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Antrieb, insbesondere Schiffsantrieb
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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Antrieb, insbesondere Schiffsantrieb
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Man unterscheidet vier Grundarten von Schiffsantrieben, nämlich -
die konventionelle Wellenanlage; - den V-Trieb; - den Z-Trieb (Aquamatic); und -
den Außenborder-Antrieb.
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Bei all diesen Schiffsantrieben muß der Fachmann sich mit den Problemen
der 1. Korrosion (bedingt durch die meist unterschiedlichen Werkstoffe für Schiffsschraube
(Propeller) und Welle sowie 2. dem auf Welle, Getriebe und Motor einwirkenden hohen
Trägheitsmoment der Schiffsschraube beim Anfahren und Abstoppen.
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auseinandersetzen. Die Werkstoffe für die unter Wasser angeordneten
Teile eines Schiffsantriebes werden nach verschiedenen Gesichtspunkten gewählt:
- Festigkeit; - Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in Seewasser; - Erosionsbeständigkeit;
etc..
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Für Transmissionsteile werden meist Aluminiumlegierungen verwendet,
die oberflächenbehandelt sind. Antriebswellen bestehen dagegen vorwiegend aus rostfreiem
Stahl, während die Schiffsschrauben bzw. Propeller entweder aus Aluminiumlegierungen
(bei Kleinantrieben) oder aus unbehandelter Bronze (bei hoher Belastung) hergestellt
sind. Die Lagerung dieser Teile erfolgt in Stahl-, Kunststoff-, Aluminium- oder
Holz-Lagern bzw. einem Außenborder in einem Gehäuse aus Stahl- oder Aluminium-Blech.
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Insbesondere bei Verwendung der relativ schweren Bronze-Propeller
treten die beiden oben genannten Probleme auf.
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Die durch den Propeller bedingten relativ hohen "Anfahr-und Stoppstöße"
führen zu einer vorzeitigen Ermüdung und ggf. zu einem vorzeitigen Bruch der Antriebswelle
und/ oder der Kraftübertragungsorgane (Getriebe-Zahnräder).
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Besonders stark sind die genannten Torsionsstöße bei Faltpropellern,
wie sie bevorzugt für Segelboote verwendet werden. Die meisten Schiffe sind darüberhinaus
mit sog.
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Wendegetrieben ausgerüstet, die das Manövrieren erheblich erleichtern.
Die häufigen Drehrichtungswechsel belasten jedoch zusätzliche Antriebswelle und
Getriebeorgane.
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Den erwähnten Korrosionsproblemen versucht man durch Anordnung einer
sog. "Opferanode" am Schiffsrumpf oder an der Antriebswelle Herr zu werden. Diese
wird jedoch nach relativ kurzer Zeit verbraucht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schiffsantrieb
zu schaffen, bei dem beim Anfahren und Abstoppen, insbesondere bei schnellem Drehrichtungs-
wechsel
der Schiffsschraube, die durch das Trägheitsmoment der Schiffsschraube bedingten
Torsionsstöße gedämpft und Korrosionsschäden auch ohne "Opferanode" auf ein Minimum
reduziert sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst, wobei sich diese Lösung als äußerst wirkungsvoll
und in konstruktiver Hinsicht überraschend einfach darstellt.
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Dadurch, daß die Schiffsschraube gegenüber allen übrigen Teilen des
Schiffes, insbesondere der Antriebswelle, elektrisch isoliert ist, wird eine mögliche
Spannungskorrosion- auf ein Minimum reduziert. Langzeitversuche des Erfinders haben
gezeigt, daß im Bereich der Propellernabe auch keine Spaltkorrosion auftritt aufgrund
der in der Regel guten Umspülung dieses Bereiches.
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Durch die erfindungsgemäßen Kraftübertragungselemente aus elastisch
dehnbarem, elektrisch nicht leitendem Werkstoff wird schließlich noch der Vorteil
einer Dämpfung der durch die Schiffsschraube bedingten Torsionsstöße beim Anfahren
und Abstoppen bzw. Drehrichtungswechsel derselben erzielt. Die Belastung der Antriebswelle
sowie Getriebeorgane durch Torsionsstöße läßt sich durch die erfindungsgemäße Lösung
erheblich reduzieren. Darüber hinaus wirken die erfindungsgemäßen Kraftübertragungselemente
auch als Vibrationsdämpfer, so daß sich der Schiffsantrieb insgesamt durch einen
ruhigen Lauf auszeichnet.
