bund 16 der einen
Kupplungshälfte
ab, so dass auf eine Anbindung an das Fundament verzichtet werden
kann. Dadurch bleiben die Dichtungen 28 jederzeit frei
von relativen Drehbewegungen und die Axialkraft des Schaltelementes 15 führt nicht
zu einer Belastung der Wellenleitung und des Fundaments. Die Druckräume 17, 21 sind über Ölkanäle 14, 30 an
eine Druckölversorgung
angeschlossen und können
unabhängig voneinander
gesteuert mit Öl
befüllt
werden. Mit der Befüllung
der ersten Druckkammer 17 verschiebt sich das Schaltelement 15 in
axialer Richtung parallel zur Drehachse 29 und zieht die – über die
Stege 22 verbundene – Kupplungshülse 13 von
der einen Kupplungsnabe 11 herunter. Damit sind die beiden Kupplungshälften voneinander
entkuppelt und lassen sich gegeneinander verdrehen. Zum Einkuppeln,
das heißt
zum Herstellen einer drehfesten Verbindung zwischen den Kupplungshälften, wird
der andere Druckraum 21 mit Öl befüllt, während sich der erste Duckraum 17 entleert.
Das Schaltelement 15 bewegt sich in entgegengesetzter Richtung
und schiebt die Kupplungshülse 13 über die
Stege 22 auf die Kupplungsnabe 11. Damit die Zähne der
Kupplungshülse 13 beim
Einkuppeln nicht an die Zähne
der Kupplungsnabe 11 stoßen, ist es vorteilhaft entsprechende
Anlaufschrägen
vorzusehen. Andere Mittel zum Synchronisieren der Verzahnungen sind
auch möglich.
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Aufgrund der Anordnung des Schaltelements 15 um
die eine Kupplungshälfte
herum, wird die hydraulische Wirkfläche des Schaltelements 15 durch
eine große
Kreisringfläche
gebildet. Da sich die Schaltkraft aus dem Produkt von Fläche und
Hydraulikdruck ergibt, sind bei dieser vorteilhaften Anordnung – mit der
relativ großen
Wirkfläche – nur geringe Öldrücke erforderlich,
um die Schaltkraft zu erzeugen. Die entsprechenden Hydraulikdrücke können von
der ohnehin vorhandenen Ölversorgungsanlage des
Schiffs erzeugt werden.
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In eingekuppeltem Zustand kann die
Schaltkupplung 6 das Drehmoment des Hauptmotors mit hoher
Sicherheit verdrehspielfrei oder verdrehspielarm auf den Propeller übertragen.
Zur Übertragung des
Propellerschubes auf das Schiffsdrucklager können zwischen den beiden Kupplungshälften Druck- bzw.
Axiallager 25, 27 vorgesehen werden. In eingekuppeltem
Zustand tritt an den Drucklagern 25, 27 keine
relative Drehbewegung auf und der Axialschub vom Propeller, welcher über die
Propellerwelle mit dem ersten Flansch 10 verbunden ist,
setzt das Drucklager 27 auf Block. Die Axialkraft wird
somit von der ersten Kupplungshälfte über das
stillstehende Drucklager 27 auf die Stirnseite der Kupplungsnabe 12 der anderen
Kupplungshälfte
und über
deren Flansch 20 auf den anderen Abschnitt der Propellerwelle übertragen.
Dieser Abschnitt der Propellerwelle ist vorzugsweise mit dem Hauptantriebsmotor
verbunden und leitet die Axialkräfte über das
Schiffsdrucklager in das Fundament ein. Zur Aufnahme von Axialkräften in
umgekehrter Richtung, wie sie beispielsweise bei Rückwärtsfahrt
auftreten, ist am Zapfen 18 ein Bund 24 vorgesehen,
der sich über
das Drucklager 25 an der – dem Hauptmotor zugewandten
Stirnseite der – Kupplungsnabe 12 abstützt. Diese
Zugkraft des Propellers wird über
den, mit dem Flansch 20 verbundenen, Propellerwellenabschnitt auf
das Schiffsdrucklager weitergeleitet.
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Da in eingekuppeltem Zustand weder
an der Kupplungsverzahnung, noch in den Axiallagern 25, 27 entsprechende
Relativbewegungen auftreten, kann in diesem Betriebszustand auf
eine Schmierung dieser Teile verzichtet werden.
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Bei ausgeschalteter Kupplung 6,
das heißt bei
getrennter Antriebsverbindung zwischen den beiden Kupplungshälften, kann
der – mit
dem Flansch 10 verbundene – Propeller wie bereits beschrieben durch
den Propellerwellengenerator angetrieben werden. In diesem Betriebszustand
steht der Hauptmotor und die über
den entsprechenden Propellerwellenabschnitt und den Flansch 20 verbundene Kupplungshälfte. Die
angetriebene und die stehende Kupplungshälfte drehen sich relativ zueinander
und die Drucklager 25, 27 können die Axialkräfte des
Propellers sicher aufnehmen. Die Drucklager 25, 27 sind vorzugsweise
als Gleitlager ausgeführt
und werden in diesem Betriebszustand durch Ölkanäle mit Schmieröl versorgt,
so dass sich an den Gleitflächen entsprechende
Schmierfilme bilden können.
Auftretende Schubkräfte,
welche die Kupplungshälften
zusammenschieben, werden durch das erste Drucklager 27 zwischen
der ersten Kupplungshälfte
und der gegenüberliegenden
Stirnseite der Kupplungsnabe 12 der anderen Kupplungshälfte aufgenommen.
Zugkräfte,
wie sie beispielsweise bei umgekehrter Antriebsrichtung auftreten
können,
werden vom Bund 24, der fest auf dem Zapfen 18 der
ersten Kupplungshälfte
angeordnet ist, in das Drucklager 25 eingeleitet, welches
sich an der anderen Stirnseite der Kupplungsnabe 12, der
stehenden Kupplungshälfte
abstützt.
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- 1
- Hauptmotor
- 2
- Propellerwelle
- 3
- Propeller
- 4
- (Propellerwellen-)Generator/Elektromotor
- 5
- Getriebe
- 6
- Kupplung
- 7
- Generator
- 8
- Dieselmotor
- 9
- elastische
Kupplung
- 10
- Flansch
- 11
- Kupplungsnabe
- 12
- Kupplungsnabe
- 13
- Kupplungshülse
- 14
- Ölkanal
- 15
- Schaltelement
- 16
- Bund
- 17
- Druckraum
- 18
- Zapfen
- 19
- Lager
- 20
- Flansch
- 21
- Druckraum
- 22
- Steg
- 23
- Distanzstück
- 24
- Bund
- 25
- Drucklager/Axiallager
- 26
- Radiallager
- 27
- Drucklager/Axiallager
- 28
- Dichtung
- 29
- Drehachse
- 30
- Ölkanal