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Bevorzugte konstruktive Details der erfindungsgemäßen Lösung sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Nachstehend wird noch eine konstruktiv besonders einfache Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebes anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße Befestigung einer Schiffsschraube
am freien Ende einer Antriebswelle, teilweise im Längsschnitt, teilweise in Seitenansicht;
Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1 im Querschnitt längs Linie A-A; Fig. 3 die Anordnung-nach
Fig. 1 im Querschnitt längs Linie B-B in Fig. 1; Fig. 4 die Anordnung entsprechend
Fig. 2 beim Anfahren der Antriebswelle in Richtung des Pfeiles "V" (Schnitt längs
Linie C-C in Fig. 5); und Fig. 5 die Anordnung gemäß Fig. 4 im Schnitt längs Linie
D-D in Fig. 4.
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In den Figuren 1 bis 5 ist eine bevorzugte Ausführung für die Befestigung
einer Schiffsschraube 1 mit Flügeln 1A am freien Ende einer Antriebswelle 8 schematisch
dargestellt, wobei in den Figuren 4 und 5 die relative Lage zwischen Antriebswelle
8 und Schiffsschraube 1 beim Anfahren bzw.
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Starten dargestellt ist, während die Figuren 1 bis 3 die relative
Lage zwischen Antriebswelle 8 und Schiffsschraube 1 im Ruhezustand bzw. im stabilen
Laufzustand zeigen. Wie die Figuren 1 und 5 erkennen lassen, ist das freien Ende
der Antriebswelle 8 konisch ausgebildet. Auf diesen Konus 10 ist eine Wellennabe
2 mit entsprechendem Innenkonus aufgesteckt. Die Wellennabe 2 wird durch eine auf
ein an der freien Stirnseite der Antriebswelle 8 bzw. des Konus 10 vorgesehenes
Gewinde 7' aufgeschraubte Sicherungsmutter 7 auf der Antriebswelle 8 gehalten, wobei
zwischen Wellennabe und Sicherungsmutter 7 noch ein Sicherungsring 6 angeordnet
ist. Auf der Wellennabe 2 ist die Schiffsschraube 1 gelagert, und zwar über Lagerringe
4 und 5 derart,
daß die Schiffsschraube 1 relativ zur Wellennabe
2 verdrehbar ist. Die Lagerringe 4, 5 bestehen aus einem elektrisch nicht leitenden
Isolierwerkstoff, vorzugsweise abriebfestem Kunststoff. Durch die Lagerringe 4,
5 wird die Nabe der Schiffsschraube 1 von der Wellennabe 2 beabstandet (Spalte 4A;
5A und 5B). Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Schiffsschraube 1 gegenüber
der Wellennabe 2 bzw. Antriebswelle 8 elektrisch isoliert ist. Die axiale Fixierung
der Schiffsschraube 1 auf der Wellennabe 2 erfolgt ebenfalls mittels der Sicherungsmutter
7 bzw.
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des Sicherungsringes 6, der an dem stirnseitigen Lagerring anliegt.
Dabei ist der Außendurchmesser des Sicherungsringes 6 kleiner als der Außendurchmesser
des stirnseitigen Lagerringes 5 bzw. der stirnseitige Innendurchmesser der Schiffsschrauben-Nabe,
so daß an dieser Stelle der erwähnte Spalt 5B entsteht.
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Wie insbesondere die Figuren 2 und 3 sehr gut erkennen lassen, weist
die Wellennabe 2 zwei sich radial nach aussen erstreckende Vorsprünge 2A auf, denen
entsprechend radial nach innen ragende Vorsprünge 1B am Umfang des zentralen im
vorliegenden Fall zylindrischen Axial-Durchgangs 9 der Schiffsschrauben-Nabe zugeordnet
sind. Durch den Axial-Durchgang 9 wird ein Hohlraum zwischen den axial voneinander
beabstandeten Lagerringen 4, 5 für die Aufnahme von den eingangs genannten Kraftübertragungselementen
3 definiert, auf deren Funktion etc. nachstehend noch näher eingegangen wird. Die
Vorsprünge 1B bzw. 2A sind jeweils diametral angeordnet. Die radiale Höhe der Vorsprünge
1B und 2A ist jeweils geringer als die Hälfte der Differenz zwischen dem Außendurchmesser
der Wellennabe 2 und dem Innendurchmesser des zentralen Axial-Durchganges 9 im Umfangsbereich
der Vorsprünge. In den von den Vorsprüngen 1B und 2A einerseits und der äußeren
Umfangsfläche der Wellennabe 2 sowie inneren Umfangsfläche des Axial-Durchganges
9 durch die Nabe der Schiffsschraube 1 andererseits begrenzten Räumen 12 sind Torsionskraftüber-
tragungselemente
3 aus elastische dehnbarem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff angeordnet.
Die stirnseitige Begrenzung der Aufnahmeräume 12 für die Kraftübertragungsi elemente
3 erfolgt durch sich radial nach außen bzw. innen erstreckende Ringflansche 16 bzw.
13 der Wellennabe 2 bzw. Propellernabe.
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Im Ruhezustand bzw. im stabilen Laufzustand ist der Winkelabstand
zwischen den Vorsprüngen 1B und 2A etwa 900 (Figuren 2 und 3). Dadurch,daß die Kraftübertragungselemente
aus einem elektrisch nicht leitendem Werkstoff hergestellt und die Vorsprünge 1B
bzw. 2A die gegenüberliegenden Umfangsflächen der Wellennabe 2 bzw. des zentralen
Axial-Durchganges 9 nicht berühren, ist auch im Kraftübertragungsbereich die elektrische
Isolierung der Schiffsschraube 1 gegenüber der Wellennabe 2 bzw. Antriebswelle 8
sichergestellt. Zusätzlich können die der Wellennabe 2 bzw. Propellernabe zugewandten
Seiten der Vorsprünge 1B bzw. 2A mit einem Isoliermaterial 14 überzogen sein, so
daß auch bei einem möglichen oder auch beabsichtigten Kontakt der Vorsprünge mit
den gegenüberliegenden Umfangsflächen von Wellennabe 2 und zentralen Axial-Durchgang
9 eine elektrische Isolierung gewährleistet ist.
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Wie die Figuren 2 und 3 erkennen lassen, sind die Oberflächen der
Kraftübertragungselemente 3 "gewulstet" (Wülste 11) ausgebildet, wodurch sich der
Reibungswiderstand und damit der Torsionsstoßdämpfungs-Grad einstellen låßt und
wodurch auch die Einpassung in die Aufnahmeräume 12 erleichtert wird.
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Beim Anfahren bewegt sich die Antriebswelle 8 bzw. Wellennabe 2 z.B.
gemäß Fig. 4 in Richtung des Pfeiles "V".
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Aufgrund der Massenträgheit der Schiffsschraube 1 bleibt diese gegenüber
der Bewegung der Antriebswelle 8 bzw. Wellennabe 2 zunächst zurück mit der Folge,
daß zwei Kraftübertragungselemente zwischen den Vorsprüngen 1B und 2A
zusammengepreßt
werden, während in den beiden anderen Aufnahmeräumen 12 zusätzlicher Freiraum 15
entsteht. Durch die Verformung von zwei diametral angeordneten Kraftübertragungselementen
3 in Umfangsrichtung sowie in axialer Richtung (Figuren 4 und 5) wird eine erhebliche
Torsionsstoßdämpfung erzielt. Der durch das Trägheitsmoment der Schiffsschraube
1 bedingte Torsionskraftanstieg wird verzögert, insbesondere die "Initial-TorsionskraftX
(Torsionskraftspitze) stark abgesenkt. Die Antriebswelle 8 sowie die Getriebeorgane
werden durch das Anfahrmoment weit weniger belastet als bei den herkömmlichen starren
Verbindungen zwischen Schiffsschraube und Antriebswelle.
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Eine zusätzliche Torsionsdämpfung wird dadurch erreicht, daß zwischen
den Aufnahmeräumen 12 sowohl beim Anfahren als auch beim Abstoppen der Drehbewegung
Fluid - nämlich Wasser - verdrängt wird, und zwar über die zwischen den Vorsprüngen
1B bzw. 2A und den gegenüberliegenden Umfangsflächen von Wellennabe 2 bzw. Axial-Durchgang
9 gebildeten Spalte, die als Drosseln wirken. Eine derartige "Überströmung" ist
in Fig. 4 schematisch durch den Pfeil "x-y" dargestellt. Ferner sind die Aufnahmeräume
12 jeweils mit einer Drosselbohrung 2B versehen, die die Aufnahmeräume 12 mit der
Umgebung fluidverbindet. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Drosselbohrungen
2B in dem sich radial nach außen erstreckenden Ringflansch 16 der Wellennabe 2 angeordnet.
Bei Kompression eines Kraftübertragungselements 3 in Umfangsrichtung dehnt sich
dieses in axialer Richtung aus und verdrängt dadurch sich in dem entsprechenden
Aufnahmeraum 12 befindliches Fluid (Wasser) durch die Drosselbohrung 2B sowie durch
die erwähnten Spalten zwischen den Vorsprüngen und den gegenüberliegenden Umfangs
flächen von Wellennabe 2 bzw. Axial-Durchgang 9. Die durch die Drosselbohrungen
2B sowie Drosselspalte zwischen den Vorsprüngen und den gegenüberliegenden Umfangsflächen
von Wellennabe 2 und Axial-Durchgang 9 bedingte hydraulische Dämpfung trägt auch
zur Vibrations-
dämpfung während des Betriebes bei.
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Die Kraftübertragungselemente 3 sind vorzugsweise blockartige Gummi-
oder Kautschuk-Einlagen. Sie können einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Die Härte der Blökke 3 kann durch mehr oder weniger dichte Packung leicht eingestellt
werden. Vorzugsweise ist noch eine Vorrichtung zur Einstellung der Härte der Kraftübertragungselemente
bzw. -blöcke 3 vorgesehen, die von außen her bedienbar ist. Eine derartige Vorrichtung
könnte z.B. eine sich radial durch die Propellernabe hindurcherstreckende Kompressionsschraube
umfassen, wobei natürlich jedem Kraftübertragungselement eine derartige Kompressionsschraube
zugeordnet sein sollte. Auch in axialer Richtung wirkende Kompressionsschrauben
wären denkbar, die sich z.B. durch den sich radial nach innen erstreckenden Ringflansch
13 der Propellernabe hindurch erstrecken.
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Vorzugsweise sind auch die Querschnitte der Drosselbohrungen 2B veränderbar
durch in diese hineinragende querschnittsverändernde Schrauben. Diese Lösung ist
vorallem dann von Vorteil, wenn aufgrund eines unmittelbaren Kontaktes zwischen
den Vorsprüngen 1B und 2A und den gegenüberliegenden Umfangsflächen von Wellennabe
2 und Axial-Durchgang 9 - natürlich bei entsprechender elektrischer Isolierung der
Kontaktflächen - eine "Spaltströmung" und die dadurch bewirkte hydraulische Dämpfung
fehlt. Das Fehlen dieser zusätzlichen Dämpfung kann dann durch entsprechende Einstellung
des Quer schnitts der Drosselbohrungen 2B kompensiert werden.
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Durch die ständige und starke Umspülung des Nabenbereiches entsteht
auch keine Korrosion im Bereich der Spalte 4A, 5A und 5B.
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Nach alledem stellt sich die erfindungsgemäße Befestigung einer Schiffsschraube
am freien Ende einer Antriebswelle
als äußerst belastungsarm und
korrosionsbeständig dar.
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Die Materialwahl für die Antriebswelle 8 bzw. Wellennabe 2 einerseits
und Schiffsschraube 1 andererseits wird dank der erfindungsgemäßen Konstruktion
von sekundärer Bedeutung.
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Die erfindungsgemäße Verbindung zwischen einer Antriebswelle und einer
Schiffsschraube kann selbstverständlich auch bei anderen Antrieben von Vorteil sein,
bei denen es gilt, Torsionsstöße aufgrund von starken Lastwechseln oder beim Anfahren
oder Abstoppen trägheitsintensiver Kraftübertragungsorgane zu dampfen. Bei großen
Dieselmaschinen könnte z.B. das Hauptantriebs-Zahnrad auf der Abtriebswelle des
Motors erfindungsgemäß befestigt sein, wobei in einem solchen Fall es natürlich
nicht unbedingt erforderlich ist, das Antriebs-Zahnrad gegenüber der Abtriebswelle
elektrisch zu isolieren. Die Erfindung soll also nicht auf Schiffsantriebe beschränkt
sein, auch wenn das Hauptanwendungsgebiet bei den Schiffsantrieben liegt.
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Sämtliche in den Unterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik
neu sind.